Измерение концентрации и регулирование химического состава технологических атмосфер

В большинстве технологических процессов используют химически активные среды. В таких средах термодинамическая активность элемента иная, чем на поверхности металла. Термодинамическая активность определяет насыщающую способность атмосферы. На практике ее оценивают потенциалом атмосферы π (например, углеродным, азотным, кислородным и пр.).

Потенциал выражают предельной концентрацией химического элемента на поверхности в условиях равновесия с атмосферой.

Потенциал атмосферы π сложным образом зависит от химического состава атмосферы (парциальных давлений N компонентов p _i), температуры t и общего давления p _общ:

π = F (p _i; t, p _общ).

В ионизированных атмосферах потенциал зависит также от параметров электрического разряда – главным образом – его мощности W.

π = F (p _i; t, p _общ, W).

Наиболее сильно потенциал зависит от парциальных давлений компонентов, т.е. химического состава атмосферы.

В основном в термическом производстве используют равновесные атмосферы. Они могут находиться в термодинамическом равновесии с поверхностью обрабатываемых деталей.

Принято выделять следующие типы атмосфер:

1) окислительные, защитные и восстановительные (характеризуются кислородным потенциалом π _о);

2) науглероживающие, нейтральные и обезуглероживающие (характеризуются углеродным потенциалом π _с);

3) прочие.

Цель управления потенциалом технологической атмосферы – достижение требуемого результата взаимодействия атмосферы с поверхностью металла.

Для достижения цели управления чаще всего изменяют парциальное давление одного или нескольких компонентов атмосферы, т.е. изменяют ее химический состав.

Рассмотрим особенности взаимодействия равновесной атмосферы с насыщаемой поверхностью металла.

С _пов – концентрация химического элемента на насыщаемой поверхности;

С ₀ – исходная концентрация химического элемента в насыщаемом металле;

π – потенциал атмосферы;

τ _0,8 – время достижения поверхностной концентрации, равной 0,8 π.

Кинетику насыщения можно описать следующим уравнением:

) = – D ,

где – коэффициент массопереноса; D – коэффициент диффузии; x – расстояние от насыщаемой поверхности до точки с концентрацией элемента, равной С.

Скорость внешнего массопереноса пропорциональна разности (π – С _пов). Она максимальна в начале процесса, уменьшается по мере роста С _пов и становится равной нулю при достижении равновесия (С _пов= π).

В результате время достижения поверхностной концентрации, равной значению потенциала π приближается к бесконечности, т.е. С _{пов½ τ ®¥} = π. Как следствие, на практике для оценки потенциала используют такие величины, как насыщающая способность атмосферы, составляющая 0,8 π и время достижения соответствующей концентрации на поверхности – τ _0,8.

С _{пов½ τ = τ 0,8}= 0,8 π.

Таким образом, для обеспечения ненулевой скорости насыщения во все время технологического процесса устанавливают значение потенциала атмосферы π как минимум на 25 % больше требуемой концентрации насыщающего элемента на поверхности.

Дата добавления: 2014-01-14