Реферат Александров. Определение содержания азота в стали и сплавах
 Скачать 46.47 Kb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный индустриальный университет» Кафедра металлургии черных металлов Реферат на тему «Определение содержания азота в стали и сплавах» по дисциплине «Аналитическое обеспечение технологических процессов» Выполнил: ст. гр. МММ-17 Александров В.С. Проверил: д.т.н., профессор Рожихина И.Д. Новокузнецк 2017 Содержание Введение 3 1 Влияние азота на свойства стали 4 2 Метод Ледебура-Чижевского 6 3 Анализатор азота в жидком металле 7 Заключение 9 Список использованной литературы 10 Введение Определение содержания азота в стали является важной задачей, так как влияние азота на свойства стали двустороннее: и вредное, и полезное одновременно. В настоящее время существуют различные методы определения азота в стали, однако раньше до начала понимания эффективного влияния элементов на свойства стали испытания большого значения не имели смысла и поэтому не проводились. В зависимости от температурных условий растворенный в железе азот может скапливаться по границам зерен и в результате выделения нитридов снижать силу сцепления между зернами; в результате этого повышается хрупкость материала и уменьшается прочность его на разрыв. Этот зависящий от времени процесс ведет к большой склонности материала к старению, что выражается в повышении предела текучести и прочности при одновременном уменьшении вязкости материала. При критическом составе коррозийной среды и при механическом нагружении такое состояние структуры может привести к разрывам по границам зерен, то есть к межкристаллитной коррозии под напряжением. 1 Влияние азота на свойства стали Исследования взаимодействия азота со сталью проводились в течение всего 20 века. Они были начаты Н.П.Чижевским и И.И.Жуковым. Однако только после 40х годов стали рассматривать возможность использования азота как легирующего элемента. Вопросам влияния азота на свойства сталей, его растворимости, поведения в металле уделялось много внимания во всем мире. В настоящее время в промышленности используется более 200 марок сталей, легированных азотом [1, с.56]. Стали, легированные азотом, принято подразделять на две категории: – стали с содержанием азота ниже равновесного; – стали с содержанием азота выше равновесного ("сверхравновесные"). Первые получают в условиях выплавки и кристаллизации при атмосферном давлении азота. Вторые – при повышенном давлении азота, позволяющем сохранить большее его содержание в металле, чем при открытой выплавке. Связывание азота элементами, имеющими большее сродство к нему, чем железо, например, алюминием, ванадием и титаном ведет к повышению равномерности распределения нитридных включений, к измельчению зерна и тем самым способствует снижению вредного влияния азота. В настоящее время предотвращение проникновения воздуха или других носителей азота в металл в процессе выплавки нелегированных или низколегированных сталей, а так же при их разливке является наиболее важной задачей [2, с.7]. Полезное действие азота как легирующего элемента проявляется в том, что при повышенных температурах азот относительно быстро проникает в жидкую сталь и (как и углерод) вследствие вынужденного положения в кристаллической решетке после затвердевания повышает твердость материала. В случае хромистых сталей уменьшается склонность стали к образованию крупного зерна; в аустенитных сталях азот помимо улучшения предела текучести, прочности и теплостойкости стали повышает и ее стабильность. Возможность создавать в поверхностной зоне деталей нитриды и карбонитриды путем воздействия азот- и углеродосодержащих газов используют в промышленных масштабах для упрочнения поверхности. Получаемое при этом повышение износостойкости и прочности на переменный изгиб, расширение возможности нагружения даже при высоких температурах без ухудшения свойств. А также повышение коррозийной стойкости существенно улучшают применимость сталей как конструкционного материала [3, с.9]. Легирование азотом дисперсионно-твердеющих сталей приводит к образованию мелкодисперсных нитридов по границам зерен, препятствующих их росту, позволяет повысить предел текучести и ударную вязкость металла [4, с.5]. Легирование азотом нержавеющих сталей, позволяет уменьшить в них содержание никеля и марганца в полтора – два раза, а в некоторых случаях вообще исключить эти элементы. Нержавеющие стали, легированные азотом, превосходят по прочности, вязкости и коррозионной стойкости традиционные нержавеющие стали. Легированные азотом безникелевые стали, применяемые в медицине для изготовления хирургического инструмента и имплантатов обладают повышенной прочностью, износостойкостью и не вызывают негативных явлений и аллергических реакций в человеческом организме [3, с.12]. Нержавеющие мартенситные и ферритные стали, легированные азотом, при соответствующей термической и термопластической обработке обладают повышенной прочностью, коррозионной стойкостью и улучшенной технологической пластичностью при высоких и низких температурах. 2 Метод Ледебура-Чижевского Чижевский разработал метод применения вакуума в процессах производства стали, предложил метод определения газов в стали. В 1909г. Чижевский перевел на русский язык и дополнил своими примечаниями «Руководство для железно-заводских лабораторий» немецкого ученого А.Ледебура, которое стало незаменимым учебным пособием для студентов и начинающих инженеров при проведении лабораторных работ [5, с.102]. Азот в заводских лабораториях чаще всего определяется по методу Ледебура-Чижевского, который основан на том, что при растворении стали в кислотах связанный азот переходит в аммонийную соль. При нагревании со щелочью аммонийная соль разлагается, и отгоняющийся аммиак поглощается в приемнике определенным объемом титрованной серной кислоты. Количество поглощенного аммиака далее может быть определено или путем обратного титрования, или колометрически с реактивом Несслера. В литературе имеются указания также о кондуктометрическом методе. Азот, связанный в виде нитридов, нерастворимых в кислотах, не может быть определен этим методом, если нитридный остаток не подвергать дополнительной обработке. Этим методом не определяется также свободный азот, заключенный в микропорах металла. Метод Ледебура-Чижевского состоит в том, что при растворении стали в соляной или серной кислотах азот, связанный в виде карбонитридов и нитридов, переходит в раствор с образованием аммонийной соли. Из раствора аммиак отгоняют кипячением со щелочью в отмеренное количество серной кислоты. К дистилляту добавляют тимол и гипобромид натрия. При взаимодействии гипобромида с аммонийной солью и тимолом образуется вещество, окрашивающее водный раствор в зеленовато-голубой цвет, а эфирную вытяжку в розовато-красный. По интенсивности окраски эфирного слоя определяют содержание азота в стали [5, 183]. 3 Анализатор азота в жидком металле Столь же важным, как знание о влиянии азота на свойства стали был и вопрос о содержании и химическом связывании этого элемента. Мокрое химическое определение азота путем растворения в кислоте с использованием метода Кьяльдаля, дистиллирования и поглощения образовавшегося аммиака серной кислотой и последующего его определения до начала 60-х годов было основной методикой. Совершенно иная методика была описана еще в 1931г. Клингером. Выделяющиеся из окисленной расплавленной стали газа СО, СО2, О2 и Н2 определяли методом объемного газового анализа, а азот определяют по остатку. Позже получение уже неудовлетворительных результатов привело во многих заводских и исследовательских лабораториях к все более активным попыткам использования нового технического опыта для совершенствования этой методики [6, 235]. Многочисленные публикации тех времен свидетельствуют о бурном развитии мокрого химического метода с переходом на инструментальную методику определения общего содержания азота. Сохранившаяся до настоящего времени и тем самым характеризующая состояние технического анализа методика предусматривает горячую экстракцию из расплава, находящегося в графитовом тигле при температуре 2500°С. Азот количественно определяют в потоке гелия, который служит газом-носителем, в ячейке для измерения теплопроводности. Данный метод лежит в основе работы анализатора азота в жидком металле multi-lab nitris system. Измерение азота системой Nitris основано на циркуляции несущего газа-гелия через анализируемый расплав, во время которой он адсорбирует азот, содержащийся в металле. Циркуляция несущего газа продолжается до тех пор, пока он не насытится азотом, то есть до достижения равновесия по водороду между ним и расплавом. Система Nitris измеряет равновесное с жидкой сталью парциальное давление азота, которое затем пересчитывается в содержание азота в соответствии с законом Сивертса – формула 1:  , (1)где N – содержание азота в стали, % на см3/100г; К – константа равновесия реакции: N22 N; f – коэффициент активности азота в стали; РN2 – парциальное давление азота. Использование данного анализатора обусловлено возможностью непрерывного мониторинга содержания азота, исключением необходимости отбора проб, достаточным быстродействием и точностью. Данный прибор может быть установлен на агрегат доводки стали (АДС), что увеличит автоматизацию процесса. Заключение После понимания эффективного влияния азота на свойства стали начали проводиться испытания большого значения, что привело к появлению множества методик определения азота в стали, каждая их которых полезна и точна по-своему. Азот в заводских лабораториях чаще всего определяется по методу Ледебура-Чижевского, который основан на том, что при растворении стали в кислотах связанный азот переходит в аммонийную соль. Сохранившаяся до настоящего времени и тем самым характеризующая состояние технического анализа методика предусматривает горячую экстракцию из расплава, находящегося в графитовом тигле при температуре 2500°С. Азот количественно определяют в потоке гелия, который служит газом-носителем, в ячейке для измерения теплопроводности. Данный метод лежит в основе работы анализатора азота в жидком металле multi-lab nitris system. Список использованной литературы
|