Термодинамика и кинетика металлургических процессов: физико-химические расчеты по термодинамике и кинетике поведения газов и неметаллических включений в стали

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2207 

Кафедра металлургии стали и ферросплавов

 
 
 

Термодинамика и кинетика
металлургических процессов 

Физико-химические расчеты  
по термодинамике и кинетике поведения 
газов и неметаллических включений в стали 

Практикум 

Допущено учебно-методическим объединением 
по образованию в области металлургии в качестве учебного 
пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению Металлургия 

Москва  2013 

УДК 669 
 
Т35 

Работа выполнена в рамках Аналитической ведомственной 
целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы», 
проект № 2.1.2/6832 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук П.И. Черноусов 

А в т о р ы :  Г.И. Котельников, А.В. Павлов, К.Л. Косырев, 
А.Е. Семин, А.В. Красильников, Д.А. Мовенко 

 
 
 
Термодинамика и кинетика металлургических процессов :  
Т35 физико-химические расчеты по термодинамике и кинетике поведения газов и неметаллических включений в стали : практикум / Г.И. Котельников, А.В. Павлов, К.Л. Косырев [и др.]. – 
М. : Изд. Дом МИСиС, 2013. – 45 с. 
ISBN 978-5-87623-577-0 

Представлены решения следующих физико-химических задач: термодинамика процессов растворения газов в стали, расчеты условий образования 
оксидов, нитридов, карбонитридов, термодинамика микролегирования стали 
нитридообразующими элементами, кинетика обезуглероживания и азотирования металлов. 
Предназначен для бакалавров, магистров, обучающихся по направлению 
«Металлургия». 
УДК 669 

ISBN 978-5-87623-577-0 
© Коллектив авторов, 2013 

СОДЕРЖАНИЕ 

Предисловие..............................................................................................4 
1. Термодинамика металлургических процессов ..................................5 
1.1. Расчет концентрации титана, отвечающей 
нитридообразованию............................................................................5 
1.2. Расчет температуры нитридообразования в стали .....................7 
1.3. Термодинамические условия образования 
неметаллических включений в стали .................................................9 
1.4. Растворимость газов в легированной стали ..............................12 
1.5. Погрешности расчетного значения растворимости газов 
в стали..................................................................................................16 
1.6. Условия существования карбонитридов титана 
в жидкой стали....................................................................................20 
1.7. Микролегирование стали азотом 
и нитридообразующими элементами................................................23 
2. Кинетика обезуглероживания и азотирования стали......................27 
2.1 Поверхностное натяжение многокомпонентных 
сплавов на основе железа...................................................................27 
2.2. Кинетика обезуглероживания металла......................................34 
2.3. Кинетика абсорбции азота..........................................................41 
Библиографический список...................................................................44 
 

Предисловие 

Производство стали неразрывно связано с множеством факторов, 
влияющих на протекание сталеплавильных процессов. Курс термодинамики и кинетики металлургических процессов является основным при формировании у студентов понимания технологии выплавки стали. Именно эта дисциплина позволяет развить у студентов количественное представление о происходящих при выплавке стали 
процессах, таких как взаимодействие расплава металла с газами и 
выделение неметаллических включений. Раздел кинетики служит 
теоретической базой для описания временных характеристик процессов. Наряду с задачами на тему кинетики обезуглероживания и азотирования металла в практикуме освещены также вопросы, связанные с поверхностными явлениями в многокомпонентных сплавах на 
основе железа. 

1. ТЕРМОДИНАМИКА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ 
ПРОЦЕССОВ 

1.1. Расчет концентрации титана, 
отвечающей нитридообразованию 

Задача. Термодинамическим расчетом определить, при какой 
концентрации титана в стали 08Х18Н10 при 1550 °С и 
2

5

N
0,798 10
p
=
⋅
 Па 

(0,79 атм) образуются нитриды. 
Исходные данные 

1. [
]
2(г)
(тв)
1
1
14600
Ti
N
TiN
; lg
6,63.
2
K
T
+
=
=
−
 
(1.1) 

2. 
[ ]
2(г)
N
(Fe)
1
850
N
N
; lg
0,905
2
K
T
=
= −
−
. 
(1.2) 

3. Параметры взаимодействия: 

C
Ti
e
− нет данных ; 
Cr
Ti
0,022;
e
=
 
Ni
Ti
0,009;
e
=
 
N
Ti
1,8;
e
= −
 

Cr
Ni
Cr,Ni
C
Cr
Ti
Ti
Ti
N
N
0,0001;
0,0005;
0,0006;
0,13;
0,046;
r
r
r
e
e
= −
=
= −
=
= −
 

Ni
Ni
Cr,Ni
N
N
N
0,0063;
0,00007;
0,00008.
e
r
r
=
=
= −
 
Теория. Константа реакции нитридообразования (1.1)  

 
[
]
2

1
Ti
N

1
,

Ti
K
f
p
=
 

отсюда 

 
[
]

2
1 Ti
N

1
Ti
.

K f
p
=
 
(1.3) 

Температурную зависимость 
Ti
f  получим на основе соотношения, 
вытекающего из теории квазирегулярных растворов (ТКР): 

 
Ti(
)
Ti(1873)

1873
(
)
lg
lg
,
(
1873)
T
T
f
f
T
τ −
=
τ −
 
(1.4) 

где τ – параметр ТКР (τ = 7000 К).