В настоящее время принята гипотеза о взаимодействии двух областей азота с металлом при плазменно-дуговом переплаве (ПДП). В одной зоне, там, где химический потенциал газообразного азота превышает химический потенциал растворенного азота, происходит адсорбция азота металлом (зона адсорбции). В другой зоне химический потенциал растворенного азота превышает химический потенциал газообразного азота и происходит десорбция азота (зона десорбции). Обший баланс содержания азота в металле определяется суммированием этих двух потоков. По достижении пороговой концентрации насыщения азотом, которая определяется общим давлением азота, наступает равенство адсорбционного и десорбционного процессов.

В.И. Кашин с сотрудниками [33], изучая кинетику адсорбции азота из низкотемпературной плазмы, установили, что максимальное значение скорости поглощения азота наблюдается в начале выдержки с постепенным ее уменьшением до нуля, что соответствует достижению стационарного состояния в системе металл—плазма^ атмосфера. Увеличение парциального давления азота в плазмообразуюшем газе до 0,1 атм приводит к значительному повышению скорости растворения и стационарной концентрации азота. Подобным образом влияет и увеличение общего расхода газа. На условия азотного кипения влияет содержание углерода в железе. Если в сплавах с массовой долей углерода до 1,3 % пузырьковое кипение возникает примерно через 60 с, то в сплавах с более высоким содержанием углерода выделение пузырьков азота не происходит вплоть до достижения стационарного состояния. При уменьшении содержания углерода в металле скорость поглощения азота расплавом возрастает.

Плазменная струя, охладившись при столкновении с металлом, сохраняет избыточное количество активных частиц. Пересыщение пограничного слоя газа активными частицами колеблется от 3,2 до 10. Повышение концентрации активных частиц обусловливает наличие избыточного химического потенциала азота в газе. Поэтому фактическая концентрация азота в изученных расплавах железа с ванадием и углеродом значительно выше, чем это вытекает из условия равновесия.

Вследствие наличия электрической дуги свободная энергия перехода азота в металл ниже, чем при обычных сталеплавильных процессах, что при равных температурных условиях определяет повышенную абсорбцию азота. Стационарная концентрация азота независимо от состава жидкой стали существенно превышает равновесные значения, плазма у поверхности металла на-

ходится в термодинамически неравновесном состоянии с химическим потенциалом азота порядка 15.45 ккал/моль. Константа квазиравновесия Кми аз°та в плазме и в чистом железе К' =

= 0,75 %/атм|/2, а отношение 1Г±- соответствует выражению

= 1ёА:"-3,5[Ы].(2.24)

Опыты по поглощению азота жидким железом из аргонно-азотной плазмы показали, что [13]:

а)система металл—газ при малых содержаниях азота в плазмообразуюшем газе подчиняется закону Сивертса;

б)коэффициент пропорциональности К' для условия взаимодействия плазмы с железом имеет значение на порядок больше, чем в случае плавки металла бездуговыми источниками тепла (Агенте = 0,046 %/атм1'2 К' = 0,79 %/атм"3);

в)постоянная Сивертса зависит от общего давления газовой смеси над металлической ванной.

По мнению В.И. Лакомского [13], при плазменно-дуговой плавке на Гранине газ—металл присутствуют возбужденные молекулы азота, образующиеся вследствие релаксационных процессов в пограничном газовом слое по мере приближения газа к металлическому расплаву. Релаксация колебательной энергии молекул азота, образовавшихся в результате рекомбинации, не успевает завершиться полностью, и на поверхность жидкого металла попадают молекулы азота с повышенной внутренней энергией. Чем выше уровень перерелаксировавшейся внутренней энергии, тем легче осуществляется растворение азота в жидком железе, тем больше значение коэффициента пропорциональности К' в уравнении

[N1 = Г Р$ .(2.25)

При К' = 0,79 и среднемассовой температуре металла 2075 К энергия возбуждения I грамм-атома азота равна 11700 кал. Если плавка проводится под разряжением, то вероятно взаимодействие с металлом не молекул, а атомов азота. На поверхности металла адсорбируется газ с повышенным уровнем колебательной энергии, что требует меньшей (на 20.23 ккал/моль) энергии на разрыв внутримолекулярных связей при адсорбции азота.