CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT THẤM NITƠ THỂ KHÍ
2.3.2.1. Ảnh hưởng của thành phần chất thấm
Thành phần chất thấm có ảnh hưởng rất lớn đến thế thấm nitơ (Kn). Thế thấm nitơ, về mặt số học thì đây có thể được coi là giá trị nồng độ nitơ lớn nhất mà một lá thép mỏng có thể nhận được. Giản đồ Lehrer trên hình 2.4 cũng đã cho thấy mức độ ảnh hưởng của thế thấm đến tổ chức lớp thấm có thể hình thành tại một nhiệt độ nhất định. Việc sử dụng thế thấm như một công cụ điều khiển tổ chức lớp thấm đã được áp dụng rất rộng rãi trong giai đoạn hiện nay, ứng dụng này cho phép phần nào dự đoán mức độ truyền chất của nitơ, và do đó cũng cho phép dự đoán được chiều sâu và tổ chức của lớp thấm [39].
Để thay đổi thế thấm nitơ, biện pháp đang được áp dụng rộng rãi trên thế giới hiện nay là pha loãng thành phần khí thấm. Với việc đưa thêm khí pha loãng là N2, H2 và đôi khi cả hỗn hợp (N2+H2) vào buồng thấm, cân bằng phản ứng phân hủy nhiệt NH3 khi đó sẽ có sự dịch chuyển làm thay đổi áp suất riêng phần của các khí trong buồng thấm, qua đó làm thay đổi thế thấm Kn.
Việc sử dụng khí N2 để pha loãng khí thấm đã được tiến hành khá nhiều trong vài thập kỷ gần đây, sự có mặt của N2 pha loãng trong buồng thấm sẽ có tác động trực tiếp đến thế thấm Kn, qua đó có thể nhanh chóng điều khiển thế thấm về giá trị mong muốn. Việc sử dụng H2 như loại khí pha loãng gặp hạn chế về khía cạnh an toàn lao động, vì hydro rất dễ gây cháy nổ trong không khí và dễ gây giòn trong một số trường hợp. Khí thải trong quá
27
trình thấm N thường chứa lượng lớn H2, người vận hành cần phải tuân thủ một số quy định:
- Đảm bảo hệ thống ống dẫn, van khí phải đóng kín và an toàn, không rò rỉ khí để đề phòng có sự kết hợp giữa hydro và oxy ngoài môi trường gây cháy nổ.
- Đảm bảo không để oxy hòa lẫn trong buồng thấm để ngăn ngừa hiện tượng cháy hoặc nổ nguy hiểm.
Toàn bộ hệ thống sau thấm cần phải được làm nguội (thường phải tới dưới 150oC) trước khi mở nắp thiết bị. Khí nitơ (N2) sau đó phải được tiếp tục được sử dụng để làm sạch toàn bộ khí hydro còn sót lại trong buồng thấm trước khi bắt đầu một chu trình thấm chi tiết mới [36].
Hình 2.8: Sự biến đổi của thế thấm nitơ (Kn) với mức độ phân hủy NH3 trong môi trường thấm (NH3 + N2 + 5%CO2) tại 580oC [25]
Với những hạn chế như vậy của khí hydro, biện pháp sử dụng khí nitơ (N2) làm khí pha loãng thay cho hydro đã được đề cập khá nhiều ngay trong những năm đầu thế kỷ 21 này [15,17,21,25,36,40,71,90]. Việc đưa thêm khí N2 pha loãng sẽ làm cân bằng phản ứng phân hủy nhiệt NH3 dịch chuyển theo chiều ngược lại, do đó như một hệ quả tất yếu, mức độ phân hủy NH3 sẽ giảm đi, làm thay đổi thế thấm nitơ của buồng thấm như trên hình 2.8.
Mối quan hệ giữa thế thấm (Kn) và mức độ phân hủy nhiệt của NH3 trên hình 2.8 đã cho thấy rõ ảnh hưởng của thành phần khí pha loãng tại một nhiệt độ xác định. Khi mức độ phân hủy tăng, lượng khí H2 sinh ra nhiều hơn trong khi lượng NH3 dư giảm xuống đã làm cho thế thấm Kn giảm. Trong trường hợp này, việc có mặt của khí CO2 trong buồng thấm
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 Th ế nit ơ (K n ) Mức độ phân hủy NH3 (%)
28
cũng có tác dụng làm chậm quá trình kết hợp giữa các nguyên tử nitơ hoạt tính thành thành phân tử N2, qua đó góp phần cải thiện được hiệu quả truyền chất tốt hơn.