Simultaneous numerical simulation of gas phase nitriding (NH₃-H₂) and of the nitrogen transfer in α-iron (550°C and 1 atm) (Part I)

Simulation numérique simultanée de la phase gazeuse de nitruration (NH₃-H₂) et du transfert d’azote dans le fer-α (550 °C et 1 atm) (partie I)

¹ Lebanese University, Faculty of Science (Section III), Department of physics, Tripoli, Lebanon
e-mail : mrida@ul.edu.lb
² Lebanese University, Faculty of Science (Section I), IT department, Beirut, Lebanon

Received: 15 December 2009

Abstract

We studied, in steady and in unsteady state, the gas-solid reaction of gas nitriding (NH₃-H₂) of steel, in order to control the atomic nitrogen transfer in α-iron as a function of the inlet flow rates. We obtained the simultaneous simulation of the gas phase variations, and the nitrogen transfer in the sample. The evolution of the nitrogen concentration at the surface and inside of the α-iron, as a function of the time, is presented. The results are in good agreement with the experiment and with previous work. We also established a correlation between the gas composition around the sample and the inlet conditions, in order to obtain an optimal nitrogen transfer at the sample’s surface, and thus control the nitride layer growth.

Résumé

À l’échelle industrielle le traitement thermochimique est fondé sur des procédures empiriques qui freinent son développement, à cause du couplage des équations de transfert et de la complexité de la géométrie. Notre travail est la base essentielle à l’entrée au domaine industrielle. Nous avons simultanément simulé, en utilisant la méthode des volumes finis, les variations dans la phase gazeuse (concentrations, vitesse, température,…) et le transfert d’azote atomique dans l’échantillon à la pression atmosphérique et autour de 550 °C.

La décomposition d’ammoniac à la surface de l’échantillon et à la paroi du réacteur dépend des paramètres de nitruration : les débits du gaz à l’entrée, la température et la pression. Pour une température et une pression données, les couches de nitrures peuvent être contrôlées par l’ajustement des débits à l’entrée. En effet, le potentiel d’azote (p_NH3 / p_H2) dans la nitruration gazeuse est généralement très supérieur à la capacité de consommation par les matériaux nitrurés. Alors le contrôle de la croissance des couches de nitrure dans le système Fe-N exigent la connexion entre le débit à l’entrée et la concentration d’azote atomique à la surface de l’échantillon. Au début, Nous avons mis l’accon, par des mesures thermogravimétriques, sur la nécessité du contrôle des débits à l’entrée afin de sélectionner les couches de nitrures. Ces expériences et les travaux précédents adéquats à des conditions données nous ont poussées vers la simulation numérique totale du procédé en régime transitoire. Pour un potentiel d’azote fixe à 0,176 notre model, validé par l’expérience, a confirmé l’obtention de la phase α seule dans l’échantillon. Nous avons obtenu aussi l’évolution du pourcentage massique d’azote atomique à la surface de l’échantillon en fonction du temps. Notre modèle et l’expérience ont confirmé que ce pourcentage a atteint l’équilibre après 160 mn de traitement. Les profils des pourcentages massiques d’azote atomique en fonction du rayon de l’échantillon à différents instants ont été aussi présentés. Le modèle a confirmé les profils classiques de la diffusion dans les solides. En utilisant ces résultats, nous avons obtenu la masse d’azote gagnée par l’échantillon, cette valeur a été validée par la thermobablance. Finalement dans un modèle stationnaire, nous avons présenté les taux de dissociation d’ammoniac en fonction du débit total à l’entrée et le pourcentage d’ammoniac à l’entrée ainsi que la fraction massique d’ammoniac autour de l’échantillon.