РАСТВОРЕНИЕ КИСЛОРОДА


 

Кислород находится в жидкой стали в виде раствора и в виде оксидных не­металлических включений. При тем­пературе плавления в чистом жидком железе растворяется -0,17% кислоро­да. При повышении температуры ра­створимость кислорода в жидком же­лезе возрастает (рис. 12.7). Растворе­ние кислорода газовой фазы в жидком железе может быть описано схемой 0,5О→ [О], = [0], K=[0] pO2. Кон­станта К характеризует содержание кислорода, растворенного в металле, равновесное с О2 газовой фазы; она может быть выражена формулой

lg K=lg[0]/pO21/2 =-6100/T + 0,1245.

 

Рис. 12.7.Растворимость кислорода в жид­ком железе при равновесии с чистым желе­зистым шлаком

 

При содержании кислорода, пре­вышающем предел его растворимости в жидком железе при данной темпера­туре, кислород взаимодействует с же­лезом по реакции Fe + [О] = (FeO), образуя обособленную фазу — вюстит. Содержание кислорода, раство­ренного в жидком железе, равновес­ное с вюститом, может быть описано уравнением

 

lg[O]Fe0 = -6320/T+ 2,734,

где [O](Fe0) —содержание кислорода в жид­ком железе, равновесное с вюститом, маc. %; T—температура.

Расчеты по этим уравнениям пока­зывают, что даже при очень низких парциальных давлениях кислорода в газовой фазе, соприкасающейся с жидким железом, происходит окисле­ние последнего с образованием вюсти-та. Экспериментальное исследование взаимодействия кислорода с расплав­ленным железом затруднительно, по­скольку равновесное давление газа очень низкое (10 -9 — 10 -10 МПа) и из­мерить его практически затруднитель­но'.

Растворимость кислорода в -Fe существенно ниже, чем в жидком железе. В интервале 1400—1500 °С lg[0]S-Fe = -17900/T+7,20. В -Fe растворимость кислорода выше, чем в -Fe, что объясняется перестройкой его кристаллической решетки из ОЦК в ГЦК. В -Fe, так же как и в -Fe, ра­створимость кислорода очень низка (рис. 12.8). При комнатной температу­ре растворимость кислорода в железе снижается до следов (< 10 -4 %). Урав­нение процесса 0,5О2→ [О] условно, так как практически во всех суще­ствующих сталеплавильных агрегатах давление кислорода всегда выше равновесного с жидким железом и идет реакция Fеж + 0,5О2 = (FeO). На двойных диаграммах Fe—О левый (железный) угол соответствует -фазе,

 

1 Обычно процесс растворения кислорода описывают в виде перехода 0,5О2(Г) -> [О].

Рис. 12.8.Растворимость кислорода в железе

называемой вюститом (имеет прибли­зительный состав FeO). Фаза незна­чительно растворяет железо и в гораз­до большей степени растворяет -фазу, которая соответствует составу Fe3O4 и называется магнетитом.

Таким образом, величина [О], ха­рактеризующая растворенный в ме­талле кислород, является относитель­ной. В металлургической технике рас­пространение получил метод опреде­ления активностей растворенных в железе элементов, основанный на за­мерах э. д. с. цепи, на одном конце ко­торой находится металл, активность компонента в котором известна (так называемый электрод сравнения), на другом — исследуемый образец. Этот метод в настоящее время широко ис­пользуется для определения активнос­ти кислорода, растворенного в ме­талле. Замеряемое этим методом зна­чение э. д. с. элемента Е пропор­ционально отношению активностей кислорода в электроде сравнения a[O]c и в исследуемом расплаве а[О]. В соответствии с уравнением Нернста

E=-(RT/nF)ln(a[0]c/a[0]),

где n — число переноса заряда потенциалопределяющего процесса; F— число Фарадея.

В настоящее время метод определе­ния активности кислорода в металле a[О] широко используют на практике для контроля процесса плавки. С по­мощью выражения a[о] =f [О][О] ПРИ известном коэффициенте активности f[O] можно определить концентрацию кислорода, растворенного в металле (эту величину часто обозначают [О]раст). Полный количественный ана­лиз на кислород (например, методом вакуум-плавления) обеспечивает оп­ределение общего содержания кисло­рода в металле [О]общ. Разность [0]общ - [О]раст = [О]св характеризует количество кислорода, связанного в оксидные включения. Достоверность результатов разделения [О]общ на [0]раст и [О]св зависит от точности оп­ределения коэффициента активности f [0] При этом следует учитывать, что системы часто состоят не только из железа и кислорода. Как правило, в жидком металле растворены и другие элементы, которые имеют большее, чем железо, химическое сродство к кислороду. В итоге системы Fe-O-R (R — элемент, растворенный в жидком железе) характеризуются отрицатель­ными отклонениями от идеальности.

В сталеплавильных агрегатах на со­держание и активность кислорода по ходу плавки очень большое (как пра­вило, решающее) влияние оказывает углерод (рис. 12.9). Образующиеся в процессе взаимодействия углерода и кислорода пузыри СО выделяются из сталеплавильной ванны, создавая эф­фект кипения ванны. При содержании углерода <0,10% процесс кипения' ванны замедляется и углерод уже не определяет и не регулирует окислен-ность металла. Начинается проявление преобладающего влияния других фак­торов на уровень окисленности металла, и

 

Рис. 12.9.Влияние углерода на окисленность металла в сталеплавильной ванне при ее ки­пении:

/— кривая равновесных концентраций [С] и [О]; //— область концентраций [С] и [О], фактически наблюда­емых в кипящей сталеплавильной ванне

 

прежде всего активности оксидов железа в шлаке. При отсутствии кипе­ния обычно соблюдается соотношение a(FeO)/a[O]= const: чем выше активность оксидов железа в шлаке, тем выше окисленность металла. В тех случаях, когда в ванну вводят добавки, содер­жащие элементы, обладающие боль­шим химическим сродством к кисло­роду, чем железо (например, кремний, алюминий, марганец), окисленность металла определяется уже уровнем ак­тивности этих элементов-раскислите-лей. Некоторые примеси (такие, как никель, молибден, медь), имеющие меньшее химическое сродство к кис­лороду, чем железо, повышают актив­ность кислорода в стали. При введе­нии в металл элементов-раскисли-телей в нем образуются оксидные неметаллические включения. После кристаллизации в твердой стали прак­тически весь кислород находится не в растворе, а в виде оксидных неметал­лических включений, образовавших­ся: 1) при введении раскислителей (и взаимодействии их с кислородом, ра­створенным в металле); 2) во время вы­пуска и разливки в результате повтор­ного окисления (кислородом воздуха); 3) из шлака, огнеупорной кладки; 4) по ходу плавки как результат поступле­ния в металл вместе с добавками; 5) при затвердевании стали (в результате вза­имодействия включений различного происхождения).

 

ИСТОЧНИКИ ГАЗОВ,



Дата добавления: 2016-06-22; просмотров: 1835;


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2024 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей.
Генерация страницы за: 0.009 сек.