Растворимость кислорода в железе.

Экспериментально установленная зависимость между содержанием растворенного в железе кислорода и величиной парциального давления кислорода в газовой фазе над металлом показана на рисунке 12.1.

Растворимость кислорода в железе. - student2.ru

Рисунок 12.1 – Зависимость растворимости кислорода в железе от величины парциального давления кислорода в газовой фазе над металлом

Анализ рисунка 12.1 позволяет выделить две характерные области, в пределах которых характер зависимости между содержанием растворенного в железе кислорода и парциальным давлением его над металлом существенно различается.

В области малых парциальных давлений кислорода концентрация его в железе пропорциональна квадратному корню из парциального давления кислорода в газовой фазе. По мере увеличения парциального давления кислорода над металлом содержание его в железе достигает некоторого максимального для данной температуры значения и в дальнейшем сохраняется на неизменном уровне. Такой характер зависимости обусловлен тем, что в момент, когда парциальное давление кислорода над расплавом становится равным упругости диссоциации FeO, на поверхности жидкого железа образуется оксидная пленка. Поэтому в дальнейшем концентрация растворенного в железе кислорода определяется протеканием реакции

Растворимость кислорода в железе. - student2.ru

и не зависит от величины парциального давления кислорода в газовой фазе над металлом.

Чтобы различать растворимость кислорода в железе в двухфазной

области и концентрацию его металле в равновесии с оксидом, последнюю обычно называют пределом растворимости.

Рассмотрим особенности термодинамики реакций растворения кислорода в железе в каждой из названных областей. В области малых парциальных давлений кислорода концентрация газа в железе линейно увеличивается с ростом квадратного корня из парциального давления кислорода в газовой фазе. Эта зависимость, которую принято называть законом Сивертса, выполняется в тех случаях, когда молекулы двухатомных газов в процессе растворения диссоциируют на отдельные атомы. Следовательно, растворение газообразного кислорода в жидком железе может быть описано уравнением реакции

Растворимость кислорода в железе. - student2.ru

константа равновесия которой определятся из выражения

Растворимость кислорода в железе. - student2.ru

Для случая, когда коэффициент активности растворенного в железе кислорода равен единице, из уравнения (12.3) зависимость между содержанием кислорода в металле и парциальным давлением его в газовой фазе над расплавом может быть получена в виде

Растворимость кислорода в железе. - student2.ru

В области повышенных концентраций кислорода в железе наблюдается некоторое отклонение экспериментальных зависимостей от прямых, отражающих закон Сивертса. Это свидетельствует о том, что по мере увеличения концентрации растворенного в металле кислорода коэффициент активности его уменьшается. Количественно эта зависимость может быть описана при помощи уравнения

Растворимость кислорода в железе. - student2.ru

Согласно результатам термодинамических исследований стандартное значение изменения энергии Гиббса реакции (12.2) может быть получено из уравнения

Растворимость кислорода в железе. - student2.ru

Из уравнения (12.6) формула для расчета константы равновесия реакции (12.2) может быть получена в виде

Растворимость кислорода в железе. - student2.ru

Анализируя уравнение (12.6), следует обратить внимание на то, что растворение газообразного кислорода в жидком железе является сильной экзотермической реакцией. Следовательно, согласно уравнению изобары Вант Гоффа, с ростом температуры растворимость кислорода в железе при прочих равных условиях будет уменьшаться.

При высоких парциальных давлениях кислорода в газовой фазе на поверхности жидкого железа появляется оксидная пленка. В этих условиях концентрация кислорода в металле определяется протеканием реакции (12.1) и зависит только от температуры. Константа равновесия реакции (12.1) может быть записана в виде

Растворимость кислорода в железе. - student2.ru

Если значения коэффициентов активности растворенного в железе кислорода и оксида железа в шлаке близки к единице, выражение (12.8) может быть приведено к виду

Растворимость кислорода в железе. - student2.ru

где [O]max – концентрация кислорода в металле в равновесии со шлаком из чистого FeO, %.

Результаты экспериментальных исследований влияния температуры на содержание кислорода в железе в равновесии со шлаком из чистого FeO показаны на рисунке

12.2. Анализируя эти данные, следует обратить внимание на то, что с ростом температуры предел растворимости кислорода в металле быстро увеличивается. Это свидетельствует о том, что растворение кислорода в металле из оксида железа в шлаке является сильной эндотермической реакцией.

Обработка приведенных на рисунке 12.2 результатов экспериментального исследования показывает, что они могут быть описаны зависимостью

Растворимость кислорода в железе. - student2.ru

Из уравнения (12.10) выражение для определения стандартного значения изменения энергии Гиббса при протекании реакции (12.1) может быть получено в виде

Растворимость кислорода в железе. - student2.ru

Если в качестве коэффициента распределения кислорода между металлом и шлаком принять отношение активности FeO в шлаке к концентрации раство-ренного в металле кислорода, для определения его численного значения мо-жет быть использована зависимость

Растворимость кислорода в железе. - student2.ru

Рисунок 12.2 – Влияние температуры на растворимость кислорода в железе под шлаком из чистого FeO

Растворимость кислорода в железе. - student2.ru

Расчеты по уравнению (12.12) показывают, что при температурах заключительного периода плавки значения коэффициента распределения кислорода между шлаком и металлом изменяются в пределах 4 – 5.

Наши рекомендации