Раскисление металлических расплавов

Под раскислением понимают комплекс операций по снижению содержания кислорода в жидкой стали.

Основными задачами раскисления являются:

– снижение содержания кислорода в жидком железе присадками элементов с большим сродством к кислороду, чем у железа, до уровня, обеспечивающего получение плотного металла;

– создание условий для более полного удаления из жидкой стали продуктов раскисления.

Если первая задача рассматривается с использованием законов химической термодинамики, то вторая решается при помощи аппарата химической кинетики.

Термодинамический подход позволяет выявить связь между содержанием кислорода в жидкой стали и содержанием элемента-раскислителя R, определить степень влияния температуры на характер этой связи, а также рассчитать минимальное содержание кислорода в металлическом расплаве при раскислении его элементом R.

Рассмотрим случай, когда при раскислении металлического расплава каким-либо элементом Rпроисходит образование твердой конденсированной фазы в соответствии с реакцией вида [4]

. (46)

При условии =1 константа равновесия данной реакции примет вид

, (47)

где – активность -го компонента в расплаве.

Для расчета активностей компонентов расплава за стандартное состояние целесообразно принять 1%-ный разбавленный раствор.

Значение константы равновесия K_Rможно определить по изменению свободной энергии реакции (46):

. (48)

Значение , в свою очередь, определяется из анализа реакции образования оксида из чистого компонента R икислорода при атм, а также реакций растворения в металле кислорода и элемента R:

;

;

;

;

. (49)

С учетом уравнения (49) в выражении (48) константу равновесия можно записать как функцию температуры:

,

где А и В – постоянные для данной химической реакции.

Чтобы рассчитать равновесные концентрации кислорода и элемента R, в уравнении (46) активности компонентов выражают через их концентрации и коэффициенты активности:

. (50)

Коэффициенты активности f_R и f_O можно оценить при помощи параметров взаимодействия первого порядка с учетом принятого стандартного состояния:

; (51)

; (52)

Прологарифмировав уравнение (50) и выразив концентрацию кислорода через остальные члены суммы, определим раскислительную способность элемента R по равновесной концентрации кислорода:

. (53)

Чтобы рассчитать минимальную концентрацию кислорода в металлическом расплаве, раскисляемом элементом R, необходимо продифференцировать уравнение (53) по концентрации этого элемента и приравнять к нулю:

. (54)

Приравнивая правую часть уравнения (54) к нулю и решая его относительно R, находим концентрацию раскислителя R, соответствующую минимальному содержанию кислорода в металле; при этом значение коэффициентов активности компонентов находим по соотношениям (51) и (52):

; (55)

. (56)

Подставляя значение [R] из соотношения (56) в уравнение (53), определяем минимальную концентрацию кислорода в металлическом расплаве, раскисляемом элементом R:

. (57)

Задание

Рассчитать равновесную концентрацию кислорода в жидком железе (никеле) при раскислении его элементом R в присутствии хрома при температуре 1600 °С.

Построить и проанализировать зависимости и .

Определить минимальное содержание кислорода в металле. Необходимые данные взять в табл. 18–20 (в железе , в никеле .

Таблица 18

№	R	% (пределы изменения)	Значение
в железе	в никеле
	Mn	0,5–3,5	–0,021			–0,35	0,01		1; 3; 5

При взаимодействий марганца с растворенным в железе кислородом происходит образование твердого оксида в соответствии с реакцией вида

; (58)

при этом и константа равновесия выражается уравнением

. (59)

Константа равновесия данной реакции связана с изменением свободной энергии образования оксида известным соотношением

. (60)

Значение можно определить из анализа реакции образования оксида из чистого и кислорода при атм, при этом будем учитывать реакцию растворения в железе кислорода и марганца:

; (61)

; (62)

. (63)

Комбинируя реакции (61) – (63) (вычитая из первой две оставшиеся), получаем исходную реакцию (58). Соответственно для нее изменение свободной энергии будет иметь значение

= –95 400 + 19,70Т – 1320 + 9,35Т + 28 000+ 0,69Т = –68720 + 29,74Т. (64)

В соответствии с уравнением (60) константа равновесия будет иметь вид

. (65)

Активности компонентов _] и выразим через их концентрации (в %) и коэффициенты активности:

. (66)

Коэффициенты активности рассчитаем с помощью параметров, взаимодействия:

. (67)

В растворах Fe–Mn–O концентрация кислорода мала, поэтому в соотношениях (67) произведениями и можно пренебречь. Кроме того, параметр взаимодействия . Следовательно, , а .

С учетом этого, константа равновесия реакции раскисления марганца будет иметь вид

. (68)

откуда можно выразить равновесную концентрацию кислорода:

. (69)

Значение определим из (21):

при Т=1873 К .

При содержании марганца , соответственно .

Подставляя полученные значения и в формулу (69), определяем равновесную концентрацию кислорода при содержании марганца 0,5%:

.

Активность кислорода будет .

Аналогичным образом рассчитываем содержание кислорода в железе при содержании марганца от 0,4 до 1,2%, результаты расчета приведены в табл. 17.

Таблица 17

%	%
0,5	0,062	0,976	0,061
	0,032	0,953	0,030
1,5	0,022	0,930	0,020
	0,017	0,908	0,015
2,5	0,014	0,886	0,012
	0,012	0,865	0,010

Как видно из представленных данных, по мере увеличения концентрации марганца в железе равновесное содержание кислорода снижается. Уменьшается с ростом содержания марганца и активность кислорода.

Для определения минимальной концентрации кислорода в железе, раскисляемом марганцем, необходимо прологарифмировать соотношение (69),а затем продифференцировать полученное уравнение по концентрации марганца и найти экстремум функции, приравняв ее к нулю. В результате определим концентрацию марганца, соответствующую минимальному содержанию кислорода:

.

Значение определим по соотношению (55),предварительно рассчитав :

.

Зависимость

Зависимость