Определим оптимальную концентрацию алюминия. Воспользуемся уравнением (6.27) и параметрами взаимо
действия
[А1]опт = ----------------- — -----------= 0,254 % . 2,3-3(-1,17 + у-0,043)
Подставим эту величину в уравнение (6.26, а) и рассчитаем минимальную концентрацию кислорода
lg[0]min = -4,490 - 0,667 lg0,254 +1,143 • 0,254 = -3,803 ,
[0]mjn =1,57-10-4 % .
Рассчитаем по уравнению (6.26, а) концентрации кислорода при
заданных концентрациях алюминия 0,01 %, |
0,050 % |
и: 1,0 °А |
||
Результаты расчетов представлены в нижней части таблицы. |
||||
[А1], % |
lg[Al] |
lg [О] |
[О] |
|
5,45-10- 6 |
-5,263 |
-0,640 |
0,229 |
|
9,97-1О- 6 |
-5,002 |
- 1 , 0 0 |
0 , 1 0 0 |
|
1,94-10 -4, |
-3,712 |
- 2 , 0 0 |
0 , 0 1 0 |
|
0 , 0 1 0 |
- 2 , 0 0 |
-3,145 |
7,2-Ю - 4 |
|
0,254 |
-0,595 |
-3,803 |
1,57-10" 4 |
|
0,50 |
-0,301, |
-3,718 |
1,91 |
Ю- 4 |
1 , 0 |
- 0 ,0 |
-2,680 |
2,0 9 -10"3 |
|
По результатам расчетов построена кривая изотермы кислорода с алюминием в логарифмических координатах (рис. 6.3). Кривая
имеет минимум |
lg[0]min = -3,803 |
([0 ]min = 1,57-10- 4 |
% ) при |
Ig[Al]orrr = —0,595 |
([А 1]опт = 0,254% ). |
Заметим, что |
алюминий |
является сильным раскислителем: при низких концентрациях алю миния на уровне 0 , 0 1 % равновесная концентрация кислорода становится ниже 0 , 0 0 1 %.
tg[o]
Рис. 6.3. Рассчитанная изотерма кислорода в системе Fe-Al-О при 1600 °С
Расчет концентраций кислорода при концентрациях алюминия выше оптимальной становится приближенным, т.к. в расчетных уравнениях использованы параметры взаимодействия только пер вого порядка. Поэтому кривая после минимума показана пункти ром.
Задачи для самостоятельного решения
Задача 9.
Рассчитать активность и концентрацию кислорода в жидком желе зе в равновесии с оксидом железа, параметр самовзаимодействия и коэффициент активности кислорода. Рассчитать парциальное давление кислорода в газовой фазе, равновесное с насыщенным раствором кислорода в жидком железе по разным вариантам при
заданной |
температуре, |
К: 1 - |
1830; 2 - 1840; 3 - 1850; 4 - 1860; |
5 - 1880; |
6 -1 8 9 0 ; 7 - |
1900; 8 - |
1910; 9 - 1920; 1 0 - 1930. |
Задача 10.
Рассчитать термодинамические пределы окисления углерода, марганца и кремния под окисленным шлаком заданного сос тава, % (масс.) при температуре 1600 °С.
|
FeO |
MnO |
CaO |
MgO |
SiC>2 |
1 |
........... 25,0 |
5,0 |
35,0 |
1 0 , 0 |
25,0 |
2 |
............30,0 |
4,0 |
31,0 |
15,0 |
2 0 , 0 |
3 |
...........20,0 |
2,0 |
42,0 |
13,0 |
23,0 |
4 ........................ |
18,0 |
5,0 |
37,0 |
1 2 , 0 |
28,0 |
Примечание. Для расчета активности компонентов шлака мож но использовать уравнения модели регулярного ионного раствора.
Задача 11.
Рассчитать и построить в координатах lg [О] - lg [Л] изотермы кис лорода с раскислителями в жидком железе при заданной темпе ратуре, К. Определить минимальные концентрации кислорода при оптимальных концентрациях раскислителей. Сравнить раскислительные способности элементов-раскислителей:
I - |
Al, Si (1850); |
2 |
- |
Si, Mn (1850); 3 |
- Мл, С (1870); |
4 - Si, Cr (1820); |
5 |
- |
Si, В (1850); 6 - |
Al, C (1870); 7 - Si, C (1820); |
|
8 - |
Cr, C (1850); 9 - |
С, В (1850); 10 - |
Si, La (1870); |
||
II |
- Mn, Ti (1850); 12 - Cr, Ce (1870); 13 - Al, Ce (1850); |
||||
14 |
- A l, Ti (1850). |
|
|
|
|
Гл а в а 7. ЭЛЕКТРО Х И М И ЧЕСКИ Е И ЗМ ЕРЕН И Я
ИРАСЧЁТЫ М ЕТАЛ Л У РГИ Ч ЕСКИ Х СИ СТЕМ И П РО Ц ЕССО В
7.1.Физико-химические основы электрохимических измерении в стали
Химическая активность растворенного кислорода представляет со бой важнейшую количественную характеристику для контроля сталеплавильных процессов. Реакция растворения кислорода в жидком железе из газовой фазы
1 / 2 0 2(г)= [0 ]£e); AG?0 ] = - 137 118+ 7,797’ |
(7.1) |
устанавливает зависимость между активностью растворенного ки слорода <2 [о] и равновесным парциальным давлением кислорода p 0i в газовой фазе:
l g % ,] = |
lg (a [o]/Jp ^ ) = -AGfO]/(2,302i?7) = 7162 /r-0 ,4 0 7 , |
(7.2) |
отсюда |
lg <аг[0] = 7162I T - 0,407 + l/2-lg/?0 з ; |
|
|
lg р о 2 = - 1 4 324/7+ 0,814 + 2-lg ат . |
|
Максимальная активность кислорода в жидком железе при температуре 1873 К равна 0,21. Этой величине соответствует
PQ2 = 0,64-10”3 Па. В практике окислительного рафинирования при
производстве низкоуглеродистой стали активность кислорода может повышаться до уровня = 0 ,1 0 , что соответствует парциальному давлению кислорода Ро2= 0,17-10-3 Па. В глубоко
раскисленной стали перед разливкой активность кислорода может быть понижена до уровня ci\0\ = 0 ,0 0 0 1 , что соответствует
р 0 ^ = 0,17-10"9 Па. Таким образом, в процессах окислительного
рафинирования и раскисления стали активность кислорода может изменяться на три порядка. Это соответствует изменению парциального давления кислорода на шесть порядков.
В последние годы достигнут значительный прогресс в контроле активности растворенного кислорода в стали электрохимическим методом. Использование электрохимических датчиков с твердым электролитом позволяет быстро определять активность кислорода в стали в различные технологические периоды при производстве стали в печах, при выпуске, во время ковшового рафинирования и при разливке. Начало широкому применению метода электрохими ческих измерений в исследовании металлургических процессов было положено работами К. Къюккола, К. Вагнера и X. Шмальцрида. Большой вклад в развитие этого метода с использованием датчиков в исследованиях и практике металлургического произ водства внесли работы русских ученых-металлургов. В качестве твердых электролитов были использованы твердые растворы окси дов, такие как Z r0 2 с добавками СаО или MgO; T h0 2 с добавками Y20 3; А Ь О з с добавками Z r0 2 и ТЮ2, имеющие высокую проводи мость кислородных ионов при высоких температурах. В качестве электродов сравнения использованы твердые смеси металл-оксид металла, например Сг + Сг20з, Мо + М о02; графит, кислород или воздух, обтекающий платиновый контакт. ЭДС электрохимическо го элемента равна
(7.3)
где F = 96 487 Кл/моль - число Фарадея; ц0 2 = Цо2 Я П п p 0i - хи
мический потенциал кислорода; p 0i (с), p 0i (лс) - равновесные
парциальные давления кислорода в электроде сравнения и иссле дуемом металле; tu - число переноса ионов в твердом электролите, или доля ионной проводимости твердого электролита.
В случае чисто ионной проводимости в твердом электролите (/„ = 1 ) уравнение (7.3) переходит в известное уравнение Нернста:
(7.4)