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)

Пример. Рассчитать равновесную концентрацию кислорода в жидком железе при раскислении его марганцем ([Mn,%]=0,3...1,2) при температуре 1600 ⁰C. Определить минимальное содержание кислорода в железе при раскислении его марганцем.

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=1673 К .

При содержании марганца , соответственно .

Подставляя полученные значения и в формулу (69), определяем равновесную концентрацию кислорода при содержании марганца 0,3%:

.

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

%	%
0,3	0,103	0,986	0,101
0,4	0,077	0,981	0,076
0,5	0,062	0,976	0,061
0,6	0,052	0,971	0,051
0,7	0,045	0,967	0,043
0,8	0,039	0,962	0,038
0,9	0,035	0,957	0,034
1,0	0,032	0,952	0,030
1,1	0,029	0,948	0,028
1,2	0,027	0,943	0,025

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 :

.

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
	Si	0,4–2,2	–0,13	0,14	–0,0003	–0,39	0,23	0,011	1; 3; 5
	Al	0,05–0,5	–0,96	0,045	0,024	–1,98	0,08	0,09	3; 6; 9
	Zr	0,05–1,0	–0,44	0,015	0,018	–0,85	0,07	0,06	2; 4; 6
	V	0,1–3,0	–0,17	0,015	0,006	–0,16	0,03	0,01	1; 3; 5
	Ti	0,3–1,2	–0,37	0,056	0,018	–0,37	0,11	0,06	3; 6; 9
	Mn	0,5–3,5	–0,021			–0,35	0,01		1; 3; 5

Таблица 19

Изменение для 1%–ного разбавленного раствора

Элемент	В железе	В никеле
Si	–31 500 –4,14 T	–48 200+0,43 T
Al	–15 000 –5,7 T	–36 600 –4,5 T
Zr	–19 200 –7,5 T	–44 300 –10,20 T
V	–10 100 –6,98 T	–20 600 –9,68 T
Ti	–16 600 –6,52 T	–29 700 –9,14 T
Mn	1 320 –9,35 T	–9,13 T
	–28 000 –0,69 T	–13 365 –2,1 T

Контрольные вопросы

1. Понятие раскисления металлических расплавов.

2. Способы раскисления жидкого металла.

3. Факторы, влияющие на раскислительную способность элементов.

4. Зависимость предельного окисления элементов от температуры.

5. Расчет минимальной концентрации кислорода в жидком металле.

Таблица 20

Изменение реакций образования оксидов в стандартных условиях

Реакция
	–215 567+40,83 T
	–400 360+74,66 T
	–92 000+17,61 T
	–357 100+60 T
	–258 395+42,93 T
	–294 050+57,23 T

Дата добавления: 2015-07-02