Взаимодействие чугуна с кислородом

Растворение кислорода в жидком железе происходит через ряд промежуточных реакций: сначала окисляется железо ½ O₂ + [Fe] = (FeO), затем последний растворяется в железе по реакции (FeO) = [Fe] + [O]. Поэтому растворимость кислорода в жидком железе определяется равновесием суммарной реакции: ½ O₂ = [O].

Однако, жидком чугуне равновесное содержание кислорода в зависимости от температуры контролируется кремнием или углеродом, которые в данном случае проявляют себя как раскислители:

[Si] + 2 [O] = SiO₂ (3.7.12)

[C] + [O] = {CO} (3.7.13)

Из условия равновесия реакции (3.12) следует:

lg [%O] = ½ (- lg – lg - lg [%Si] – 2 lg , (3.7.14)

где [%O] – массовая доля азота, %;

- константа равновесия реакции (3.7.12): lg = 31180/T – 12,08 [3];

и- коэффициенты активности кремния и кислорода в чугуне соответственно, численные значения которых определяются выражениями:

lg = +[% j ]²; (3.7.15)

lg=[% j ] . (3.7.16)

где и - параметры взаимодействия кремния с компонентами чугуна «j» (C, Si, Mn, S, P и легирующими элементами) первого и второго порядка соответственно;

- параметры взаимодействия кислорода с компонентами чугуна «j» первого порядка. Из условия равновесия реакции (3.7.13) следует:

lg [%O] = - lg K_CO – lg - lg [% C] – lg + lg P_CO, (3.7.17)

где K_CO - константа равновесия реакции (3.7.13): lg K_CO = 1168/T – 7,07 [3];

- коэффициент активности углерода в чугуне:

lg = [% j ] + [% j ]²; (3.7.18)

, и - параметры взаимодействия углерода с компонентами чугуна j первого и второго порядка соответственно;

P_CO – парциальное давление монооксида углерода, Па.

Значения параметров взаимодействия кремния, углерода и кислорода с компонентами чугуна приведены в табл. 3.7.4.

Таблица 3.7.4. Параметры взаимодействия кремния, углерода и кислорода с компонентами чугуна [3].

j	C	Si	P	S	Cu	Ni	Co	Mo	Mn	Cr	V
100				5,6	1,4	0,5	-	-	0,2	- 0,03	2,5
100			5,1	4,6	1.6	1,2	0,76	- 0,83	- 1,2	-2,4	- 7,7
100	- 45	- 13,1		- 13,3	- 1,3	0,6	0,8	0,35	- 2,1	- 4	- 30

Для параметров взаимодействия второго порядка имеются ограниченные данные [3]: = 6,5/T – 0,0055; = 8,94/T + 0,0026; = 1,94/T – 0,0003.

Согласно оценкам, выполненным по уравнениям (3.7.14) и (3.7.17), при температурах ниже 1350-1400 ⁰С растворимость кислорода в жидком чугуне контролируется реакцией (3.7.12), а при более высоких температурах – реакцией (3.7.13). При этом равновесное содержание кислорода не превышает %. Фактически жидкий чугун в ковше, а еще больше в литейной форме (из-за вторичного окисления) сильно пересыщен растворенным кислородом (Рис. 3.7.6), поскольку равновесие реакций (3.7.12) и (3.7.13) не успевает установиться по кинетическим условиям. Оценки по измеренным значениям активности кислорода показывают, что количество растворенного кислорода в расплаве чугуна не превышает 0,0005 – 0,0010 %, что составляет лишь десятую часть общего содержании кислорода в чугуне (0,006 – 0,010 %). Это означает, что основная доля кислорода присутствует в жидком чугуне в химически связанном состоянии в виде включений из оксидов кремния, алюминия, магния или РЗМ. При этом, по мере остывания чугуна из-за снижения температуры на этапах выпуска из печи, ковшевой обработки расплава и разливки количество растворенного кислорода быстро убывает. Одновременно увеличивается эквивалентное количество химически связанного кислорода. Он выделяется в жидком и затвердевающим чугуне в виде дисперсных и активных неметаллических частиц, которые играют важную роль в процессе формирования структуры чугунных отливок [2].

Температура, ºС

Рис. 3.7.6. Активность кислорода в жидком чугуне:

1- в литейной форме; 2- в ковше; 3 и 4- расчет по реакциям (3.7.10) и (3.7.11) соответственно

Дата добавления: 2014-01-07