Г л а в а 6. КИ С Л О РО Д В Ж И ДК О М Ж ЕЛ ЕЗЕ И СТАЛИ . ТЕРМ О ДИ Н АМ И Ч ЕСКИ Е П РЕДЕЛ Ы О КИ С Л И ТЕЛ ЬН О ГО РА Ф И Н И РО ВА Н И Я

ИРА СКИ СЛЕН И Я СТАЛИ

6.1.Растворимость кислорода в жидком железе

Кислород имеет ограниченную растворимость в жидком железе, которую часто описывают уравнением, полученным Д. Чипманом и Л. Тэйлором по экспериментальным результатам с использованием методики вращающегося тигля:

lg[0]max= -6320/Т+2,734.

(6.1)

По этому уравнению при температуре 1600 °С (1873 К) раство­ римость кислорода в жидком железе равна [О]мах=0,229 % (масс.). Отметим, что с ростом температуры растворимость кислорода увеличивается.

Растворимость кислорода в жидком железе определяется кривой АА! на диаграмме состояния системы Fe-О (рис. 6.1). Слева от этой кривой находится однофазная область растворов кислорода в жидком железе. На диаграмме состояния имеется область (купол) расслаивания двух жидких фаз: насыщенного раствора кислорода в жидком железе и раствора оксидов железа. Диаграмма позволяет определить составы и относительные количества этих фаз при заданных температуре и общем количестве кислорода в системе Fe-O.

6.2.Термодинамика межфазного распределения кислорода и других компонентов

Всталеплавильных агрегатах для окисления растворенных в жидком металле компонентов (С, Si, Mn, Р и др.) используют газообразный кислород или железную руду. Кислород распреде-

Рис. 6.1. Диаграмма состояния системы Fe-O

ляется между тремя фазами: газовой, шлаком и металлом. В процессе окислительного рафинирования расплава понижаются концентрации окисляемых компонентов, но возрастают концент­ рация и активность растворенного кислорода. При глубоком окис­ лительном рафинировании стали концентрация кислорода прибли­ жается к величине растворимости. Во время раскисления стали решается задача уменьшения концентрации растворенного кисло­ рода до очень низкого уровня. Кислород удаляют из металла в шлаковую или газовую фазы. Возможность и полнота перехода кислорода из одной фазы в другую определяются закономер­ ностями межфазного распределения кислорода.

Переход кислорода из газовой фазы в жидкое железо можно представить реакциями:

02(r>+2Fe(*)-2[Fe0]		(6.2)
или
^ 0 2(r)=[0] i%;	AG3° = -1 1 7 150 - 2,887Г.	(6.3)

Эти реакции показывают распределение кислорода между газо­ вой фазой и жидким металлом. Константа равновесия реакции (6.3) равна

_дс?
К з = —^у2 =е RT	^ххюък =2618.	(6.4)
Ро2

С увеличением парциального давления кислорода в газовой фазе активность и концентрация кислорода в жидком металле будет повышаться до тех пор, пока образующийся FeO станет выделяться в самостоятельную фазу по реакции окисления железа

газообразным кислородом:
-Х 0 2(r)+Few =FeOw ;	AG5° = - 239 286 + 49,54Г.	(6.5)

Эта реакция показывает равновесие трех фаз: газовой, жидкого железа и жидкого оксида железа или раствора оксидов. В общем случае при образовании металлического и оксидного растворов константа равновесия включает активности компонентов в конден­ сированных фазах и парциальное давление кислорода в газовой фазе. Константа равновесия этой реакции равна

AG"

*5 = — 'Tn = e~ RT

*5,1873* =1,25 7 1 04

(6.6)

«Fe Р о г

Если железо и его оксид - чистые самостоятельные фазы (аре=7, <3(FeO)= l )> то константа равнЬвесия и упругость диссоциации

оксида связаны уравнением К 5 = /?о](РеО) • При температуре 1600°С (1873 К) упругость диссоциации

оксида железа равна

По реакции (6.3) с ростом парциального давления кислорода в

газовой фазе (от нуля до Po2(FeO) = 0,64 -108 при температуре

1600 °С) равновесная концентрация кислорода в жидком железе повышается от нуля до величины растворимости ([О]тах=0,229 %), при которой образуется оксид железа, выделяющийся в самостоятельную фазу по реакции (6.5).

Алгебраическое суммирование реакций (6.3) и (6.5) позволяет получить реакцию распределения кислорода между жидким

железом и оксидной фазой:
Ре(ж)+[0],о/о =FeO (>K),
о	о	о		(6‘8)
AGg = -A G 3° + AG 5° = -122680 + 52,43Г
Константа равновесия этой реакции равна
		AG°
Kg = —	= е	RT	^8,1873АГ =4,816.	(6.9)
°Fe	• a [Q]

Если железо и его оксид - чистые самостоятельные фазы (aFe= 1, <7(Feo>= l), то из константы равновесия можно получить максимальную активность кислорода в жидком железе в точке растворимости:

a[O L„=^-’ a[0]m»x>I873K = 4^Тб = 0,208

(6Л0)

Сравним растворимость и активность кислорода в жидком железе при температуре 1873 К: [О]тах=0,229 %; ^ 0] = 0,208, отсюда коэффициент активности кислорода равен:

— = 0,908 <1.

пах

Растворы кислорода в жидком железе имеют небольшие от­ рицательные отклонения от закона Генри: /о<1. Коэффициент