Теоретические основы металлургического производства
  1.5 Растворимость кислорода в железе

Экспериментальное исследование взаимодействия кислорода с расплавленным железом затруднено тем, что в условиях опыта равновесное парциальное давление кислорода является очень малой величиной, которая трудно поддается измерению и регулированию. Согласно имеющимся термодинамическим данным для реакции

стандартное значение изменения энергии Гиббса можно определить из уравнения

Расчеты по уравнению (1.12) свидетельствуют о том, что при 1873К величина равновесного парциального давления кислорода для реакции (1.11) составляет около 10-9 МПа (10-8 атм.).

В связи с этим при проведении экспериментальных исследований вместо чистого кислорода обычно применяют газовые смеси типа CO – CO2 или H2 – H2O, термодинамические характеристики которых в настоящее время хорошо изучены. Например, для реакции

стандартное значение изменения энергии Гиббса можно рассчитать из уравнения

При помощи уравнения (1.14) для любой заданной температуры можно определить константу равновесия реакции (1.13) из уравнения

Из уравнения (1.15) видно, что, изменяя соотношение между парциальными давлениями водорода и пара воды в газовой смеси, величину равновесного парциального давления кислорода можно достаточно точно регулировать в необходимых пределах.

Экспериментально установленная зависимость между содержанием растворенного в железе кислорода и величиной парциального давления кислорода в газовой фазе над металлом показана на рисунке 1.3.

Зависимость растворимости кислорода в железе от величины парциального давления его в газовой фазе над металлом

Анализ рисунка 1.3 позволяет выделить две характерные области, в пределах которых характер зависимости между содержанием растворенного в железе кислорода и парциальным давлением его над металлом существенно различается.

В области малых парциальных давлений концентрация кислорода в железе увеличивается пропорционально квадратному корню из величины парциального давления кислорода в газовой фазе. По мере увеличения давления кислорода над металлом содержание его в железе достигает некоторого максимального для данной температуры значения и в дальнейшем сохраняется на неизменном уровне.

Рисунок 1.3 – Зависимость растворимости кислорода в железе от величины парциального давления его в газовой фазе над металлом

Такой характер зависимости объясняется тем, что в момент, когда парциальное давление кислорода над расплавом становится равным равновесному для реакции (1.11), на поверхности жидкого железа образуется оксидная пленка. Поэтому в дальнейшем концентрация растворенного в железе кислорода определяется протеканием реакции

(FeO) = Fe + [O] - (1.16)

и не зависит от величины парциального давления кислорода в газовой фазе над металлом.

Чтобы различать растворимость кислорода в железе в двухфазной области и концентрацию его металле в равновесии с оксидом, последнюю обычно называют пределом растворимости.

Рассмотрим особенности термодинамики реакций растворения кислорода в железе в каждой из названных областей. При малых парциальных давлениях кислорода концентрация его в железе пропорциональна квадратному корню из величины парциального давления кислорода в газовой фазе. Эта зависимость, которую принято называть законом Сивертса, выполняется в тех случаях, когда молекулы двухатомных газов в процессе растворения диссоциируют на отдельные атомы. Следовательно, растворение газообразного кислорода в жидком железе может быть описано уравнением реакции

константа равновесия которой определятся из уравнения

Если коэффициент активности растворенного в железе кислорода равен единице, из уравнения (1.18) зависимость между содержанием растворенного в металле кислорода и величиной парциального давления его в газовой фазе над расплавом может быть получена в виде

При увеличении содержания кислорода в железе наблюдается некоторое отклонение экспериментальных зависимостей от прямых, отображающих закон Сивертса. Это свидетельствует о том, что по мере увеличения концентрации растворенного в металле кислорода коэффициент активности его уменьшается. Количественно эту зависимость можно описать уравнением

Результаты экспериментальных исследований показывают, что стандартное значение изменения энергии Гиббса реакции (1.17) может быть получено из уравнения

Из уравнения (1.21) формула для расчета константы равновесия реакции (1.17) может быть получена в виде

Из уравнения (1.21) видно, что растворение газообразного кислорода в жидком железе является сильной экзотермической реакцией. Следовательно, согласно уравнению изобары Вант Гоффа, с ростом температуры раствори-мость кислорода в железе при прочих равных условиях будет уменьшаться.

При высоких парциальных давлениях кислорода на поверхности жидкого железа появляется оксидная пленка. В этих условиях концентрация кислорода в металле определяется условиями протекания реакции (1.16) и зависит только от температуры. Константа равновесия реакции (1.16) может быть записана в виде

Если величина коэффициента активности растворенного в железе кислорода близка к единице, в условиях равновесия с чистым оксидом выражение (1.23) может быть приведено к виду

где [O]max – концентрация кислорода в металле в равновесии со шлаком из чистого FeO, %.

Влияние температуры на растворимости кислорода в железе в равновесии с  FeOРезультаты экспериментального исследования влияния температуры на растворимость кислорода в железе в равновесии со шлаком из чистого FeO показаны на рисунке 1.4. Анализируя эти данные, следует обратить внимание на то, что с ростом температуры предел растворимости кислорода в металле быстро увеличивается. Это свидетельствует о том, что растворение кислорода в металле из оксида железа в шлаке является сильной эндотермической реакцией.

Рисунок 1.4 – Влияние температуры на растворимости кислорода в железе в равновесии с FeO

Обработка результатов экспериментальных исследований показывает, что они могут быть описаны зависимостью

Из уравнения (1.25) выражение для определения стандартного значения изменения энергии Гиббса реакции (1.16) может быть получено в виде

Если в качестве коэффициента распределения кислорода между металлом и шлаком принять отношение активности FeO в шлаке к концентрации растворенного в металле кислорода, численное значение его может быть получено из уравнения

Расчеты по уравнению (1.27) показывают, что при температурах заключительного периода плавки в сталеплавильных агрегатах значения коэффициента распределения кислорода между шлаком и металлом обычно составляют 4 – 5.

  1.5 Растворимость кислорода в железе
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ