8. Активность кислорода в жидкой стали

• Задача. По значениям э.д.с. кислородного концентрационного элемента определить активность кислорода в жидкой стали 08 кп в конвертере и в ковше.

• Исходные данные. 1. Измерена э.д.с. кислородного концентрационного элемента [5]:

  Mo

  Mo  MoO2 (электрод сравнения)

  ZrO2Y2O3 (твердый электролит)

  Жидкая сталь 08 кп (анализируемый металл)

  Mo

• Анализировали пробы металла, отобранные в конвертере и в ковше. Результаты измерения э.д.с. [5] приведены в таблице.

• 2. Парциальное давление кислорода для электрода сравнения

Mo  MoO₂:  (27550/T) + 7,38.

• 3. Константа равновесия реакции растворения кислорода в жидком железе

O_2(г)  [O], lgK  6110/T  0,151.

Величина э.Д.С. Кислородного концентрационного элемента и активность кислорода в жидкой стали 08 кп

Место отбора пробы металла	T, К	Э.д.с., В	aO
Конвертер	1863	0,146	0,0870
Ковш	1833	0,178	0,0482

• Теория. В приведенном концентрационном элементе э.д.с. возникает вследствие различия термодинамической активности кислорода в анализируемом жидком металле (в стали 08 кп) и электроде сравнения (смеси Мо  МоО₂). Величина э.д.с. кислородного концентрационного элемента определяется уравнением Нернста:

Е  (RТ/2F )ln (1.27)

• или

Е = (RТ/4F )ln , (1.28)

• где F  электрохимическая постоянная (число Фарадея), F  96485 Кл/моль; – активность кислорода в электроде сравнения и в анализируемом металле;  парциальное давление кислорода в газовой фазе, равновесной с электродом сравнения и исследуемым расплавом соответственно.

• В качестве электрода сравнения выбирают вещество с известной активностью или равновесным парциальным давлением кислорода. В соответствии с уравнением (1.28)

.

• Для определения величины воспользуемся константой равновесия реакции растворения кислорода:

(1.29)

• Решение. Подставляя в уравнение (1.29) выражения для константы равновесия K и парциального давления а также значения констант F и R, получаем

• Рассчитанные значения активности кислорода приведены в таблице в исходных данных.

• Примечания. 1. В качестве твердого электролита, как правило, применяют стабилизированный диоксид циркония, обладающий практически 100 %-ной ионной (по кислороду) проводимостью. При измерении активности кислорода в хорошо раскисленном металле ([% О]  0,0010) при высоких температурах ( 1873 К) следует учитывать электронную составляющую проводимости. В этом случае [5]

.

• Для диоксида циркония, стабилизированного оксидом кальция,

lgp_e  (68400/T ) + 21,59.

• 2. Наряду со смесью Мо–МоО₂ ( 10 % МоО₂) в качестве электрода сравнения часто используют смесь Cr–Cr₂O₃ (2–5 % Cr₂О₃). В этом случае

 (39425/T )  8,94.

• 3. На основе определения активности кислорода методом э.д.с. создан прибор для экспрессного определения содержания кислорода в стали [5].