Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы производства. Расчеты и контроль металлургических процессов. Практикум
.pdf
но
max
|O|
a
2
O max
p
2
O max
p
∆=−
0
р
exp
G
K
RT
∆
æö
÷
ç
÷
ç
=-
÷
ç
÷
÷
ç
èø
р
13279,8
exp 2,46
8,314 1773
K
æö
-
÷
ç
= - ÷=
ç
÷
ç
÷
×
èø
()
()
||
ж
ж
NiO
р
Ni O
=
⋅
a
K
aa
р
|O|
1
Ka=
|O|
р
11
0,406
2,46
aK== =
2
O max
p
2
|O|
|O|
1/2
O max
=
a
K
p
|O|
a
|O|
K
|O|
0,406a =
|O|
127, 75K =
2
2
|O|
O max
|O|
a
p
K
æö
÷
ç
÷
ç
=
÷
ç
÷
ç
÷
ç
èø
кислородавгазовойфазе
≈0,207;|O|
≈0,229%,равновесноепарциальноедавление
max
≈0,64·10–8.
Задача 3
Определитьактивностькислородавжидкомникеле,находящемся
вравновесиис (NiO)
родавгазовойфазе
,иравновесное парциальноедавлениекисло-
(ж)
при1773К.Оценитьрастворимостькис-
лородадляданныхусловий.
Решение
Используемуравнение(2.10).ПриТ=1773К,
значениеK
дляреакции:
р
0
13279,8 ДжG
,
.
Поскольку
,
приa
NiO
=1,a
Отсюда
Для нахожденияравновесного парциального давления кислорода
воспользуемсятермодинамическимиданнымиреакции(2.8):
При Т = 1773 К рассчитанные значения
и
Отсюда
=1получаем
FeO
.
.
.
и
составили
.
,
21
2
2
5
O max
0,406
1, 0 1 10
1 27, 75
p
-
æö
÷
ç
= ÷= ×
ç
÷
ç
÷
èø
.
2
5
O max
1, 0 1 10p
-
=×
max
|O|
|O|a @
2
O max
p
В результате расчета было установлено, что активность кислоро-
давжидкомникеле,находящемсявравновесиис(NiO)
при1773К,
(ж)
составила0,406,аравновесноепарциальноедавлениекислородавгазовойфазе
.Коэффициентактивностикислородав
жидкомникелеfOполитературнымданнымможетбыть принятравным1вширокомдиапазонеконцентрацийкислорода,чтопозволяет
принять
,т.е.|O|
≈0,406%.
max
Задача 1
Призаданнойтемпературерассчитатьконцентрациюиактивность
кислородавжидкомжелезевравновесиис(FeO)
циальное давление кислородав газовой фазе, равновесной с (FeO)
ижидкимжелезом.
Задача 2
Рассчитать активность кислородав жидком металле (никеле, кобальте)вравновесиисегооксидом(NiO,CoO)иравновесныепарциальныедавлениякислорода
призаданнойтемпературе.Срав-
нитьрастворимостькислородавжидкихметаллах.
Вариантызначенийтемпературыпредставленывтабл.2.1.
.Определитьпар-
(ж)
Таблица 2.1
(ж)
Номерварианта
1 1820 9 1910
2 1830 10 1920
3 1840 11 1930
4 1850 12 1940
5 1860 13 1950
6 1870 14 1960
7 1880 15 1970
8 1890 16 1980
22
Т,К
Номерварианта
Т,К
1.Назовитехимическиесоединения,которыепредставленынади-
аграммеFe–O.
2.НазовитеобластисуществованиярастворовнадиаграммеFe–O.
3.Назовитевсесмеси,представленныенадиаграммеFe–O.
4.Запишитереакциюобменакислородомгазовойфазысжидким
железом.
5. Запишите уравнение реакции распределения кислорода между
жидкимжелезомиоксиднойфазой.
6. Какова зависимость активности кислорода в жидком железе
отегопарциальногодавлениявгазовойфазе?
7.Запишитев общем виде зависимостьрастворимостикислорода
вжидкихметаллах(Fe,Ni,Co)оттемпературы.
8.Какопределитьпределрастворимостикислородавжидкомжелезевзависимости оттемпературыи парциальногодавлениякислородавгазовойфазе?
23
1
( O) O
mn
m
RR
nn
=+
//
/
OO
R
p
1/ 1/
( ) ( O)
|O| | | ,
××
= =× ×
mn m n
mn mn
mn
R
nn
RO R
aa f f
KR
aa
Раскисление стали является заключительной операцией при обработке жидкой стали перед разливкой и существенно влияет на
свойства готового металла. Целью раскисления является снижение
концентрации растворенного в металле кислорода, что достигается введением в расплав элементов – раскислителей, обладающих
бóльшимсродствомк кислороду, чемжелезо. Это обеспечиваетсвязываниерастворенногокислородавдостаточнопрочныесоединения
исозданиеусловийдлявозможноболееполногоих удаленияизметалла.
В сталеплавильномпроизводствев качестве элементов-раскислителей используют углерод, марганец, кремний, алюминий, а также
кальций, магний, церий, лантан и другие элементы. Раскислители
вносятв металлвопределенныхколичествахи последовательности.
Вцеляхобразованиявметаллелегкоплавкихихорошовсплывающих
спереходомвшлакпродуктовраскисленияприменяюткомплексные
раскислители:силикомарганец,силикокальций,сплавАМС(Al–Mn–
Si) и др. Раскисление металлическогорасплава можно производить
обработкойвне печи шлаком,несодержащимоксидовжелеза,обработкойввакууме.
Для жидкого металла, содержащего растворенный кислород, реакцию раскисления при введении в расплав элемента-раскислителя
можнопредставитьввиде
где|R|–элемент-раскилитель;
|O|–кислород,растворенныйвметаллическомрасплаве;
(R
)–продуктраскисления.
mOn
При выражении концентрацийэлементов в массовых долях, константаравновесияKрреакцииприметвид
24
, (3.1)
(3.2)
гдеаО,аR,
( O)
mn
R
a
p OO
1
lg | O | lg lg | | lg lg lg= - + --
mn
RR
mm
K Ra f f
nn n
O
O OO
R
f ff=×
OO
O O OO O
lg lg lg |O | | |
RR
f f f e eR=+= +
O R
R RR
f ff=×
OO
lg lg lg | O | | |
RR
R R RR R
f f f e eR=+= +
O
O
e
O
R
e
O
R
e
R
R
e
O
O
|O|e
O
|O|
R
e
p OO
1
lg | O | lg lg | | lg | |
mn
RR
RR
mm
K R a Re e
nn n
æö
÷
ç
= - + - × +×
÷
ç
÷
÷
ç
èø
O
ln |O |
2,3 0
|| | |
RR
R
mm
ee
R nR n
æö
¶
÷
ç
=- - × + × =
÷
ç
÷
÷
ç
èø
¶
2
22
ln |O |
0
|| | |
m
R nR
¶
=>
¶
опт
O
||
2,3
RR
R
m
R
m
ne e
n
=-
æö
÷
ç
×× + ×
÷
ç
÷
ç
èø
–соответственноактивностирастворенногокисло-
рода,элементараскилителя,оксида–продуктараскисления;
fО,fR–коэффициентыактивности.
Изуравнения(3.2)выразимконцентрациюкислородавметалле:
ДлясистемыFe–O–Rможнозаписать:
где
,
,
и
и
,
–термодинамические(массовые)параметрывзаи-
модействиякислородаиэлемента-раскислителя.
Прираскислениистали обычно |O|<<|R|, поэтомучленами
и
можнопренебречь.
Уравнение(3.3)сучетом(3.4)вэтомслучаеприметвид
Найдемэкстремумфункцииln|O|=φ(|R|):
. (3.6)
Посколькувтораяпроизводная
. (3.3)
;
, (3.4)
. (3.5)
имеет минимум, по концентрацию раскислителя, соответствующую
минимальнойконцентрациикислорода,назовемоптимальной–|R|
Еезначениеможнорассчитатьизуравнения(3.6):
(3.7)
. (3.8)
опт
.
25
Длянахожденияминимальногозначенияконцентрациикислорода
1
( O) O
mn
m
RR
nn
=+
p
1160
lg 2,
003KT=- -
p
15200
lg 6,
780KT=- +
p
15238
lg 5, 7
35KT=- +
p
21263
lg 6,8
62KT=- +
p
17050
lg 6,0
46KT=- +
p
14380
lg 6,2
11KT=- +
p
14688
lg 5, 2
05KT=- +
p
23423
lg 7, 0
47KT=- +
p
24087
lg 7,1
37KT=- +
p
25013
lg 7, 7
12KT=- +
p
20305
lg 6, 0
99KT=- +
p
20305
lg 6, 0
51KT=- +
p
22630
lg 6,2
03KT=- +
следуетопределить |R|
для данного типа раскислителя и получен-
опт
нуювеличинуподставитьвуравнение(3.5).
В табл. 3.1. представлены реакции раскисления жидкого железа
итемпературныефункцииконстантравновесия.Значенияпараметров
взаимодействияприТ=1873Кдляжидкогожелезаитемпературные
функциинекоторыхизнихпредставленывприл.1и2.
Таблица 3.1
R
С CO=|C|+|O|
Mn (MnO)=|Mn|+|O|
Si 1/2(SiO2)=1/2|Si|+|O|
Al 1/3(Al2O3)=2/3|Al|+|O|
Ti 1/2(TiO2)=1/2|Ti|+|O|
Cr 1/3(Cr2O3)=2/3|Cr|+|O|
B 1/3(B2O3)=2/3|B|+|O|
La 1/3(La2O3)=2/3|La|+|O|
Y 1/3(Y2O3)=2/3|Y|+|O|
Ce 1/3(Ce2O3)=2/3|Ce|+|O|
lgKp=φ(T)
Zr 1/2(ZrO2)=1/2|Zr|+|O|
Hf 1/2(HfO2)=1/2|Hf|+|O|
Th 1/2(ThO2)=1/2|Th|+|O|
26
p
1160
lg 2,003 2,622KT=- - =-
( )
( )
опт
CC
OC
11
| C | 2,44 %
2,3 1 0,421 0,243
2,3 1
=- =- =
× ×- +
×× +ee
min
lg | O | 2,622 lg 2,44 2,44( 0,421 0,243) 2,574=- - - - + =-
min
lg | O | 2, 7 10 %=×
Задача
Рассчитать и построить в координатах lg|O|–lg|R| изотерму раскисленияжидкогожелезауглеродом.Определитьоптимальную концентрацию углерода |C|
вметалле.
Рассчитать и построить кривую зависимости в координатах
lga
–lg|R|.
|O|
Исходныеданныезадачи:Т=1873К,р
Решение
1.Рассчитаемконстантуравновесияреакциираскисленияжидкого
железауглеродом(см.табл.3.1):
и минимальную концентрацию кислорода
опт
=1.
СО
CO=|C|+|O|
2.Определим|C|
поуравнению(3.8):
опт
.
.
3.Дляопределения|О|
значенияlgK
и|C|
p
опт
:
вуравнение(3.5)подставляемнайденные
min
,
.
4.Дляпостроения изотермыраскисленияжидкогожелеза углеродом задаемся пятью значениями концентрации углерода в металле:
1,00%, 1,70 %, 2,44 %,3,30 %, 4,00 %. Рассчитанныедля этих концентрацийуглеродасоответствующиезначения|O|,а
,fOиих лога-
|O|
рифмысведемвтабл.3.2.
5.Наосновеполученныхрезультатоврасчета, на графике строим
кривыеlg|O|–φ(lg|R|)иlga
–f(lg|R|)(рис.3.1).
|O|
27
Таблица 3.2
|C|,% lg|C| |O|,% lg|O| f
O
lgf
O
а
|O|
lgа
1,00 0 3,6·10–3–2,443 0,3788 –0,4216 1,36·10-3–2,8653
1,70 0,23 2,8·10–3–2,553 0,4922 –0,7162 5,38·10-4–3,2692
2,44 0,39 2,7·10–3–2,569 0,0938 –1,0277 2,52·10-4–3,5970
3,30 0,52 2,8·10–3–2,553 0,0407 –1,3898 1,1·10
4,00 0,60 3,0·10–3–2,523 0,0207 –1,6845 6,2·10
-4
–3,9428
-4
–4,2075
lg|C|
–2
–2,5
0
–2,443
lg|O|
–2,553
0,40,2
–2,569
–2,553
0,6
0,8
–2,523
–2,8653
lga
–3
|O|
–3,2692
a|O|
–3,5
–3,597
–3,9428
–4
–4,2075
|O|
–4,5
Рис.3.1.Концентрация(◊)иактивность(○)кислорода
вжидкомжелезавзависимостиотсодержанияуглерода
приТ=1873К,рСО=1
Задача
Рассчитатьипостроитьвкоординатахlg|O|–lg|R|изотермураскисленияжидкогожелезадлязаданныхэлементов-раскислителейитемпературы.
Оценитьоптимальнуюконцентрациюраскислителей|R|
мальнуюконцентрациюкислородавметалле.
28
имини-
опт
Рассчитатьипостроитькривуюзависимостиактивностикислоро-
даотконцентрациираскислителявкоординатахlga
–lg|R|.Обекри-
|O|
выепредставитьнаодномрисунке.
Объяснитьхарактеризмененияконцентрациииактивностикислорода в зависимости от концентрации элемента-раскислителя. Сравнить раскислительную способность различных элементов, зависимостьоттемпературы.Вариантызаданийприведенывтабл.3.3.
Таблица 3.3
Номер
варианта
Раскислитель Металл Т,К
1 Al Fe 1873 11 Si,C Fe 1850
2 Al Fe 1973 12 Al,Ti Fe 1850
3 Si Fe 1873 13 La,Ce Fe 1850
4 Si Fe 1973 14 Zr,Hf Fe 1850
5 Mn Fe 1873 15 Mn,Si Fe 1850
6 Mn Fe 1973 16 Si,C Fe 1900
7 Ti Fe 1873 17 Al,Ti Fe 1900
8 Ti Fe 1973 18 La,Zr Fe 1900
9 Zr Fe 1873 19 Ce,Hf Fe 1900
10 Zr Fe 1973 20 Mn,C Fe 1900
Номер
варианта
Раскислитель Металл Т,К
1.Целииметодыраскислениястали,применяемыераскислители.
2.Какуюстальназываютспокойной,кипящей,полуспокойной?
3.Осадочное(глубинное)идиффузионноераскисление.
4.Особенностикомплексногораскисления.
5.Раскислениеметаллаобработкойввакууме.
6. Влияние продувки стали в ковше аргоном и на раскисление
идегазациюметалла.
7.Продуктыраскисленияиихудалениеизрасплава.
8.Влияниенеметаллическихвключенийнасвойствастали.
9. Характер зависимости концентрации и активности кислорода
вметаллеотсодержанияэлемента-раскислителя.
10.Сравнениераскислительнойспособностиэлементов.
29
Сталь, выплавленная в кислородном конвертере, электродуговой
илимартеновскойпечахвсегдасодержитнекотороеколичествоводородаиазота.Этообъясняетсятем,чтов сталеплавильныхагрегатах
металл контактирует с газовой фазой, содержащей азот и водяные
пары. Источникомгазов для металла могут быть шихтовые материалы,шлакообразующиеиферросплавы.Присутствиеводородаиазотавтысячныхидесятитысячныхдоляхпроцентаоказываетзаметное
влияниенасвойствастали.Еслиприсутствиеводородавсталипрактическивсегдаявляетсянежелательным,топрисутствиеазотавопределенныхконцентрацияхвнекоторыхсплавахполезно.
растворяется в железе и его сплавах в атомарном(ионном)состояниииневступаетв реакциисдругими,находящимисяв
жидком металле элементами. Растворимость водорода в различных
модификациях железа различна. Скачкообразное изменение растворимостиводорода:при переходеизжидкогосостояниявтвердое,из
однойаллотропическоймодификациивдругую,припонижениитемпературы–приводяткпересыщениюводородомтвердогораствора.
Еслирастворимостьводородав жидкомжелезеиегосплавах можетдостигатьдесяткиppm,товтвердомметаллеприкомнатнойтемпературеона практически равнанулю.Послезатвердеванияметалла
водород скапливается в пустотах и дефектных местах решетки. Заполняяпустоты,атомыводородасоединяютсявмолекулы.
Последующая обработка металла давлением, термическая обработкаприводятк возникновению в металле дополнительных напряжений и резкому повышению давления водорода в микропустотах,
чтовызываетвнутренниеразрывывметалле,называемыефлокенами.
Поперечно направлению прокатки на шлифе такой дефект классифицируетсякак«волосовины» иявляетсябраковочнымпризнаком
длямарочнойстали.
Присутствиеводородаснижает пластичностьметалла(ψ,δ),а частоиударнуювязкостьак,т.е.приводиткдефекту,называемомуводородной хрупкостью.
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]