1.Охарактеризуйте вплив температури на розчинність та межу розчинності кисню у рідкому залізі.

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 растворимость 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, %.

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.

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

при температурах заключительного периода плавки в сталеплавильных агрегатах значения коэффициента распределения кислорода между шлаком и металлом обычно составляют 4 – 5.

2.Обгрунтуйте відсутність можливості протікання реакції окиснення вуглецю у однорідному обємі рідкого металу.

Реакция окисления растворенного в металле углерода включает большое количество звеньев, связанных с массопереносом взаимодействующих веществ в объеме металла, шлака и газовой фазы, а также переходом их через поверхности раздела фаз. В качестве примера можно перечислить основные звенья реакции для случая, когда кислород поступает в металл из газовой фазы сталеплавильного агрегата:

– диффузия , и из объема окислительного газа через пограничный слой к поверхности шлака;

– адсорбция кислорода на поверхности шлака;

– химическая реакция на поверхности раздела шлак-газ с образованием ферритов (, и др.) или ионов ;

– массоотдача ферритов (анионов) через пограничный слой в объем шлака;

– турбулентная диффузия ферритов (анионов) в объеме шлака к границе раздела шлак-металл;

– химическая реакция между ферритами и железом на границе раздела шлак-металл с образованием оксида двухвалентного железа;

– химический акт распада на атомы железа и кислорода и поступление его в пограничный слой металла;

– массоотдача кислорода через пограничный слой в основную массу металла;

– турбулентная диффузия кислорода и углерода в объеме металла к возможному месту протекания реакции;

– массоотдача кислорода и углерода в пограничном слое металла у поверхности раздела металл-пузырьки газа;

– адсорбция кислорода и углерода на поверхности пузырей газа;

– химическая реакция между кислородом и углеродом на поверхности пузырей;

– десорбция оксида углерода с поверхности пузырей;

– массоотдача оксида углерода в объем газовой фазы.

По результатам лабораторных исследований был установлен также характер зависимости скорости окисления углерода от содержания его в металле. Показано, что в области высоких концентраций углерода скорость обезуглероживания определяется скоростью поступления кислорода в металл и не зависит от содержания углерода в расплаве. При концентрации углерода менее 0,2 – 0,3% дальнейшее обезуглероживание сопровождается уменьшением скорости окисления углерода при неизменной скорости поступления кислорода в расплав. Эту концентрацию углерода в научно-технической литературе принято называть критической.

Такой характер зависимости скорости окисления углерода от концентрации его в металле может иметь два возможных объяснения.

Первое из них предложено С.И. Филипповым и заключается в том, что при критическом содержании углерода происходит смена лимитирующего звена реакции. При высоких концентрациях углерода лимитирующим звеном реакции является доставка кислорода в зону взаимодействия. Поэтому при неизменной скорости подачи кислорода в расплав скорость реакции не зависит от содержания в нем углерода. При содержании углерода в металле ниже критического лимитирующим звеном реакции становится доставка в зону протекания реакции углерода. Поэтому при неизменной скорости подачи кислорода в металл дальнейшее обезуглероживание сопровождается уменьшением скорости реакции.

Другое возможное объяснение заключается в том, что при содержании углерода менее 0,2 – 0,3% начинает увеличиваться количество кислорода, которое расходуется на окисление железа. Поэтому при неизменной скорости подачи кислорода в металл уменьшается количество кислорода, который может участвовать в обезуглероживании металла и, следовательно, скорость реакции.

Оба приведенных выше объяснения дают качественно сходные выводы относительно характера зависимости скорости окисления углерода от содержания его в металле. Поэтому сказать, какое из них точнее объясняет снижение скорости окисления углерода при концентрациях ниже критической, не представляется возможным.

Таким образом, в сталеплавильных ваннах при нормальной вязкости металла и шлака скорость окисления углерода при содержании его выше критической концентрации определяется скоростью поступления кислорода в металл и только при содержании углерода менее критических значений наблюдается зависимость скорости окисления углерода от содержания его в металле.

3.Обгрунтуйте потребу у внесенні надлишкової кількості вуглецю разом з шихтовими матеріалами та його окислювання у перебігу плавки при виробництві сталі у кісневих конверторах мартенівскіх та електросталеплавильних печах.

Интенсивность продувки металла кислородом в мартеновских печах обычной конструкции и двухванных мартеновских печах, а также дуговых электросталеплавильных печах намного ниже, что обусловлено конструктивными особенностями этих агрегатов. В этих агрегатах скорость обезуглероживания металла при продувке ванны кислородом обычно составляет 0,025 – 0,04 %/мин.

При сохранении достаточного перегрева металла над температурой плавления подача железной руды в количестве 1% от массы металла сопровождается окислением 0,16% углерода. При малом темпе присадок железной руды фактические скорости окисления углерода могут быть существенно выше расчетных значений в связи с поступлением в ванну кислорода из атмосферы печи. С увеличением скорости подачи руды поступление кислорода из газовой фазы сперва уменьшается, а затем прекращается. При этом углерод окисляется только за счет кислорода руды, а кислород из атмосферы печи расходуется на дожигание выделяющегося из ванны до и накопление оксидов железа в шлаке.

Окисление углерода кислородом твердых окислителей является сильной эндотермической реакцией, поэтому ее скорость обычно определяется возможной интенсивностью нагрева ванны. В современных крупных мартеновских печах скорость обезуглероживания металла обычно не превышает 0,02 %/мин, составляя в среднем в периоде плавления 0,01 – 0,015 %/мин. В периоде рудного кипения средняя скорость окисления углерода уменьшается до 0,005 – 0,008 %/мин.

При окислении углерода за счет поступления кислорода из газовой фазы сталеплавильного агрегата скорость окисления углерода обычно составляет 0,004 – 0,006 %/мин.