Практична робота №3 Розподіл кисню між металом і шлаком
Короткі теоретичні відомості
Процес переходу кисню з шлаку в метал можна представити рівнянням реакції
(FeO) = [Fe] + [О].
Умови рівноваги цієї реакції характеризуються величиною коефіцієнта розподілу кисню між металом і шлаком
, (3.1)
де а[О] - активність кисню, розчиненого в залізі;
а(FeO) - активність FeO в розплавленому шлаку.
Коефіцієнт розподілу кисню LO залежить від температури. Для випадку коли a(FeO) = 1, тобто під шлаком з чистого FeO (розплавленого вюститу), отримуємо максимальну розчинність кисню в рідкому залізі [% О]mах. Для цього випадку:
, (3.2)
де (fO)нас - коефіцієнт активності кисню в насиченому розчині.
Залежність максимальної розчинності кисню в чистому залізі від температури визначається рівнянням
.
(3.3)
Тоді активність розчиненого кисню в рідкому залізі, що знаходиться в рівновазі зі шлаком з певним значенням активності FeO, буде дорівнювати:
. (3.4)
Для невисоких концентрацій кисню в залізі f0 =1 и а[O]=[% О]. Тоді, знаючи максимальну розчинність кисню та рівноважну концентрацію кисню в металі під шлаком певного складу, можна за цими даними визначити активність FeO в шлаку:
.
(3.5)
У перших роботах з експериментальних визначень значень a(FeО) приймалося, що (f0)нас=1 і a(FeO) = [% О]/[% О]max. Таким методом були експериментально визначені значення a(FeО) в шлаках складного складу і побудована діаграма (рис. 3.1).
|
|
|
Рис. 3.1. Лінії ізоактивності для FeO в синтетичних шлаках системи FeO-СаО-SiO2 при 1600 °С |
Розчин
кисню в рідкому залізі показує невеликі
негативні відхилення від закону Генрі.
Для розрахунку коефіцієнта активності
кисню в рідкому залізі можна використовувати
параметр взаємодії:
:
. (3.6)
Для
складних розплавів на основі заліза
вплив інших елементів на коефіцієнт
активності кисню можна врахувати,
використовуючи параметри взаємодії
:
.
(3.7)
Значення параметрів взаємодії приведені в Додатках А і Б.
Величина активності FeO в шлаку визначається розрахунком за однією з моделей будови розплавленого шлаку або за узагальненою діаграмою активностей.
Приклад 3.1. При експериментальному дослідженні взаємодії шлакового розплаву складу (мас. %) : 39,0 СаО; 29,8 SiO2; 18,6 FeO; 2,3Fe2O3; 9,2 MgO з рідким залізом, в умовах рівноваги при 1538°С вміст кисню в залізі склав 0,112%. Визначити активність FeO в шлаку і коефіцієнт активності γ(FeO).
Розв’язок. При температурі 1538 °С (1811 К) максимальна розчинність кисню в залізі дорівнюватиме:
;
.
Коефіцієнт
активності кисню в насиченому розчині
визначаємо за допомогою параметра
взаємодії
(Додаток Б) :
;
;
;
.
Тоді відповідно до виразу (3.5):
.
Для визначення коефіцієнта активності γFеО розраховуємо молярну частку FeO в шлаку заданого складу.
Перераховуємо вміст FeO і Fe2O3 в початковому шлаку на загальний вміст (FeO)заг:
(FeO)заг = (FeO) + 1,35 (Fe2O3) = 18,6 + 1,35·2,3 = 21,7%.
Знаходимо число молей кожного компонента в 100 г шлаку :
nCaO nFeO nSiO2 nMgO Σn
0,694 0,301 0,497 0,230 1,722
Тоді молярна частка FeO в шлаку:
.
Коефіцієнт активності FeO в шлаку:
.
Задача 3.1. При експериментальному дослідженні взаємодії шлакового розплаву заданого складу з рідким залізом, в умовах рівноваги при температурі t вміст кисню в залізі склав [% O]. Визначити активність FeO в шлаку і коефіцієнт активності γ(FeO).
|
№ варіанту |
СаО, % |
SiO2, % |
FeO, % |
Fe2O3, % |
MgO, % |
t, °С |
[% O], % |
|
1 |
35,5 |
32,1 |
18,6 |
2,1 |
11,7 |
1538 |
0,110 |
|
2 |
35,0 |
30,7 |
18,9 |
3,7 |
11,7 |
1589 |
0,115 |
|
3 |
37,0 |
28,6 |
15,2 |
2,6 |
16,6 |
1562 |
0,109 |
|
4 |
39,1 |
32,5 |
16,1 |
3,5 |
8,8 |
1602 |
0,117 |
|
5 |
36,7 |
28,4 |
13,8 |
2,4 |
18,7 |
1594 |
0,120 |
|
6 |
32,7 |
29,0 |
20,5 |
4,0 |
13,8 |
1530 |
0,111 |
|
7 |
38,6 |
29,1 |
14,2 |
3,1 |
15 |
1547 |
0,112 |