Растворимость кислорода в железе.

Экспериментально установленная зависимость между содержанием растворенного в железе кислорода и величиной парциального давления кислорода в газовой фазе над металлом показана на рисунке 12.1.

Рисунок 12.1 – Зависимость растворимости кислорода в железе от величины парциального давления кислорода в газовой фазе над металлом

Анализ рисунка 12.1 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 кислорода концентрация его в железе пропорциональна квадратному корню из парциального давления кислорода в газовой фазе. По мере увеличения парциального давления кислорода над металлом содержание его в железе достигает некоторого максимального для данной температуры значения и в дальнейшем сохраняется на неизменном уровне. Такой характер зависимости обусловлен тем, что в момент, когда парциальное давление кислорода над расплавом становится равным упругости диссоциации FeO, на поверхности жидкого железа образуется оксидная пленка. Поэтому в дальнейшем концентрация растворенного в железе кислорода определяется протеканием реакции

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. В области малых парциальных давлений кислорода концентрация газа в железе линейно увеличивается с ростом квадратного корня из 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 выражения

Для случая, когда коэффициент активности растворенного в железе кислорода равен единице, из уравнения (12.3) зависимость между содержанием кислорода в металле и парциальным давлением его в газовой фазе над расплавом может быть получена в виде

В области повышенных концентраций кислорода в железе наблюдается некоторое отклонение экспериментальных зависимостей от прямых, отражающих закон Сивертса. Это свидетельствует о том, что по мере увеличения концентрации растворенного в металле кислорода коэффициент активности его уменьшается. Количественно эта зависимость может быть описана при помощи уравнения

Согласно результатам термодинамических исследований стандартное значение изменения энергии Гиббса реакции (12.2) может быть получено из уравнения

Из уравнения (12.6) формула для расчета константы равновесия реакции (12.2) может быть получена в виде

Анализируя уравнение (12.6), следует обратить внимание на то, 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 в газовой фазе на поверхности жидкого железа появляется оксидная пленка. В этих условиях концентрация кислорода в металле определяется протеканием реакции (12.1) и зависит только от температуры. Константа равновесия реакции (12.1) может быть записана в виде

Если значения коэффициентов активности растворенного в железе кислорода и оксида железа в шлаке близки к единице, выражение (12.8) может быть приведено к виду

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

Результаты экспериментальных исследований влияния температуры на содержание кислорода в железе в равновесии со шлаком из чистого FeO показаны на рисунке

12.2. 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.

Обработка приведенных на рисунке 12.2 результатов экспериментального исследования показывает, что они могут быть описаны зависимостью

Из уравнения (12.10) выражение для определения стандартного значения изменения энергии Гиббса при протекании реакции (12.1) может быть получено в виде

Если в качестве коэффициента распределения кислорода между металлом и шлаком принять отношение активности FeO в шлаке к концентрации раство-ренного в металле кислорода, для определения его численного значения мо-жет быть использована зависимость

Рисунок 12.2 – Влияние температуры на растворимость кислорода в железе под шлаком из чистого FeO

Расчеты по уравнению (12.12) показывают, что при температурах заключительного периода плавки значения коэффициента распределения кислорода между шлаком и металлом изменяются в пределах 4 – 5.