РАСТВОРЕНИЕ КИСЛОРОДА

Кислород находится в жидкой стали в виде раствора и в виде оксидных не­металлических включений. При тем­пературе плавления в чистом жидком железе растворяется -0,17% кислоро­да. При повышении температуры ра­створимость кислорода в жидком же­лезе возрастает (рис. 12.7). Растворе­ние кислорода газовой фазы в жидком железе может быть описано схемой 0,5О_2®→ [О], = [0], K=[0] p_O2. Кон­станта К характеризует содержание кислорода, растворенного в металле, равновесное с О₂ газовой фазы; она может быть выражена формулой

lg K=lg[0]/p_O2^1/2 =-6100/T + 0,1245.

Рис. 12.7.Растворимость кислорода в жид­ком железе при равновесии с чистым желе­зистым шлаком

При содержании кислорода, пре­вышающем предел его растворимости в жидком железе при данной темпера­туре, кислород взаимодействует с же­лезом по реакции Fe + [О] = (FeO), образуя обособленную фазу — вюстит. Содержание кислорода, раство­ренного в жидком железе, равновес­ное с вюститом, может быть описано уравнением

lg[O]_Fe0 = -6320/T+ 2,734,

где [O]_(Fe0) —содержание кислорода в жид­ком железе, равновесное с вюститом, маc. %; T—температура.

Расчеты по этим уравнениям пока­зывают, что даже при очень низких парциальных давлениях кислорода в газовой фазе, соприкасающейся с жидким железом, происходит окисле­ние последнего с образованием вюсти-та. Экспериментальное исследование взаимодействия кислорода с расплав­ленным железом затруднительно, по­скольку равновесное давление газа очень низкое (10 ^-9 — 10 ^-10 МПа) и из­мерить его практически затруднитель­но'.

Растворимость кислорода в -Fe существенно ниже, чем в жидком железе. В интервале 1400—1500 °С lg[0]_S-Fe ⁼ -17900/T+7,20. В -Fe растворимость кислорода выше, чем в -Fe, что объясняется перестройкой его кристаллической решетки из ОЦК в ГЦК. В -Fe, так же как и в -Fe, ра­створимость кислорода очень низка (рис. 12.8). При комнатной температу­ре растворимость кислорода в железе снижается до следов (< 10 ^-4 %). Урав­нение процесса 0,5О₂→ [О] условно, так как практически во всех суще­ствующих сталеплавильных агрегатах давление кислорода всегда выше равновесного с жидким железом и идет реакция Fе_ж + 0,5О₂ = (FeO). На двойных диаграммах Fe—О левый (железный) угол соответствует -фазе,

¹ Обычно процесс растворения кислорода описывают в виде перехода 0,5О₂(_Г) -> [О].

Рис. 12.8.Растворимость кислорода в железе

называемой вюститом (имеет прибли­зительный состав FeO). Фаза незна­чительно растворяет железо и в гораз­до большей степени растворяет -фазу, которая соответствует составу Fe₃O₄ и называется магнетитом.

Таким образом, величина [О], ха­рактеризующая растворенный в ме­талле кислород, является относитель­ной. В металлургической технике рас­пространение получил метод опреде­ления активностей растворенных в железе элементов, основанный на за­мерах э. д. с. цепи, на одном конце ко­торой находится металл, активность компонента в котором известна (так называемый электрод сравнения), на другом — исследуемый образец. Этот метод в настоящее время широко ис­пользуется для определения активнос­ти кислорода, растворенного в ме­талле. Замеряемое этим методом зна­чение э. д. с. элемента Е пропор­ционально отношению активностей кислорода в электроде сравнения a_[O]c и в исследуемом расплаве а_[О]. В соответствии с уравнением Нернста

E=-(RT/nF)ln(a_[0]c/a_[0]),

где n — число переноса заряда потенциалопределяющего процесса; F— число Фарадея.

В настоящее время метод определе­ния активности кислорода в металле a_[О] широко используют на практике для контроля процесса плавки. С по­мощью выражения a_[о] ⁼f _[О][О] _ПРИ известном коэффициенте активности f[_O] можно определить концентрацию кислорода, растворенного в металле (эту величину часто обозначают [О]_раст). Полный количественный ана­лиз на кислород (например, методом вакуум-плавления) обеспечивает оп­ределение общего содержания кисло­рода в металле [О]_общ. Разность [0]_общ - [О]_раст = [О]_св характеризует количество кислорода, связанного в оксидные включения. Достоверность результатов разделения [О]_общ на [0]раст и [О]св зависит от точности оп­ределения коэффициента активности f _[0] При этом следует учитывать, что системы часто состоят не только из железа и кислорода. Как правило, в жидком металле растворены и другие элементы, которые имеют большее, чем железо, химическое сродство к кислороду. В итоге системы Fe-O-R (R — элемент, растворенный в жидком железе) характеризуются отрицатель­ными отклонениями от идеальности.

В сталеплавильных агрегатах на со­держание и активность кислорода по ходу плавки очень большое (как пра­вило, решающее) влияние оказывает углерод (рис. 12.9). Образующиеся в процессе взаимодействия углерода и кислорода пузыри СО выделяются из сталеплавильной ванны, создавая эф­фект кипения ванны. При содержании углерода <0,10% процесс кипения' ванны замедляется и углерод уже не определяет и не регулирует окислен-ность металла. Начинается проявление преобладающего влияния других фак­торов на уровень окисленности металла, и

Рис. 12.9.Влияние углерода на окисленность металла в сталеплавильной ванне при ее ки­пении:

/— кривая равновесных концентраций [С] и [О]; //— область концентраций [С] и [О], фактически наблюда­емых в кипящей сталеплавильной ванне

прежде всего активности оксидов железа в шлаке. При отсутствии кипе­ния обычно соблюдается соотношение a_(FeO)/a_[O]= const: чем выше активность оксидов железа в шлаке, тем выше окисленность металла. В тех случаях, когда в ванну вводят добавки, содер­жащие элементы, обладающие боль­шим химическим сродством к кисло­роду, чем железо (например, кремний, алюминий, марганец), окисленность металла определяется уже уровнем ак­тивности этих элементов-раскислите-лей. Некоторые примеси (такие, как никель, молибден, медь), имеющие меньшее химическое сродство к кис­лороду, чем железо, повышают актив­ность кислорода в стали. При введе­нии в металл элементов-раскисли-телей в нем образуются оксидные неметаллические включения. После кристаллизации в твердой стали прак­тически весь кислород находится не в растворе, а в виде оксидных неметал­лических включений, образовавших­ся: 1) при введении раскислителей (и взаимодействии их с кислородом, ра­створенным в металле); 2) во время вы­пуска и разливки в результате повтор­ного окисления (кислородом воздуха); 3) из шлака, огнеупорной кладки; 4) по ходу плавки как результат поступле­ния в металл вместе с добавками; 5) при затвердевании стали (в результате вза­имодействия включений различного происхождения).