ЛсЮО

Для марганца:

Л 71пу^, =5 5 0 0 -3 9 ,1 7 -8 ,3 1 4 7 1 п ^ = 5 5 0 0 -0 ,9 6 7 ;

Задача 2.

Рассчитать активности по Раулю углерода и хрома в расплавах Fe- Сг-С заданного состава при заданной температуре с использовани­ ем мольных параметров взаимодействия.

Состав расплава: Fe - 10 % C r - 0,5 % С. Температура Т = 1873 К.

Решение.

Из справочных данных выберем необходимые для расчета пара­ метры взаимодействия:

Рассчитаем коэффициенты активности и активности компонентов.

Углерод:

In ус = Inу " + £сС)хс + в £ г)*Сг;

In ус = -0,562 +11 • 0,023 —5,1 0,105 = -0,844; ус = е -о.844 = 0 4 з.

4 R) = ус хс = 0,43.0,023 = 0,010.

Хром:

In Усг = In YCr + £g r),c r + есг)дгс;

In yCr =0,134 + 0 -5,1 .0,023 = 0,0167;

YCr = e 0’0 16 7 = i,0 1 7;

= УсгхСт= U °1 7 0 ,l0 5 = 0,107.

Задача 3.

Рассчитать активности по Раулю углерода и никеля в расплавах F e- Ni-C заданного состава при заданной температуре с использовани­ ем мольных параметров взаимодействия.

Состав расплава: Fe-10 % Ni-0,5 % С. Температура Т= 1873 К

Решение.

Из справочных данных выберем.необходимые для расчета пара­ метры взаимодействия:

Рассчитаем коэффициенты активности и активности компонентов.

Углерод'.

In ус = In у " + е^С)хс + e(cN,)xNi =

= -0,562 +11 • 0,023 - 2,9 • 0,094 = -0,036;

ус = е - ° - 036 =0,965;

a{cR) = ус хс = 0,965 • 0,023 = 0,022.

Рассчитаем коэффициенты активности и активности компонентов

Углерод:

In ус = In у" + е(сС )х с + 4 Сг,*Сг + e(cN % i ;

In ус = -0,562 +11 • 0,023 - 5,1 • 0,105 + 2,9 • 0,093 = -0,5 74;

ус = е - ° - 574 =0,563;

а Р = у с *с =0,563 0,023 = 0,013.

Хром:

In yCr = In Усг + s g r)*Cr + еа % . + e g ^ c ;

In yCr = 0,134 + 0 + 0 - 5,1 • 0,023 = 0,0167;

yCr = e 0,167 =1,017;

a g ) = yCrxCr =1,017-0,105 = 0,107.

Никель:

*n YNi = *n7Ni + eNi')j,[:Ni + e Nir)jCCr +8Ni)jCC’

In УNl = -o, 437 + 0,01 • 0,093 + 0 + 2,9 • 0,023 = -0,3694;

Задача 5.

Рассчитать равновесное распределение кислорода на окисление компонентов С, Сг, Ni расплава Fe - 10 % Сг - 10 % Ni - 0,5 % С при температуре 1600 °С, используя активности компонентов, рас­ считанные в предыдущей задаче.

Решение.

Воспользуемся реакциями окисления элементов кислородом и стандартными энергиями Гиббса этих реакций. Рассчитаем кон­ станты равновесия К, этих реакций при заданной температуре. По активностям компонентов в исходном расплаве рассчитаем значе­

ния D, « — -— , где п - стехиометрический коэффициент перед

<исх

элементом в реакции окисления. Затем рассчитаем величины

K j/D j. Относительные значения последних примем за коэффици­ енты распределения кислорода на окисление компонентов распла­

ва: п, = K j/D j

Вывод. При заданном исходном составе расплава и заданной температуре кислород в равновесных условиях распределяется следующим образом:

на окисление углерода - 8 6 %; на окисление хрома - 14 %;

на окисление никеля - ~ 0 % (на 9 порядков меньше, чем на окисление хрома).

Задачи для самостоятельного решения

Задача 6.

Найти температурные функции коэффициентов активности компо­ нентов С, Si, Мп, Сг и Fe в бесконечно разбавленных растворах в

жидком никеле 1пу°° = — + В по известной температурной зави­

'Т

симости энергии Гиббса каждой реакции растворения компонента в жидком никеле с образованием гипотетического 1 % (масс.) рас­

твора. Определить y f \ 873 . Сравнить величины Y/д873 в жидком же­ лезе и в жидком никеле.

Задача 7.

Рассчитать активности по Раулю компонентов в легированной ста­ ли заданного состава при температуре 1600 °С с использованием мольных параметров взаимодействия. Рассчитать равновесное рас­ пределение кислорода на окисление этих компонентов при окисли­ тельном рафинировании металла.

Г л а в а 5. Т Е РМ О Д И Н А М И Ч ЕС К И Е М О Д ЕЛ И И РА С ­ Ч Е Т Ы М ЕТА Л Л У РГИ Ч ЕС К И Х Ш ЛА КО В

Металлургические шлаки, штейны, флюсы

При производстве чугуна, стали и ряда цветных металлов образу­ ются самостоятельные неметаллические фазы, которые отделяются от жидкого металла: шлак или штейн.

Шлак - многокомпонентный неметаллический расплав, покры­ вающий при плавильных процессах поверхность жидкого металла. В зависимости от способа производства чугуна, стали различают следующие шлаки: доменный, конвертерный, электросталепла­ вильный, мартеновский и др.

Штейн - промежуточный продукт производства некоторых цветных металлов (Си, Ni, Pb и др.), представляющий собой рас­ плав сульфидов получаемых металлов с сульфидом железа.

При плавке медных концентратов образуется первичный штейн. Медный штейн, остающийся в конвертере в конце первого периода продувки после слива железного шлака, образует белый штейн. Он содержит 78...80 % меди.

При переработке медно-никелевых сульфидных руд образуется медно-никелевый штейн. Промежуточный продукт производства меди, содержащий 45...70 % меди, называется «медный штейн».

Штейн, содержащий сульфиды свинца и цинка в значительных количествах, называют полиметаллическим штейном.

Флюс - материал, вводимый в шихту для образования шлака и регулирования его состава.

Ионные расплавы играют исключительно важнуюроль в про­ изводстве металлов, стекол и при сварке. Возрастает их примене­ ние в современных технологических процессах. Мировые научные и учебные центры систематически проводят международные кон­ ференции, посвященные проблемам теории и практики их приме­ нения. Очередная (шестая по счету) международная конференция «Жидкие металлы, флюсы и соли» состоялась в 2000 году в Сток­ гольме (Швеция) и в Хельсинки (Финляндия).

Для того, чтобы подчеркнуть роль шлаков в теории и практике металлургических процессов, приведем перечень тем, вынесенных на обсуждение на этой конференции:

1. Ionic Melts Structures. (Ионная структура расплавов). 2. Thermo-dynamics and Phase Diagrams. (Термодинамика и фазовые диаграммы состояния). 3. Experimental Thermodynamics of Slags. (Экс­ периментальная термодинамика шлаков). 4. Slag Capacities. (Емкости шлаков). 5. Physical Properties of Slags. (Физические свойства шлаков). 6. Interfacial Phenomena. (Межфазные явления). 7. Kinetics of Slag/Metal Reactions. (Кинетика реакций металл/шлак). 8. Kinetics of Slag/Gas Reactions. (Кинетика реакций шлак/газ). 9. Mould Flux Properties. (Свойства флюсов в кристаллизаторе). 10. Slags in Ironmaking. (Шлаки в производстве чугуна). 11. Slags in Steel-making. (Шлаки в сталеплавильном производстве). 12. Slags in Ferroalloy Production. (Шлаки в производстве ферросплавов). 13. Slags in Steel Refining. (Шлаки при рафинировании стали). 14. Slags for Stainless Steel and Special Alloy Production. (Шлаки в производстве нержа­ веющей стали и специальных сплавов). 15. Slags in Inclusion Formation. (Шлаки при образовании включений). 16. Slag Foaming. (Вспенивание шлака). 17. Mould-Flux Application. (Использование флюсрв в кристаллизаторе). 18. Refactory Erosions in Smelting. (Раз­ рушение огнеупоров). 19. Slags and Mattes in Copper Smelting. (Шла­ ки и штейны при плавлении). 20. Slags in Production of Ni, Pb etc. (Шлаки в производстве Ni, Pb и др. металлов). 21. Slags in Rare-Metal Production. (Шлаки в производстве редких металлов). 22. Special Processes. (Специальные процессы). 23. Aluminium Production. (Про­ изводство алюминия). 24. Molten Salts for Reactive Metal Production. (Жидкие соли для производства реактивных металлов). 25. Molten Salts - Special Applications Including Chemicals Sensors and Fuel Cells. (Жидкие соли - специальное применение, включая химические датчики и топливные элементы). 26. Soldering Fluxes. (Флюсы для пайки). 27. Fluxes and Slags in W elding Processes. (Флюсы и шлаки в процессах сварки). 28. Properties of Glasses and Applications in The Glass Industry. (Свойства стекол и их использование в стекольной промыш­ ленности). 29. Recycling and Further Utilization of Metallurgical Slags. (Рециркуляция и дальнейшая утилизация металлургических шлаков). 30. Magmas. (Магма). 31. Slag Models and Their Industrial Applications. (Модели шлаков и их использование в производстве).

Оксидные растворы и металлургические шлаки. Модели оксидных растворов, расчеты активности компонентов

Теоретический анализ металлургических процессов, с целью со­ вершенствования существующих и разработки новых технологий, включает термодинамические расчеты взаимодействий в системе «металл-шлак». Составной частью этих расчетов является опреде­ ление активностей компонентов шлака по его составу и температу­ ре.

Молекулярная теория шлака, получившая развитие в 30-е годы в работах Г. Шенка, допускает, что в жидких шлаках существуют молекулы оксидов и более сложные молекулы других химических соединений. «Свободные» оксиды находятся в состоянии подвиж­ ного химического равновесия. Позднее молекулярные представле­ ния пришли в противоречие с результатами физических и физико­ химических исследований оксидных растворов, шлаков и силикат­ ных систем. Получило развитие электрохимическое представление о строении шлаков.

Жидкий шлак - это раствор ионов. Потребовалась простая мо­ дель ионного раствора, активности компонентов которого можно рассчитать по заданному составу без дополнительных эксперимен­ тов. Такой моделью стал совершенный ионный раствор. Сравнивая с ним реальные жидкие шлаки, можно найти причины отклонения от идеальности и построить более сложные модели. Роль совер­ шенного ионного раствора аналогична роли идеального раствора в общей термодинамике.

Ниже изложены ионные модели оксидных растворов, приме­ няемые для расчетов металлургических шлаков. Изучение термо­ динамических ионных моделей позволяет критически подходить к выбору той или иной модели для расчетов активностей компонен­ тов изучаемого шлака, оценивать возможные погрешности расче­ тов, определять и уточнять параметры моделей на основе диаграмм состояния и электрохимических измерений в шлаках. Изучение теории ионного строения шлака и экспериментальные исследова­ ния позволяют разрабатывать новые модели, полнее отражающие природу шлака и Повышающие точность расчетов.