научная статья по теме ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРИ РАСКИСЛЕНИИ И ДЕСУЛЬФУРАЦИИ ЖИДКОГО ЖЕЛЕЗА ESTIMATION OF INTERACTION PARAMETERS AT DEOXIDATION AND DESULPHURIZATION OF LIQUID IRON Металлургия

Текст научной статьи на тему «ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРИ РАСКИСЛЕНИИ И ДЕСУЛЬФУРАЦИИ ЖИДКОГО ЖЕЛЕЗА ESTIMATION OF INTERACTION PARAMETERS AT DEOXIDATION AND DESULPHURIZATION OF LIQUID IRON»

УДК 669.046.55

ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРИ РАСКИСЛЕНИИ И ДЕСУЛЬФУРАЦИИ ЖИДКОГО ЖЕЛЕЗА

© Чичкарев Евгений Анатольевич, канд. техн. наук Приазовский государственный технический университет. Украина, г. Мариуполь. E-mail: influence@meta.ua

Статья поступила 14.01.2010 г.

Развита методика аппроксимации концентрационной зависимости коэффициентов активности для систем с сильным взаимодействием компонентов в расплаве, основанная на применении дробно-рациональной функции. Найдены наиболее вероятные значения параметров взаимодействия первого и второго порядка (при условии аппроксимации концентрационной зависимости коэффициентов активности дробно-рациональной функцией) для раскисления жидкого железа кальцием, магнием и алюминием, десульфурации магнием. Получены уравнения кривых раскисления жидкого железа кальцием, магнием и алюминием. Показано, что расчетные кривые раскисления жидкого железа щелочноземельными элементами и алюминием удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными.

Ключевые слова: коэффициент активности; взаимодействие компонентов; расплав; дробно-рациональная функция.

При раскислении стали сильными раскислителями - алюминием, кальцием, титаном, редкоземельными элементами - в области минимума растворимости кислорода точное определение как его равновесной концентрации, так и активности вызывает ряд экспериментальных трудностей. Это приводит к значительному разбросу оценок констант равновесия реакции раскисления и особенно значений параметров взаимодействия элементов.

Концентрационная зависимость коэффициентов активности обычно учитывается в форме рядов по Вагнеру с помощью параметров взаимодействия. Многочисленные исследования корреляции параметров взаимодействия еО и (й - элемент-раскисли-тель или десульфуратор) и энергии Гиббса образования соответствующих соединений показали, что чем выше сродство элемента к кислороду или сере, тем больше и абсолютное значение параметра взаимодействия первого порядка.

Однако при обработке жидкого железа щелочноземельными элементами для адекватного описания кривых раскисления или десульфурации в широкой области концентраций необходим либо учет взаимодействий второго (или более высокого) порядка, либо использование набора взаимно согласованных значений кажущихся констант равновесия и параметров взаимодействия первого порядка. В частности, для системы Бе-Са-О к настоящему времени накоплены довольно многочисленные оценки кажущихся констант равновесия и соответствующих параметров взаимодействия для различных условий [1].

Сложность концентрационной зависимости коэффициентов активности в системах Бе-Ме-О и Бе-Ме-Б (Ме - кальций, магний, РЗМ) приводит к значительным расхождениям в оценке остаточного содержания щелочноземельных металлов в расплаве и заметным расхождениям в результатах термодинамического анализа процессов рафинирования стали и модифицирования неметаллических включений. Следовательно, уточнение термодинамических свойств

растворов щелочноземельных металлов, кислорода, серы в жидком железе, а также соответствующих значений параметров взаимодействия по Вагнеру представляет научный и практический интерес.

Использование отдельных параметров взаимодействия второго порядка для описания термодинамических свойств расплавов с близкими по величине массовыми долями химически взаимодействующих компонентов может приводить к большим ошибкам при расчете их коэффициентов активности.

Наиболее точное представление парциальных функций достигается при учете дополнительного условия в виде уравнения Гиббса-Дюгема, которое позволяет построить взаимно согласованную зависимость параметров взаимодействия первого и второго порядка. На этом основан «квадратичный формализм» Даркена [2] и формулы «модифицированного формализма параметров взаимодействия» Пелтона [3] для фаз произвольного состава.

Учитывая [4] соотношения больших по абсолютной величине параметров второго порядка

/

гх =

' 1//.

\2

дМе

\АХ J

Me. Ме,Х _ Ме,Х _ гу

А

Me „Ме ГХ

(Ме - Са или Mg, Ва, РЗМ; X - Б или О), следующих из уравнений Гиббса-Дюгема, концентрационная зависимость произведения растворимости [Ме][Х] фактически описывается двухпараметрическим уравнением

/ , \

\gKUeX-\g[Me][X] = e

[Ме] + -^[Х]

+гш ( [Mef + (А } 2 + 2

ч \

(1)

В последние годы для построения согласованной системы параметров взаимодействия применительно к металлическим расплавам с сильным отклонением от идеальности предложена аппроксимация концентрационной зависимости избыточной энергии Гиббса полиномами Редлиха-Кистера [5]:

^ -~1х>х1{лу+вЧ{хГх1

(2)

где параметры А¡¡, Вц определяются по экспериментальным данным или по известным значениям параметров взаимодействия по Вагнеру.

Однако результаты обработки накопленных к настоящему времени экспериментальных данных по равновесию в системе Fe-Ca-O показали, что использование полиномов Редлиха-Кистера первого порядка не обеспечивает существенных преимуществ по сравнению с тщательно параметризованным рядом Вагнера. Увеличение степени полинома делает расчет коэффициентов активности сложным вследствие появления большого числа слагаемых (вплоть до вкладов четвертого порядка).

Другой вариант описания концентрационной зависимости коэффициентов активности в системах Fe-Ca-O, Fe-Ca-Al-O и других базируется на модели ассоциированных растворов [6-8].

Рассмотрим модельную трехкомпонентную систему (А, В - растворенные вещества, С - растворитель) с образованием одного ассоциата АВ [8] по реакции А + В = АВ,

X атг X

к

ХАХВ [ХА •*)

(3)

где хА , хВ - молярные доли соответствующих компонентов до формирования ассоциата; х, хА, хВ - молярные доли ассоциата и компонентов раствора после установления равновесия (предполагается, что

ха < Хв << хС

). Коэффициент активности компонента А рассчитывался как отношение молярной доли неассо-циированного компонента к исходной, т.е.

ул = = Хл Х (аналогично для компонента В).

ХА ХА

При бесконечном разбавлении раствора параметры взаимодействия компонентов А и В равны константе ассоциации:

51пуя

дх.

- 1ип

дхя

Ит

*Л->0

дх

= -К.

(4)

в У у

Однако для раствора конечной концентрации хотя бы по одному компоненту результат несколько более сложный. Например, разложение в ряд частной производной дЫуА/дхв в окрестности ха = 0 дает дробно-рациональное выражение (остальные слагаемые отброшены вследствие их малости)

г'в =

ЬА

д\пуА

дхв

К

х°яК +1

(5)

Ха-*> в '

Таким образом, дробно-рациональное выражение для аппроксимации концентрационной зависимости коэффициента активности - естественное упрощение модели ассоциированных растворов.

В работе [8] предложено использование аппроксимации такого типа для описания кривых раскисления

для трехкомпонентной системы (С - растворитель; А, В - растворенные компоненты):

1пУл=1пУг +-

г(в)х

° А

(6)

{1-(р?/ф)хв)

Дальнейшее развитие идеи дробно-рациональной аппроксимации концентрационной зависимости коэффициентов активности предложено в работе [1]. Использование аппроксимации Паде [9] позволяет неявно учесть наличие слагаемых более высокого порядка ряда по Вагнеру, не рассматриваемых в рамках аппарата параметров взаимодействия (аналогично использованию квадратичного формализма Даркена или полиномов Редлиха-Кистера).

Сопоставляя дробно-рациональную аппроксимацию и выражения коэффициентов активности компонентов с рядом Вагнера или с использованием квадратичного формализма, получаем

=1ПУ^+-

в(в)х

ьА ЛВ

1-

Р Тхв

¿В)

рГ)ха

(7)

или (для нормировки активностей по отношению к 1%-ному раствору)

1 Е/А

[5]

(В)

е(в)

ЛАВ)

(8)

Таким образом, для описания концентрационной зависимости коэффициентов активности в жидкой стали в широких концентрационных пределах целесообразно использовать дробно-рациональные соотношения, совпадающие при бесконечном разбавлении с рядом Вагнера (Ме - Са или Mg, Ва, РЗМ, А1; X - S или О):

,, Л4!

^/хе=е'хМе)[Ме]1

\

Ме Г рм"

[Ме] + 2 Ме [X]

íЪJMe л

гМЛХ\,

С гМе „Ме

V

у \\

[Х] + 2 [Ме]

(9) (10)

0,001

8 О

0,0001 0,0100

* Экеперимент [24] □ Раечет

п

: *

и ^ 1

' ¡¿п О

1

0,1000 [А1], мае. %

1,0000

Рис. 1. Сопоставление экспериментальных данных [24] и результатов расчета равновесной массовой доли кислорода

Например, кривая раскисления жидкого железа алюминием (при условии, что [А1]>>[0] и при расчете коэффициента активности алюминия взаимодействием второго порядка с кислородом можно пренебречь)

ч ео

1ё^2о3 =1ё[А1]2[0]3+3^'[А1]/

2(е°[0] + е-[А1]), (11)

[А1] + 2^[0]

. А)

построенная на базе уравнений (9)-(10), хорошо согласуется с опубликованными экспериментальными данными вплоть до содержания алюминия 6-7 мас. % (см. рис. 1). При расчете кривой раскисления параметров взаимодействия по данным использовались значения

+ 0,011 [5], ^^ = -13,3 [12] (1873 К),

е£ = -4,1 и г^ = 5,5 [13]. Расчет равновесной массовой доли кислорода проводился путем решения нелинейного уравнения (11).

При раскислении жидкого железа кальцием оценка параметров е^ и по экспериментальным данным о растворимости кальция и кислорода в жидком железе в равновесии с СаО проводилась методом наименьших квадратов. Величина КСаО рассчитывалась по уравнению [1]

1ё*:СаО=-^Р + 7,60 , (12)

параметры которого рассчитаны по термодинамическим данным.

При использовании для обработки данных из различных источников за последние 30 лет получены следующие результаты:

еС0 = -4900; гСО = 3,10 • 106. (13)

Адекватность полученных оценок параметров взаимодействия и подхода к описанию концентрационной зависимости коэффициентов активности иллюстрируется рис. 2, на котором сопоставлены варианты расчета зависимости значений коэффициента активности кислорода от массовой доли алюминия в расплаве Бе-А1-Са-О. Первый вариант расчета выполнялся по формуле (темные треугольники на рис. 2; [А1], [О], я^Оз) - экспериментальные данные [11])

^Г^^/^Гз . (14)

И 3 (/и И [О]3 Второй вариант расчета (светлые

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком