Практикум по выполнению домашних заданий по курсу «Современные проблемы металлургии и материаловедения», страница 14

,                                             (4.9)

где [O]^(R) – равновесное содержание кислорода с элементом, определяющим окисленность металла. До добавления алюминия;

 – молярные массы атомарного кислорода и глинозёма.

Подставляя [O]^(Si), [O]^(Al), M_O, в (4.9) найдём массу (%) первичных включений Al₂O₃

.

При охлаждении металла равновесное содержание кислорода будет снижаться, и избыток кислорода будет выделяться в виде включений, которые принято называть вторичными. Константа равновесия реакции (4.7) равна  при 1550 °С. Зависимостью коэффициентов активности алюминия и кислорода от температуры можно пренебречь, поскольку 1873/1823 = 1,027 ≈ 1. Тогда равновесная с алюминием активность кислорода при 1550 °С равна

.

Равновесное содержание кислорода

.

Масса образовавшихся при охлаждении жидкого металла на 50 °С вторичных включений

.

Таким образом, для варианта №0 при добавлении алюминия и его остаточном содержании на уровне 0,015% равновесное содержание кислорода составляет 4,8 ppm, а количество первичных и вторичных включений – 0,0136 и 0,0005 % масс. соответственно.

При одновременном раскислении несколькими раскислителями, например кремнием и алюминием, продуктами раскисления будут уже не чистые кремнезём (SiO₂) или глинозём (Al₂O₃), а химические соединения, в соответствии с диаграммой состояния системы SiO₂-Al₂O₃ (рис. 4.1). Глинозём и кремнезём образуют одно химическое соединение – муллит (3Al₂O₃·2SiO₂), температура плавления которого составляет 1815 °С. Поэтому при 1600 °С продуктом комплексного раскисления стали кремнием и алюминием будет твердое соединение (3Al₂O₃·2SiO₂).

Рисунок 4.1 – Диаграмма состояния SiO2-Al2O3 [6]

Равновесную активность кислорода в этом случае можно найти по реакциям

                                    (4.4)

                 (4.7)

.        (4.10)

Суммируя (4.4), (4.7) и (4.10), получаем

                            (4.11)

.

Константа равновесия реакции (4.11)

.                                  (4.12)

Поскольку образуется чистое твердое соединение, то . При 1600 °С константа равновесия равна . Для состава жидкой стали варианта №0 ранее подсчитано  и  . Подставляя в (4.12) получаем

 

.

Таким образом, при раскислении жидкой стали одновременно кремнием и алюминием состава варианта №0 ([Al = 0,015%, [Si] = 0,45%) равновесное содержание кислорода составит 9,9 ppm, что примерно в два раза выше, чем при раскислении одним алюминием. Отметим, что совместное раскисление может сопровождаться образованием растворов оксидов, например, при раскисления кремнием и марганцем. В этом случае, происходит  взаимное разбавление оксидов, их активности становятся меньше единицы и активность кислорода в металле снижается.

Удаление серы в восстановительный период происходит за счёт перераспределения её между металлом и шлаком. Важнейшим параметром процесса десульфурации является коэффициент распределения серы (L_S) между металлом и шлаком

,                                                            (4.13)

где (S), [S] – массовая доля серы (%) в шлаке и металле соответственно.

Чем больше коэффициента распределения, тем большее количество серы может перейти в шлак. Для расчета L_S можно использовать полуэмпирическое выражение

,                   (4.14)

где (%МеО) – массовая доля соответствующего оксида в шлаке, %;

a_[O] – активность кислорода в металле;

f_S – коэффициента активности серы в жидкой стали.

Как видно из (4.14) удалению серы способствует высокая основность шлака (в данном случае отношение (%CaO+%MgO) к (%SiO₂+%Al₂O₃)), высокий коэффициент активности серы в жидкой стали и низкая окисленность металла (восстановительные условия). Зная значение коэффициента распределения серы, конечное её содержание в жидкой стали можно рассчитать исходя из системы уравнений

,                              (4.15)

где m_Me, m_Шл  – массы металла и шлака соответственно;

[S]_H, [S]_K, (S)_H, (S)_K – начальные и конечные содержания серы в металле и шлаке, %.

Аналогично выводу конечного содержания фосфора в домашнем задании №1, для конечного содержания серы в металле получаем