Практикум по выполнению домашних заданий по курсу «Современные проблемы металлургии и материаловедения», страница 2

Исходные данные – температура процесса, исходное содержание фосфора в жидкой стали, состав окислительного шлака, содержание легирующего и примесного элементов  – приведены в приложении А. Для выполнения домашнего задания по теме «Дефосфорация жидкой стали» требуется:

1) Определить содержания кислорода и углерода в стали, приняв, что окисленность жидкого полупродукта контролируется окисленностью шлака для двух температур.

2) Определить коэффициент распределения фосфора для данного состава шлака для двух температур, степень дефосфорации и конечное содержание фосфора в жидкой стали при кратности шлака 5 и 10% соответственно. Сделать вывод о влиянии количества шлака на процесс дефосфорации.

3) Определить количество шлака (кратность в %) данного состава, необходимое для получения 0,005% фосфора в жидкой стали, при заданном начальном содержании фосфора в шихте при двух температурах.

4) Построить зависимости коэффициента распределения фосфора от температуры (в интервале значений от 1550 до 1800 °С) и от окисленности системы (активности FeO в интервале значений от 0,1 до 0,4). Сделать вывод о влиянии температуры и окисленности системы на процесс дефосфорации.

5) Определить количество шлака (кратность в %) данного состава, необходимое для получения 0,005% фосфора в жидкой стали, при заданном начальном содержании фосфора в шихте и содержании примесного элемента при температуре 1550 °С. Сделать вывод о влиянии примесного элемента на процесс дефосфорации.

Решение варианта № 0.

Распределение кислорода между металлом и шлаком описывается реакцией

,                    (1.1)

где  – изменение стандартной энергии Гиббса реакции, Дж/моль;

Т – температура, К.

За стандартное состояние железа принято – чистое жидкое железо, FeO – чистый жидкий оксид, для растворенного кислорода – гипотетический однопроцентный раствор кислорода в жидком железе, обладающий свойствами бесконечно разбавленного (здесь и далее символ 1%). В приложении Е приведены термодинамические данные наиболее распространенных реакций, используемых при расчетах металлургических процессов. Константа равновесия реакции (1.1) K_FeO имеет вид

,                                     (1.2)

где  R = 8,314 Дж/(моль·К) – универсальная газовая постоянная;

a_FeO – активность оксида железа в шлаке;

a_Fe – активность железа в жидком металле;

a_[O] – активность кислорода в жидком металле.

Поскольку жидкий металл представляет собой практически чистое железо, то . Активность кислорода равна произведению концентрации кислорода (массовая доля, %) на коэффициент активности . Коэффициент активности кислорода можно найти по массовым параметрам взаимодействия. По данным справочника Steelmaking Data Sourcebook [1] при 1600 °С параметр . Максимальная растворимость кислорода в жидком железе под шлаком из чистого FeO по данным Тейлора и Чипмана [2] при 1600 °С составляет  или [O]_max = 0,229%, при этом коэффициент активности будет равен  или f_O = 0,912. Содержание FeO в реальных металлургических (электросталеплавильных и конвертерных) шлаках, как правило, не превышает 40%, и равновесное содержание кислорода в несколько раз меньше максимального значения. Поэтому можно принять, что . Если окисленность металла контролируется окисленностью шлака, то равновесное содержание кислорода можно найти из выражения для константы равновесия K_FeO:

.                                   (1.3)

Взаимодействие углерода, растворенного в жидком металле, со шлаком описывается реакцией

.           (1.4)

За стандартное состояние углерода принят гипотетический однопроцентный раствор углерода в жидком железе, обладающий свойствами бесконечно разбавленного, для оксида углерода – чистый газообразный оксид СО под давлением 1 атм. (1 атм. – внесистемная единица, равная 101325 Па). Константа равновесия реакции (1.4) K_С имеет вид

,                                         (1.5)

где Р_СО – парциальное давление СО в газовой фазе;

a_[С] – активность углерода в жидком металле.