ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВНОСТИ КОМПОНЕНТОВ РАСПЛАВА

Для термодинамического описания процессов, происходящих при получении стали, необходимо располагать данными по активностям компонентов раствора.

В общем случае под активностью ai понимают отношение парциального давления пара компонента над раствором к аналогичной величине для стандартного состояния компонента [5]:

. (29)

В стандартном состоянии активность компонента равна 1.

Растворы Fe–R (где R – S, P, O, N, C) при концентрациях, характерных для сталеплавильных процессов, являются разбавленными. В этих случаях за стандартное состояние удобно принять однопроцентный идеальный разбавленный раствор компонента в раствориВыражение для активности принимает следующий вид:

,

где – коэффициент активности, характеризующий отклонение от закона Генри;

– концентрация компонента в %.

Коэффициент активности компонента в растворе, состоящем из компонентов, можно определить по соотношению, предложенному Вагнером:

, (30)

где – параметр взаимодействия первого порядка;

– параметр взаимодействия второго порядка;

– перекрестный параметр взаимодействия.

Параметры взаимодействия определяются по экспериментальным данным соответствующей математической обработкой. Наиболее часто ограничиваются параметрами первого порядка, данные по которым наиболее представительны (табл. 7). В этом случае активность выражается достаточно просто:

. (31)

Таблица 5

Параметры взаимодействия в растворах на основе железа (1600 °С)

–0,2

–0,45

–0,133

–0,04

0,006

–0,021

–0,131

0,07

–0,34

0,14

0,046

–0,024

0,012

–0,012

0,08

0,051

–0,27

0,11

–0,028

–0,011

0

–0,026

0,063

0,29

Пример 1. Рассчитать активность серы в расплаве следующего состава, %:

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Решение: ;

;

;

.

Пример 2. Проанализировать влияние углерода на активность серы. Концентрация углерода в расплаве изменяется от 0,5 до 2,5%.

Решение. Выделим слагаемое, характеризующее влияние углерода, и представим активность серы в виде

,

где .

В случае расплава из примера 1 величина

Результаты расчета приведены в табл. 8.

Таблица 8

0,5

0,75

1,00

1,25

1,50

1,75

2,00

2,25

2,50

1,89

2,02

2,15

2,29

2,44

2,60

2,77

2,95

3,14

Таким образом, увеличение концентрации углерода в расплаве приводит к увеличению активности серы.

Пример 3. Методом ЭДС в легированном расплаве, содержащим 10% , 18% , 0,5% и в расплаве, содержащим 0,5% определено значение ЭДС=270 мВ, соответствующее . Рассчитать концентрацию кислорода в расплаве заданного состава, а также в расплаве, не содержащем легирующих.

Решение. Выраженная через концентрацию компонентов расплава и параметры взаимодействия первого порядка активность кислорода имеет вид:

.

Для .

В случае расплава с 0,5% концентрация кислорода равна .

Пример 4. Для процесса обезуглероживания, который описывается реакцией

, (32)

определить концентрацию кислорода, соответствующую равновесию с в железе. Расчёт провести для давления 1 атм и 0,1 атм.

Решение. Константа равновесия реакции (32) запишется в виде

.

Учитывая соотношение между изменением энергии Гиббса и константой равновесия, имеем

. (33)

Выразив активности углерода и кислорода через их концентрации, можем записать

.

Температурная зависимость изменения энергии Гиббса для реакции (32) с учётом того, что для кислорода и углерода за стандартное число принято состояние -ного раствора, имеет вид

.

Решая уравнение (33) для температуры 1773 К, получаем следующие концентрации кислорода: для давления 1 атм – 0,0032%; 0,1 атм – 0,0003%.