IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

Добавки кремния в углеродистые стали, а также в хромистые нержавеющие стали, увеличивает их жаростойкость при повышенных температурах. Введение кремния в сталь способствует также повышению ее стойкости в агрессивных средах. Совместное влияние этих элементов друг на друга, а также на растворимость кислорода в расплавах железа изучено еще недостаточно и рассматривается в довольно ограниченном числе работ [1-3]. В связи с этим, представлялось актуальным проведение дополнительных экспериментальных исследований для подтверждения описанных выше результатов и более подробного изучения термодинамики этого вопроса.

Изучение растворимости кислорода в данной системе осуществлялось при постоянном содержании хрома (8.6%) и переменной концентрации кремния, а также при постоянном содержании кремния (1.0%) и переменной концентрации хрома. Полученные результаты для первого случая представлены на рисунке 1 в сравнении с данными, приводимыми в литературе.

Анализируя данные рисунка 1 можно сделать заключение о том, что добавление хрома к Fe-Si расплаву, увеличивает концентрацию в нем кислорода, при одном и том же содержании кремния, что свидетельствует о снижении раскислительной способности Si в присутствии Cr.

Исследования показали, что при постоянном содержании кремния в расплаве минимум на кривой растворимости кислорода отсутствует, и растворимость непрерывно возрастает, т.к. Si снизил содержание кислорода до такого уровня, что Cr ведет себя в этом случае как легирующий элемент, вносящий дополнительное количество кислорода.

Нами были проведены термодинамические расчеты, учитывающие возможность образования в шлаковой фазе различных продуктов в соответствии с диаграммой фазовых состояний в системе "CrO-SiO₂".

Равновесие в расплавах системы Fe-Cr-Si-О определяется следующими реакциями и соответствующими им константами равновесия:

Считая, что оксиды хрома и кремния образуют совершенные растворы, и заменяя активности этих оксидов на мольные доли, можно получить зависимость состава шлаковой фазы от состава металла, обозначив отношение  через "b":

Концентрационные зависимости  и , были определены по предлагаемой нами методике:

Используя выражение для коэффициента активности кислорода:

можно получить формулу для расчета растворимости кислорода в области образования растворов переменного состава:

При достижении насыщения шлакового расплава оксидом кремния (IV) происходит его выделение в отдельную фазу и в этом случае равновесие в системе определяется только реакцией и уравнением (2), из которого можно определить, растворимость кислорода:

Растворимость кислорода в системе Fe-Cr-Si вычисленная по формулам (3) и (4) для 1600°С, приводится на рисунке 1.

В связи с тем, что экстраполяция формулы (3) на нулевую концентрацию Si приводит к растворимости кислорода в соответствующих Fe-Cr расплавах, прогнозируемую растворимость кислорода в области образования растворов переменного состава можно считать вполне достоверной.

В области концентраций хрома свыше 50% считали, что в шлаковой фазе образуются силикаты хрома. Равновесие определяется реакцией:

Константа равновесия реакции (5) (в мольных долях), была найдена термодинамически с использованием справочных данных:

Растворимость кислорода при этом определяется из формулы:

Как показали расчеты по формуле (6) для расплавов с 60%Cr растворимость кислорода при 1650°С удовлетворительно совпадает с экспериментальными данными.

Из рассмотренного можно сделать заключение, что в области образования растворов переменного состава растворимость кислорода надо прогнозировать по формуле (3), до 50%Cr - по (4), а выше - по (6).

Выводы: 1. Предложены термодинамические уравнения (4) и (5) для определения коэффициентов активностей хрома и кремния в системе Fe-Cr-Si.

2. Определены пределы растворимости оксида кремния (IV) в оксиде хрома (III) в зависимости от состава металлической фазы.

3. Установлены области существования расплавов оксидов переменного состава и чистого оксида кремния (IV).

4. Расчетами подтверждено наличие на экспериментальных кривых "активность кислорода - концентрация кремния" участков с относительно постоянной активностью кислорода вследствие образования в этих областях тугоплавких силицидов хрома.

5. Обосновано снижение раскислительной способности кремния в присутствии хрома по сравнению с раскислением чистого железа.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Коврига Е.В., Данилин В.Н., Шевцов В.Е., Бондаренко В.И. Равновесие в системе железо-кремний-кислород-жидкие силикаты железа // Объединенный научный журнал. - М.: Изд-во Тезарус, 2003. - № 6 (64).

2. Шевцов В.Е., Бровков В.А., Штраух В.П. Термодинамика растворов кислорода в системе Fе-Cг-Si. // В кн.: Физико-химические основы процессов производства стали: Сб. трудов. - М.: Наука, 1979.

3. Красильников B.C., Явойский В.И., Григорьев В.П. и др. К вопросу о раскислительной способности кремния в присутствии хрома. - М.: Изв. ВУЗов. Черная металлургия, 1975. - № 9.

Код для цитирования: Скопировать