Некоторые особенности применения уравнений физико-химического равновесия к сталеплавильным системам

Сталеплавильные системы не относятся к идеальным. Поэтому во всех уравнениях необходимо оперировать не концентрациями, а активностями. Если же данные об активности отсутствуют, вместо них в расчетах используют значения концентраций с определенными допущениями:

1. Активность железа принимается равной единице, поскольку по ходу сталеплавильного процесса содержание примесей в металле невелико, [% Fe] ? 100%; NFe ? 1; ?Fe ? 1 (по закону Рауля); aFe ? 1.

2. Активность вещества, насыщающего какую-либо фазу, равна единице, так как при равновесии системы упругости пара чистого вещества P0A и того же вещества, насыщающего раствор PA,нас, одинаковы. Поэтому по закону Рауля аA,нас = PA,нас/P0A = 1. Это условие справедливо, если в качестве стандартного состояния принимается насыщенный раствор. Когда же стандартным считается раствор произвольной концентрации, аA,нас ? 1. Так, например, если за стандартные принять однопроцентные растворы кислорода в железе и закиси железа в шлаке, то в насыщенном кислородом металле (при равновесии с чистой закисью железа и температуре 1873 К [% О] = 0,23) а[O] = 0,23%, в шлаке a(FeO) = 100%.

В этом случае соблюдается равенство химических потенциалов, а не активностей вещества в металле и шлаке.

3. Если расплавы разбавленные, то в уравнения констант равновесия вместо активностей вводят массовые проценты или мольные концентрации. Постоянство констант для таких расплавов обеспечивается близостью концентраций веществ к активностям либо неизменностью произведения коэффициентов активностей. Например, для известной в сталеплавильном производстве реакции [С] + [O] = [СО] константа равновесия

0053
(1.38)

По данным Фува и Чипмена, произведение fC fO почти не изменяется в широком диапазоне [% С] — от 0,01 до 2. С увеличением [% С] наблюдается уменьшение fO, но оно компенсируется ростом fC (fC fO ? 1). Поэтому условная константа 0054 в указанном интервале концентраций углерода в металле имеет приблизительно постоянное значение (около 500).

Для реакции раскисления стали кремнием [% Si] + 2[O] = (SiO2) истинная константа равновесия

0055
(1.39)

Однако, если содержание кремния в металле не выше 1 %, то можно пользоваться условной константой0056.

Постоянство K’Si при неизменной температуре обусловлено тем, что продукты раскисления насыщены кремнеземом (aSiO2 = 1), а произведение fSi f20 в интервале [% Si] = 0,01 ? 1 практически одинаково. Поэтому K?Si = KSifSif20 величина постоянная при неизменной температуре и отличается от истинной константы равновесия лишь числовым значением.

4. В уравнениях констант равновесия некоторых реакций, протекающих с участием веществ, растворенных в металле и шлаке, фигурируют лишь массовые проценты, так как нет точных значений коэффициентов активности. Такие условные константы сохраняют постоянство при неизменной температуре лишь в определенном интервале составов шлака и металла.

Пример. Для реакции [Mn] + (FeO) = (МnО) + [Fe] истинная константа равновесия

0057
(1.40)
(при [% Мn] ? 1%; a[Fe] = 1; f[Mn] = l).

При наличии кислых шлаков, насыщенных кремнеземом, можно использовать условную константу

0058
(1.41)

В кислых шлаках ?(FeO)/?(MnO) ? 4,0. Поэтому KМn, кисл, примерно в четыре раза больше истинной константы KMn. Однако для кислых шлаков величина KМn, кисл приблизительно постоянна при одинаковой температуре.

Истинная величина KМn экспериментально определена для системы Fe—Мn—О, т. е. при наличии в шлаке только FeO и МnО. В такой системе ?(FeO) ? ?(MnO) ? 1 (отсутствует взаимодействие между молекулами FeO и МnО; шлаковый расплав близок к идеальному).

В реальных высокоосновных шлаках0059и КМn, осн = 0060? KMn. Если же в основных шлаках значительно содержание SiO2 и Р2О5, которые неодинаково влияют на a(FeO) и a(MnO) (с повышением содержания кислотных окислов увеличивается коэффициент активности ?(FeO), уменьшается ?(MnО) и растет ?(FeO)/?(MnO)), то KМn.осн будет намного больше КMn.