Теоретическая часть. Лабораторная работа №5

Лабораторная работа №5

Исследование процесса выплавки и раскисления стали.

Цель работы: изучить принцип работы электрохимического датчика, научиться рассчитывать активности и концентрации кислорода в стали по ходу плавки.

Теоретическая часть

1. Электрохимические измерения в расплавах на основе железа и расчеты активности и концентрации кислорода.

Электрохимические измерения окисленности расплавов на основе же­леза широко используют в лабораторных исследованиях и начали при­менять в сталеплавильном производстве. Осуществление на практике надежных, хорошо воспроизводимых измерений активности кислорода в металлических расплавах методом э.д.с, несомненно, будет способ­ствовать совершенствованию технологии производства металла, в част­ности, стали и повышению ее качества. Сущность метода э.д.с с твердым электролитом состоит в том, что оксиды или твердые растворы оксидов, которые имеют повышенную концентрацию анионных вакансий в ионной кристаллической решетке, используют в качестве твердых электролитов в высокотемпературном концентрационном электрохимическом элемен­те.

Активность кислорода в расплаве рассчитывается по формуле:

где Е, Т – экспериментально измеренные величины э.д.с., В, электрохимического датчика и температура, К, расплава;

изменение энергии Гиббса реакции растворения кислорода в железе 1/2О₂ «[O], (Дж/мольО₂):

= -137118+7,79Т (5.1)

- равновесное давление кислорода оксида в электроде сравнения.

Таблица 5.1

Параметры взаимодействия кислорода в жидком железе

Параметр взаимодействия	при 1873 К	=f(T)
	-0,174	-1750/Т+0,76
	-0,45	-8428/Т
	-0,46	-158/Т+0,038
	-0,006	11,24/Т
	-0,026	-48,7/Т
	-0,137	-256,6/Т

При высоких температурах (t>1700˚С) и низких величинах активности О₂ в расплаве существенно увеличивается ошибка, связанная с наличием электронной проводимости в твердом электролите.

При этом активность кислорода рассчитывается по формуле:

(5.2)

где Р_е – параметр, учитывающий наличие электронной проводимости в твердом электролите.

Для расчета Ре получена следующая экспериментальная зависимость:

Lg(P_e)=-134300/Т+56,28

Концентрация кислорода рассчитывается по формуле:

[O]=a_[O] – exp(2,303·(е_о^о[O]-e_o^Ni[Ni]-e_o^Mn[Mn]-e_o^Si[Si]) (5.3)

Конструкция электрохимического датчика

Схема электрохимической ячейки для измерения активности кисло­рода в металлическом расплаве приведена на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Схема электрохимической ячейки: 1 - твердый электролит; 2 - электрод сравнения; 3 - корпус ячейки; 4 - токо­съемники; 5-нагреватель печи; 6-тигель; 7 - жидкий металл

Рис. 5.2. Схема электрохимической ячейки для непрерывных измерений ЭДС: 1-молибденовый токосъемник; 2 -алундовая трубка; 3 - твердый электролит; 4 -засыпка из порошка диоксида циркония; 5 -электрод сравнения; 6-магнези­товый корпус ячейки; 7-жидкий металл

Для измерения э.д.с колпачок из твердого электролита ZrO₂ (CaO) 1 и токосъемник 4 — пруток из Mo, W или Fe погружают, в жидкий ме­талл 7. В колпачок, наполненный порошком смеси металла и оксида (электрод сравнения), помещают молибденовую проволоку или тер­мопару. Электрохимический датчик перед погружением в расплав необ­ходимо в течение нескольких минут прогреть в высокотемпературной зоне печи. Погружение керамического колпачка в расплав без предва­рительного подогрева может привести к его растрескиванию и выходу датчика из строя. Для регистрации э.д.с. служит потенциометр, клеммы которого через изолированные провода соединены с токосъемником и электродом сравнения.

Для более детальных исследований поведения кислорода в расплаве в период окисления или раскисления металла используют непрерывные измерения э.д.с. электрохимического датчика и температуры в тиглях специальной конструкции, позволяющей поддерживать контакт твердого электролита с расплавом (рис. 5.2). По измеренным значениям э.д.с и температуры, известному содержанию компонентов в расплаве с исполь­зованием приведенных выше уравнений рассчитывают величины активности и концентрации растворенного в металле кислоро­да.

При автоматизированном ведении исследования измеряемые величи­ны электрохимического датчика и температуры засылаются непосред­ственно в ЭВМ, которая по заданной программе выполняет расчеты температуры металла, активности и концентрации растворенного кисло­рода.

В этом случае исследователь знает абсолютную величину концентра­ции кислорода в ходе эксперимента, может регулировать процессы окис­ления или раскисления, вносить в металл с этой целью необходимые при­садки, получить металл с заданным значением остаточной концентрации кислорода.

Описание экспериментальной установки

1. Назначение установки GW-MF-35KW.

Установка предназначена для получения высоких температур в

исследовательских, заводских и учебных лабораториях.

2. Техническая характеристика установки.

- Питающее напряжение - 380 В;

- потребляемая мощность - 90 кВт;

- максимальное рабочее напряжение - 9,5 кВ;

- ток сетки - не более 1,5 А;

- максимальная температура - 1800 С;

- время плавки - 20-30 мин.

Схема плавильной печи средней частоты GW-MF-35KW показана

на рис 5.3.

Рис. 5.3 Плавильная печь средней частоты GW-MF-35KW

Порядок расчета.

1. Введем данные, необходимые для расчета активности, концентрации кислорода.

2. Рассчитать изменение энергии Гиббса и равновесное давление кислорода оксида в электроде сравнения.

3. Определяем активность кислорода по уравнению (5.2).

4. Вычисляем [O], %, из уравнения (5.3) по методу половинного деления.

Контрольные вопросы

1. Как рассчитать активность кислорода в расплаве по величине измеренной э.д.с электрохимического датчика?

2. Как рассчитать концентрацию растворенного кислорода по данным электро­химических измерений?

3. Что такое электрод сравнения?

4. Что такое твердый электролит, какими свойствами он должен обладать?

5. Как можно учесть наличие электронной проводимости в твердом электролите при расчете активности кислорода по величине измеренной э.д.с?

6. Какова принципиальная схема электрохимической ячейки?

7. Каковы преимущества автоматизированных электрохимических измерений по сравнению с обычными?

Дата добавления: 2015-07-08