Доменное пр-во
Электрометаллургия
Конвертерное пр-во
Разливка стали
Популярные материалы

Свойства жидких сплавов железа

При изучении кинетики протекания процессов производства стали особый интерес представляет форма существования отдельных элементов в жидких сплавах железа. Это связано с тем, что, скорость подвода компонентов к месту реакции, а также скорость самой реакции зависят от того, в какой форме они находятся в расплаве.

Для определения формы существования элементов в жидком железе применяют различные методы. Одним из распространенных методов является термодинамический.

Термодинамику, как известно, не интересует форма существования компонентов, участвующих в реакции. Однако, подбирая уравнения реакций и соответствующих констант равновесия, можно в некоторой мере оценить количество реагирующих атомов и предположить вероятную форму их существования. С этой целью в металлургия исследует обычно реакции, протекающие между разными фазами: металлом и газом; металлом и шлаком; двумя взаимно не растворимыми металлами. Каждый из этих методов имеет определенные преимущества и недостатки по сравнению с другими.

Изучение реакции между металлом и газом наиболее просто, так как при этом можно легко контролировать равновесие и просто описывать полученные результаты. Однако изучение таких реакций применимо лишь к веществам, которые в условиях сталеплавильных процессов образуют газы. Наиболее близки к условиям производства стали процессы между металлом и шлаком, но недостаточность знаний о строении шлака часто затрудняет возможность составить суждение на основе полученных результатов. Распределение между двумя металлами вообще не происходит в условиях сталеплавильных процессов, однако, пользуясь принципом распределения, можно получить данные о природе некоторых жидких сплавов железа.

В качестве примера приведем выполненное Г. Дерджем исследование формы существования углерода в жидком железе. С этой целью изучали распределение меди между железом и серебром, которые взаимно не растворяются. Следует отметить, что углерод почти не растворяется в серебре и не взаимодействует с медью.

Опыты показали, что если рассматривать Fe, С и Сu как независимые частицы в жидком железе, то Ксu при данной температуре не является величиной постоянной и при содержаниях углерода в железе 0; 1,72 и 3,57% равно соответственно 0,234; 0,177 и 0,128. Если же принять, что углерод находится в железе в виде группировок (молекул) Fe3C, то величина Ксu сохраняет удовлетворительное постоянство и при указанных содержаниях углерода равно 0,234; 0,228 и 0,230 соответственно, т. е. не зависит от содержания углерода.

Полученный результат объясняется тем, что если учитывать молекулы Fe3C, то число частиц в расплаве железа будет меньше, а атомная доля меди соответственно больше, чем при рассмотрении атомов железа и углерода как независимых частиц. Это естественно, так как при объединении каждый атом углерода связывает три атома железа и из четырех частиц получается одна.

Наиболее вероятной комбинацией частиц С и Fe в железе являются группировки типа Fe3C.

Аналогичные приемы нашли применение в теоретической металлургии.

Интересную информацию о природе расплавов дает и другой метод исследования — анализ диаграмм состояния с использованием учения Н. С. Курнакова. Как известно, согласно этому учению, по форме кривых ликвидуса можно судить о возможности образования определенных соединений и их устойчивости в расплаве.

Наличие острого максимума и сингулярной (особой) точки на нем свидетельствуют об образовании химического соединения, устойчивого ниже и выше температуры плавления; пологий максимум — об образовании соединения при затвердевании и малой устойчивости его в расплаве; скрытый максимум — о слабой устойчивости соединения еще в твердом сплаве при температуре ниже температуры плавления и о полной диссоциации его при плавлении.

Ценные сведения о природе расплавов дает изучение его физических свойств. Примером этого являются описанные выше опыты по центрифугированию чугуна. Аналогичные опыты были проведены с другими сплавами. Важную информацию дает также определение вязкости, поверхностного натяжения, электропроводности и других свойств.

Рассмотрим возможные формы существования некоторых примесей в жидком железе. Особый интерес представляет углерод, являющийся непременным компонентом всех сталей.

Выше отмечалось, что соответственно термодинамическим исследованиям углерод находится в форме квазимолекул Fe3C. Но так как каждый атом углерода может быть равновероятно связан с любыми из ближайших соседних атомов железа, которые к тому же непрерывно меняются, можно предположить, что группировки Fe3C не устойчивы и обмениваются атомами с окружающим раствором.

Число ближайших к атомам углерода атомов железа (координационное число) в расплаве можно оценить, если учесть тип образующегося раствора и предположить, что при плавлении сохраняется ближний порядок в расположении атомов.

Атомы углерода располагаются в центрах или середине граней элементарных кубических ячеек, внедряясь в октаэдрических или тетраэдрических промежутках (порах) между атомами железа.

Твердые растворы внедрения образуются, если отношение радиусов атомов растворенного вещества и растворителя не превышает 0,59. Отношение радиусов атомов углерода (0,824 А) и железа (1,26 А) равно 0,65, т. е. больше приведенного выше. Поэтому внедрение атомов углерода сопровождается искажением кристаллической решетки и увеличением свободного объема. Это подтверждается уменьшением плотности расплавов с повышением содержания углерода.

Читать далее: Свойства жидких сплавов железа

Источник [4] → список литературы.

Вернуться в начало раздела: Физико-химические основы плавки стали
Вернуться на главную: Черная металлургия