Термодинамический анализ взаимодействия хрома с кислородом в жидком железе

Abstract

Изучение возможности взаимодействия хрома с кислородом при производстве хромсодержащих сталей является одной из практически значимых задач для сталеплавильного производства. В настоящей работе проведено термодинамическое моделирование фазовых равновесий в системе Fe-Cr-O в условиях существования расплава на основе железа (в интервале температур 1600-1800 °С). Термодинамический анализ был выполнен с использованием методики построения поверхности растворимости компонентов в металле, которая представляет собой диаграмму, связывающую изменения в составах жидкого металла с изменениями в составах образующихся продуктов взаимодействия. Для моделирования использовались данные по константам равновесия протекающих в расплаве реакций, а также значения параметров взаимодействия первого порядка (по Вагнеру) компонентов в жидком железе. В ходе работы было установлено, что в интервале температур 1600-1800 °С в качестве продуктов взаимодействия могут образоваться: жидкие оксидные неметаллические включения переменного состава (FeO, CrO, Cr₂O₃); твердые частицы феррохромита FeCr₂O₄; чистый твердый оксид хрома Cr₂O₃; твердые частицы соединения Cr₃O₄. Также были определены границы термодинамической стабильности данных оксидных фаз, образующихся в расплаве системы Fe-Cr-O. По результатам расчета проведена оценка раскислительной способности хрома в кислородсодержащем расплаве на основе железа. Определено, что максимум раскислительной способности хрома при 1600 °С приходится на область равновесия жидкого металла с твердым оксидом хрома Cr₂O₃, при этом минимальная концентрация кислорода составляет 0,0204 мас. % для 5,31 мас. % хрома. Полученные в ходе настоящего расчета результаты сопоставлены с имеющимися литературными данными. The study of the possibility of the interaction between chromium and oxygen during the production of chromium-containing steels is one of the practically important tasks for the steelmaking. In the present work, thermodynamic modeling of phase equilibria in the temperature range 1600-1800 °C for the Fe-Cr-O system was carried out. Thermodynamic analysis was performed using the method for constructing of the surface solubility of components in a metal, which is a diagram linking changes in the compositions of the liquid metal with changes in the compositions of the resulting interaction products. For the simulation, we used the data on the equilibrium constants of the reactions occurring in the melt, as well as the values of the first-order interaction parameters (according to Wagner) of the components in the liquid iron. In the course of the work, it was found that, in the temperature range 1600-1800 °C, the following products can be formed as interaction products: liquid oxide nonmetallic inclusions of variable composition (FeO, CrO, Cr₂O₃); solid particles of the ferrochromite FeCr₂O₄; pure solid chromium oxide Cr₂O₃; solid particles of the compound Cr₃O₄. The boundaries of the thermodynamic stability of these oxide phases formed in the melt of the Fe-Cr-O system were also determined. According to the calculation results, the deoxidizing ability of chromium in an oxygen-containing iron-based melt was evaluated. It is determined that the maximum deoxidizing ability of chromium at 1600 °C falls on the equilibrium region of the liquid metal with the solid chromium oxide Cr₂O₃, while the minimum oxygen concentration is 0.0204 wt. % for 5.31 wt. % chromium. The results obtained in the course of this calculation were compared with the available literature data.