Активность кислорода в жидкой стали

– Задача. По значениям э.д.с. кислородного концентрационного элемента определить активность кислорода в жидкой стали 08 кп в конвертере и в ковше.

– Исходные данные. 1. Измерена э.д.с. кислородного концентрационного элемента [5]:

– Mo

– Mo + MoO2 (электрод сравнения)

– ZrO2×Y2O3 (твердый электролит)

– Жидкая сталь 08 кп (анализируемый металл)

– Mo

– Анализировали пробы металла, отобранные в конвертере и в ковше. Результаты измерения э.д.с. [5] приведены в таблице.

– 2. Парциальное давление кислорода для электрода сравнения

Mo + MoO₂: = (-27550/ T) + 7,38.

– 3. Константа равновесия реакции растворения кислорода в жидком железе

O_2(г) = [O], lg K = 6110/ T + 0,151.

Величина э.д.с. кислородного концентрационного элемента и активность кислорода в жидкой стали 08 кп

Место отбора пробы металла	T, К	Э.д.с., В	a O
Конвертер		0,146	0,0870
Ковш		0,178	0,0482

– Теория. В приведенном концентрационном элементе э.д.с. возникает вследствие различия термодинамической активности кислорода в анализируемом жидком металле (в стали 08 кп) и электроде сравнения (смеси Мо + МоО₂). Величина э.д.с. кислородного концентрационного элемента определяется уравнением Нернста:

Е =(RТ /2 F)ln (1.27)

– или

Е = (RТ /4 F)ln , (1.28)

– где F - электрохимическая постоянная (число Фарадея), F = 96485 Кл/моль; – активность кислорода в электроде сравнения и в анализируемом металле; - парциальное давление кислорода в газовой фазе, равновесной с электродом сравнения и исследуемым расплавом соответственно.

– В качестве электрода сравнения выбирают вещество с известной активностью или равновесным парциальным давлением кислорода. В соответствии с уравнением (1.28)

.

– Для определения величины воспользуемся константой равновесия реакции растворения кислорода:

(1.29)

– Решение. Подставляя в уравнение (1.29) выражения для константы равновесия K и парциального давления а также значения констант F и R, получаем

– Рассчитанные значения активности кислорода приведены в таблице в исходных данных.

– Примечания. 1. В качестве твердого электролита, как правило, применяют стабилизированный диоксид циркония, обладающий практически 100 %-ной ионной (по кислороду) проводимостью. При измерении активности кислорода в хорошо раскисленном металле ([% О] < 0,0010) при высоких температурах (> 1873 К) следует учитывать электронную составляющую проводимости. В этом случае [5]

.

– Для диоксида циркония, стабилизированного оксидом кальция,

lg p_e = (-68400/ T) + 21,59.

– 2. Наряду со смесью Мо–МоО₂ (~ 10 % МоО₂) в качестве электрода сравнения часто используют смесь Cr–Cr₂O₃ (2–5 % Cr₂О₃). В этом случае

= (-39425/ T) + 8,94.

– 3. На основе определения активности кислорода методом э.д.с. создан прибор для экспрессного определения содержания кислорода в стали [5].