Изучение влияния фосфора на плотность и поверхностные свойства железа
Украинская Ассоциация Сталеплавильщиков

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ФОСФОРА НА ПЛОТНОСТЬ И ПОВЕРХНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ЖЕЛЕЗА

Машнина Е.В. (МС-06М), Приазовский государственный технический университет
Руководитель – д.т.н., профессор кафедры МС Харлашин П.С.

Известно, что поверхностные явления существенно влияют на окислительные реакции примесей в сталеплавильных процессах.

Цель проведенной работы - исследование термодинамических и физических свойств расплавов железо-фосфор.

Определение поверхностного натяжения расплавов железо-фосфор осуществлялось в ряде работ, в которых показано, что фосфор является поверхностно-активным элементом, который снижает поверхностное натяжение жидкого железа.

С целью подтверждения или опровержения данных, полученных в других работах, на кафедре металлургии стали Приазовского государственного технического университета была разработана установка и предложена методика, позволяющая изучить влияние фосфора на интересующие свойства железа.

В опытах использовали железо высокой степени чистоты, плотность чистого железа изменялась в интервале от 7,15 г/см3 до 7,2 г/см3. Концентрация фосфора, вводимого в расплаве железа, изменялась от 0,006 до 0,24. После введения примеси – плотность в интервале изучаемых концентраций изменялась неsзначительно.

Исследование призводили при температуре t=1600°C, в печи в атмосфере очищенного аргона. При этом поверхностное натяжение чистого железа изменялось в интервале 1855-1860 Эрг/см2.

В настоящее время для расчета величины капиллярной постоянной по размерам капли пользуются методикой, предложенной С.Н. Попелем. Этот способ отличается простотой и обеспечивает достаточную точность расчета экспериментальных значений поверхностного натяжения. Для определения поверхностного натяжения расплава Fe-P была использована именно эта методика.

При известных значениях плотности обеих фаз и експериментально найденных размеров капли была найдена капиллярная постоянная a.

Так, при использовании данной методики, поверхностное натяжение извучаемого расплава было определено по следующей формуле:

Результаты измерения величины поверхностного натяженияи других поверхностных свойств для сплавов железа с фосфором сведены в таблице.

Таблица. Поверхностные свойства сплавов железо-фосфор.

Поверхностные свойства сплавов железо-фосфор

Изменение поверхностного натяжения с увеличением содержания фосфора в расплаве с железом следующее: оно снижается от 1855-1860 эрг/см2 для чистого исходного железа до 1680 эрг/см2 для сплава, содержащего = 0,2 вес.% фосфора. При этом, стоит отметить, что в пределах первых значений интервала содержания фосфора снижение величины поверхностного натяжения железа происходит более интенсивно.

Следовательно, напрашивается вывод, что введение в железо фосфора сопровождается ослаблением межчастичных связей.

Поскольку электроотрицательность фосфора сравнительно выше электро-отрицательности железа, то электроны соседних атомов железа стремятся сместиться к атомам фосфора. Таким образом, уменьшение когезии возникает в следствие ослабления взаимодействия между атомами железа и сочетаниями Fe-Fe-P.

Значения адсорбции фосфора, рассчитаны с помощью уравнения Гиббсам и также сведены в таблицу. Адсорбция увеличивается с ростом концентрации фосфора, но не достигает максимума. Поэтому, поверхностный слой расплава не достигает насыщения.

В пределах изученных концентраций фосфора, он не оказывает существенного влияния на адгезию фаз.

В результате исследований удалось сравнить расчетные и экспериметальные данные, получить ряд зависимостей. позволяющих болем полно рассмотреть влияние фосфора на поверхностные свойства железа. Эти исследования позволили также определить величину адсорбции компонентов расплавов, краевой угол смачивания и адгезию.