DETERMINAREA COEFICIENTULUI DE DIFUZIE A OXIGENULUI IN TOPITURI METALICE

Baza teoretica a lucrarii

Intensificarea proceselor metalurgice necesita cunoasterea fenomenelor fizico-chimice si in special a factorilor ce influenteaza viteza lor de desfasurare.

Procesele metalurgice de elaborare, turnare, tratamente termice si termochimice implica reactii chimice heterogene intre constituentii diferitelor faze, procese de difuzie si transfer de masa a unor componenti intre faze. Mecanismul desfasurarii unor astfel de procese cuprinde urmatoarele etape :

-difuzia si transferul de masa al reactantilor din volumele fazelor la interfata ;

-transformarile fizico-chimice la interfata ;

-difuzia si transferul de masa al produselor de reactie de la interfata in volumele fazelor.

De cele mai multe ori viteza globala a unui proces este limitata de viteza de desfasurare a fenomenelor de difuzie si transfer de masa. Din acest motiv, cunoasterea legilor ce guverneaza fenomenele de difuzie si transfer de masa prezinta o deosebita importanta in aprecierea cantitativa sau calitativa a modului de desfasurare a proceselor metalurgice.In figura se prezinta difuzia oxigenului in sistemul zgura-baie metalica. Sensul sagetilor depinde de continutul de oxigen al zgurii si respectiv al baii metalice.

At

(O)_v

Zg (O)_i

[O]_i

B.m. [O]_v

Fig. 1 Difuzia oxigenului in sistemul zgura-baie metalica.

(O)_v este continutul de oxigen din zgura ;

(O)_i este continutul de oxigen din zgura la interfata ;

[O]_i este continutul de oxigen din otel la interfata ;

[O]_v este continutul de oxigen din otel.

Daca zgura este saraca in oxigen atunci fluxul de oxigen va fi de la baia metalica spre zgura, realizandu-se o dezoxidare prin difuziune. Daca zgura este bogata in oxigen atunci fluxul de oxigen va fi de la zgura spre baia metalica in sensul alimentarii cu oxigen a baii metalice, realizandu-se astfel oxidarea elementelor insotitoare a Fe.

Transportul de masa difuziv este descris cantitativ de legile lui Fick, asa cum transferul de caldura este redat de legile lui Fourier.

Coeficientul de difuzie D_i al unei particule din componentul i aflat in amestec sau in solutie este definit prin legea intaia a lui Fick :

D_i = - [m²/s],

Unde F_i este fluxul molar de substanta difuzata in unitatea de timp si pe unitatea de suprafata.

C_i este concentratia componentului i in cele doua faze.

Daca componentul i devine identic cu solventul, procesul este denumit AUTODIFUZIE si poate fi observat numai daca identitatea particulelor difuzante poate fi recunoscuta de exemplu prin utilizarea izotopilor radioactivi. Modificarea concentratiei speciei difuzante in timp este descrisa de legea a doua a lui Fick:

= div (D_i, grad C_i)

sau considerand ca i este oxigenul: C_i = 0

= D₀ ( + + )

.

Valoarea coeficientilor de difuzie este influentata de temperatura, de natura elementului dizolvat si a solventului, de concentratia in solutie, etc .In metalele si aliajele solide coeficientii de difuzie au valori de ordinul 10^-16 m²/s, in timp ce in metalele si aliajele lichide valorile sunt de ordinul10^-8-10^-11 m²/s. In rezolvarea practica a proceselor de difuzie este necesar sa cunoastem valorile coeficientilor de difuzie care depind de concentratie si temperatura. Dependenta de temperatura a coeficientilor de difuzie in lichide poate fi exprimata prin ecuatia:

D = D₀·e^-E_d/RT,

in care:D₀ este coeficientul de difuziune corespunzator lui E_d = 0;

-E_d este energia de activare.

Determinarea coeficientilor de difuzie se poate face prin mai multe metode :

-analitica pe baza ecuatiilor lui Fick ;

-potentiometrica ;

-determinarea gradientilor de concentratie ;

-masurarea vitezei de rotatie a unui disc ;

Dintre aceste metode, cea potentiometrica este cea mai des utilizata. Aceasta metoda are la baza determinarea variatiei fortei electromotoare in timp, ca urmare a regimului nestationar al difuziei intr-o coloana de metal care este in contact cu un electrolit solid. O alta metoda des folosita pentru determinarea coeficientului de difuzie a oxigenului in metale lichide este cea a discului refractar rotitor. Prin modificarea greutatii discului si in functie de numarul de rotatii a acestuia se calculeaza coeficientul de difuzie a oxigenului. Datorita suprafetei rugoase a discului de lucru si ca urmare a convectiei naturale care incepe sa apara la rotiri mici pe model, erorile sunt considerabile.

Tehnica experimentala.

Se utilizeaza o celula galvanica ca in figura cu ajutorul careia putem determina coeficientul de difuzie al oxigenului in topituri metalice la temperaturi mai mari de 1500sC. Pentru aceasta se masoara curentul de ionizare ce trece prin celula :

Pt(P_O2 = 0,21 atm) / ZrO₂ + CaO / Me[O]_top

La aplicarea tensiunii in celula, va trece curentul de ionizare a carei valoare va fi determinata de trecerea ionilor de oxigen prin electrolitul solid deZrO₂ sinterizat cu CaO. Trecerea ionilor de oxigen se determina in functie de diferenta de concentratie de oxigen in volumul topiturii si la interfata electrolit solid-metal lichid.

B

1413

A

141

Figura 2 Schema instalatiei

1-metalul lichid interior ;

2-tubul de ZrO₂ (electrolit solid) ;

3-creuzetul cuptorului cu inductie de 10 kg ;

4-metalul lichid exterior ;

5-sursa de tensiune variabila ;

6-electrozi de crom ;

MODUL DE LUCRU

Metalul lichid din interiorul tubului deZrO₂ este introdus cu lingura dupa ce s-a realizat baia metalica in cuptorul cu inductie de 10 kg capacitate. Apoi tubul de ZrO₂ cu metalul lichid este imersat in topitura metalica a cuptorului. Se introduc electrozii de crom si se aplica o tensiune care sa asigure trecerea prin celula galvanica a curentului de conductie ionica. Datorita faptului ca tubul de ZrO₂ are o conductibilitate pur ionica care creste cu temperatura si cu tensiunea aplicata, curentul ionic ne va indica cantitatea de anioni de oxigen care va difuza.

SCOPUL LUCRARII

Determinarea coeficientului de difuzie a oxigenului in topituri metalice la temperaturi mai mari de 1500sC. Aceste valori sunt necesare pentru optimizarea proceselor de rafinare a metalelor lichide.

RELATII DE CALCUL

Curentul ionic de difuzie se calculeaza cu relatia:

I_ion=8π·h·F·D₀·[C₀₍₁₎-C₀₍₂₎]·e

Unde: I_ion-curentul ionic care trece prin celula ;

h-inaltimea coloanei de metal lichid ;

F-constanta lui Faraday ;

D₀-coeficientul de difuzie a oxigenului ;

C₀₍₁₎, C₀₍₂₎-concentratiile de oxigen initiala si finala ;

- prima solutie a functiei Bessel de ordinul zero ;

t-timp ;

r-raza tubului care contine metalul lichid.

C coeficientul de difuziune a oxigenului se stabileste pe baza relatiei:

=tg

-unghiul de inclinare a dreptei de variatie a curentului ionic I_ion=f(t)

Rezulta D₀=-

Aceasta metoda prezinta avantajul ca se poate determina coeficientul de difuzie al oxigenului , fara ca acest rezultat sa fie influentat de contactul dintre electrolitul solid si metalul lichid la temperaturi ridicate (peste 1500sC).

APLICATIILE LUCRARII

Optimizarea proceselor de dezoxidare si desulfurare. Intensificarea proceselor de difuzie a oxigenului in vederea intensificarii afinarii sau a dezoxidarii prin difuziune.

LUCRARI IN PERSPECTIVA

Determinarea coeficientului de difuzie al oxigenului in oteluri calmate, slab aliate sau aliate. Influenta gradului de aliere a otelului asupra coeficientului de difuzie a oxigenului. Determinarea coeficientului de difuzie al oxigenului in aliaje neferoase(bronzuri cu aluminiu, sau aliaje de aluminiu).

INTREBARI RECAPITULATIVE

Cum influenteaza temperatura coeficientul de difuzie al oxigenului ?

De cine depinde valoarea curentului ionic ?