МЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА – Часть 31

Диффузионный поток железа описывается выражением:

7Pe = DB(3/VFeQ)Ay, (85)

Где ?)в_ коэффициент диффузии вакансий ионов железа; ^Feo – молярный объем FeO; Ду— разность концентраций ва­кансий на пути диффузии.

Формула (85) удобна, поскольку Db не зависит от у,

Т. е.

Г »’ 1 • • V – .’•*

Ф ‘¦* j.’..-1 • ‘ ¦ • ,

Где DVe ~ коэффициент самодмффуэда железа в вюстите.

Введя толщину слоя С, и проведя дальнейшие преобразова – ния, получили

4 FeO с‘ ;

Где I— поток вещества в слое вюстита; |z| – абсолютная величина заряда диффундирующего дефекта; D – коэффициент

Самодиффузии кислорода; с и с’ – концентрации дефектов на обеих фазовых границах, причем с – меньшее из этих значе­ний.

Ii / * *

Принимая I z I = 2; с > с и D^ > Dq, получили 4

Ъ FeO

Если принять, что скорость увеличения толщины слоя продукта восстановления пропорциональна скорости диффузии через него и обратно пропорционально толщине слоя, то

DC/dr = kD(Lc/0, (89)

Где Lc – разность концентраций диффундирующего компонен­та; к— коэффициент пропорциональности.

Интегрируя уравнение (89) в пределах от О до т, полу­чили.

< = / IkDLcT . (90)

Используя закон Фика, ¦ <\< »•

J = FV DLchkx, у, <91)

Где F – площадь, через которую проходит диффузия.

Таким образом, при неизменной разности концентраций диффундирующих компонентов на границах слоя его толщина (степень восстановления) увеличивается пропорционально r0,s, а скорость диффузии через слой (скорость восстанов­ления) убывает пропорционально т0,5. На практике в ход® 68

Восстановления меняются градиент концентрации и фронт диффузии. Это искажает полученную выше зависимость.

По вопросу о том, какой ион диффундирует, нет единого мнения. Большинство специалистов склоняются к тому, что в магнетите и вюстите диффундируют преимущественно катионы железа, а кислород относительно неподвижен. Наряду с диф­фузией в невосстановленном продукте идут твердофазные реакции, например, Fe3O4 + Fe = 4FeO; 4Fe203 + Fe = =3Fe304.

Без твердофазных реакций представить себе процесс вос­становления невозможно. Удельная поверхность пор в желе­зорудных материалах, замеренная методами ртутной поромет – рии, составляет величину 0,2-0,5 м2/г. Примененные методы не позволяют получить надежные данные по пористости с размером пор < 10-30 нм. Учитывая это, а также то, что восстановление идет с уменьшением молярного объема мате­риала примерно в два раза, условно приняли удельную по­верхность пор 1,5 M2Zr. Приняли также доступную для про­никновения газа толщину слоя металла на поверхности пор равной 10 нм. Тогда объем доступного для газа – восстановителя твердого оксида составит

1,5 • IO4 • IO"6 = 1,5 • IO"2 см’/г. Общий объем твердого оксида при его плотности 4 г/см3 составит 2,5 • IO"1 см3/г. Таким образом, объем твердого оксида, доступного в течение всего процесса восстановления для проникновения газа восстановителя, составит величину ~Ю% от всей массы твердого оксида. В этом расчете не учтено явление спекания металлического железа, которое, как указано выше, активно идет при температурах > 900 0C и существенно снижает пористость. В связи с этим следует утверждать, что в любых условиях восстановления на втором его этапе лимитирующими должны быть процессы в твердой фазе. В поддержку этого мнения накоплено много фактичес­кого материала. Приведем лишь следующее.