[发明专利]一种高温金属熔体中溶质组元活度系数的测定方法

说明书

技术领域：

本发明属于高温冶金实验领域，特别是涉及一种高温金属熔体中溶质组元活度系数的测定方法。

背景技术：

金属熔体如钢水、铁水等，不仅是火法冶金过程的主要产品，也是冶炼过程中多相反应的直接参加者。炼钢过程中的许多物理过程和化学反应都是在钢液与熔渣间进行的，金属熔体的物理化学性质对冶炼过程热力学和动力学都有重要影响。

冶金过程中的金属熔体溶有多种非金属元素和金属元素。为了改善钢的机械性能和使金属具有各种特殊性能，通常向钢中加入各种合金元素，如硅、锰、铬、镍、钴、钨、钼、钒、钛、铌、锆、硼和稀土元素等。熔铁中各种溶质元素不仅与铁发生作用，各溶质元素之间也会发生相互作用，这都会影响到熔体的物理化学性质。熔铁中各元素之间的相互影响，可以通过彼此对活度系数的影响显示出来。因此，有必要研究溶质组元在熔融金属中的活度及活度系数等相关热力学数据，这是了解溶质组元在金属熔体/熔渣两相间的分配比以及金属熔体热力学性质的关键。金属熔体中组元的活度及活度系数等是冶金生产中充分利用各种有益元素、合金钢精炼工艺的优化与控制、开发新钢种的必要热力学依据，对发展金属熔体理论也有非常重要的作用。

研究金属熔体中组元活度与活度系数的普遍方法为测定组成气流的化学平衡法，原理简述如下。测定[M]在金属熔体中的热力学性质，可以设计如下的气-液-固或气-液-渣的化学平衡。利用还原性气体使氧化物或熔渣中的M组分还原进入金属相，待体系达到高温平衡时，将金属熔体淬冷分析，从分析结果中计算出组元M的活度系数。

[M]_(l)+x/2O₂＝(MO_x)_(s)

其中(MO_x)_(S)表示纯氧化物或熔渣中的氧化物MO_x，[M]₍₁₎表示金属熔体中的M。当反应在一定温度下达到平衡时，其平衡常数可表示为：

则

可以看出，当反应体系的氧分压为定值，氧化物MO_x的活度已知时，就可以计算出金属熔体中[M]的活度系数。然后根据wagner方程，可拟合出金属熔体中溶质组元间的活度相互作用系数。

采取气-液-固或气-液-渣平衡时，两种情况下反应的平衡常数是相同的。但采用气-液-固平衡时α_MOx＝1，而采用气-液-渣平衡时α_MOx<1，故两种情况下金属熔体中的M的含量不同。由于wagner方程具有局限性，适用于溶质浓度较低的溶液。因此对于熔铁等合金元素溶解度较大的情况，为了降低熔铁中合金元素的含量，实验多选取气-液-渣平衡。

此时，需要知道熔渣中MO_x的活度，方可根据金属熔体中M的含量及气相组成计算出熔体中M的活度系数，因此获得MO_x在熔渣中的活度数据是该研究的关键。但熔渣中MO_x的活度系数与温度，碱度、氧分压和熔渣成分都有关，且冶金熔渣多为五、六种或更多的氧化物组成，特别是在向钢中加入多种合金元素时，熔渣组分的多样性与熔渣中元素M不同价态氧化物的存在使得多元渣中MO_x活度系数的测定较为复杂与困难。目前的处理方法是：实验多选取气-液-固平衡或预先测定每一熔渣组成中元素M的氧化物在熔渣中的活度系数，再测定金属熔体中M组元的活度系数。

由于熔渣体系组成多样且高温冶金实验难度大、费用高，这种分别测定熔渣和金属熔体性质的方法使得冶金实验更为复杂。因此，设计一种新的高温金属熔体热力学性质的研究方法，在一次高温实验中即可以测定金属熔体组元的活度系数。不仅可以降低高温冶金实验的难度、减少实验费用，而且得到的数据也更为准确、可靠。

发明内容：

本发明的目的，是提供一种全新的双坩埚参比的研究方法，可以解决熔渣中氧化物活度系数未知的问题。克服了目前将熔渣和金属液分别研究的缺陷，可以在一次高温实验中得到金属熔体溶质组元M的活度系数以及其他热力学性质。

该方法包括两个实验组反应坩埚与一个参比坩埚，在同一次实验同一气氛下平衡；参比坩埚中选取一种合适的参比金属与MO_x氧化物进行平衡，以测定金属M在参比金属中的活度系数，要求该参比金属在实验气氛下不会被氧化、不会影响熔渣的成分，此外还要求金属M能溶解在该金属中在实验条件下形成稀溶液；