Образование оксидных фаз

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

1. Образование оксидных фаз

2. Физико-химические процессы плавки стали

3. Флюсы: состав, назначение, свойства

4. Активность вещества. Коэффициент активности

5. Закон Гесса

6. Термодинамические свойства элементов металлургических систем



Для термодинамического процесса, описываемого уравнением реакции CaO + 3C = CaC₂ + CO, рассчитать для температуры 298К: тепловой эффект, изменение энтропии, изменение изобарного потенциала, составить уравнение зависимости истинной теплоемкости от температуры; составить уравнение для определения константы равновесия реакции

Выполнить расчет шихты для плавки серого чугуна ВЧ60 ГОСТ 1412-85 в электродуговой печи



1. ОБРАЗОВАНИЕ ОКСИДНЫХ ФАЗ

Образование оксидных фаз - ??? процесс, обратный процессу диссоциации оксидов. В общем виде он описывается уравнением реакции

2Ме_(т) + О₂ = 2МеО_(т).

В плавильных агрегатах твердая металлическая шихта еще до расплавления часто подвергается длительному воздействию окислительной атмосферы. В результате на ней образуется слой оксидов. Образующийся оксид является самостоятельной конденсированной фазой, которая препятствуют дальнейшему непосредственному контакту металла с окислительной газовой фазой. При расплавлении металлических материалов оксидная фаза может расплавиться и перейти в шлак или остаться в растворённом металле. сталь металлургический теплоемкость равновесие

Скорость окисления и рост оксидной фазы обуславливается механизмом переноса реагирования веществ внутри уже образовавшегося слоя оксидов и реакциями на межфазных границах.

Превращения, которые сопровождаются исчезновением одних и возникновением других твёрдых тел, относятся к классу топохимических реакций, у которых основные взаимодействия протекают на поверхности раздела кристаллических фаз.

Процесс окисления является сложным и многостадийным. Развитие его связано с толщиной и природой имеющейся или образующейся оксидной фазы и возможностью протекания в ней диффузионных процессов.

Оксиды таких металлов, как алюминий, свинец, цинк, никель, хром, железо характеризуются большим молекулярным объёмом по сравнению с атомным объёмом металла, израсходованного на их образование (V_Meo - V _Me > 0). На таких металлах образуются сплошные плотно прилегающие оксидные слои, которые обладают высокими защитными свойствами от окисления.

В случае если V_Meo - V _Me < 0, то образуется пористый слой оксидов, не оказывающий диффузионного сопротивления, через него окислительный газ легко проникает к поверхности оксид-металл. Это наблюдается у кальция, натрия, кадмия и др.

В случае если происходит окисление металлов, образующих различные оксиды, то они располагаются послойно в соответствии с термодинамическими свойствами. К примеру, железо с кислородом образует оксиды FeO, Fe₃O₄, Fe₂O₃. Обычно к металлу прилегают оксиды FeO, а в наружном слое образуется Fe₂O₃. При повышенных температурах преимущественно образуется FeO, при температурах ниже 570°С большую часть окалины составляетFe₃O₄.

2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПЛАВКИ СТАЛИ

Сталь нельзя сразу получить из железной руды. Обязательно сначала получают чугун, а затем из него можно выплавить сталь. Однако при выплавке стали используют в небольшом количестве железную руду. Основными исходными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап). Содержание углерода и примесей в стали значительно ниже, чем в чугуне (таблица 1), поэтому сущность передела чугуна в сталь заключается в снижении содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки.

Таблица 1 - Состав передельного чугуна и низкоуглеродистой стали, мас. %

Материал	C	Si	Mn	P	S
Передельный чугун	4 - 4,4	0,76 - 1,26	до 1,75	0,15 - 0,3	0,03 - 0,07
Сталь низкоуглеродистая	0,14 - 0,22	0,12 - 0,3	0,4 - 0,65	0,05	0,055



Железо окисляется в первую очередь при взаимодействии чугуна с кислородом в сталеплавильных печах: Fe + 1/2O₂ = FeO + 263,68 кДж. Одновременно с железом окисляются Si, P, Mn, C и др. Образующийся оксид железа при высоких температурах отдаёт свой кислород более активным примесям в чугуне, окисляя их: 2FeO + Si = SiO₂ + 2Fe + 330,5 кДж; 5FeO + 2P = P₂O₅ + 5Fe + 225,94 кДж; FeO + Mn = MnO + Fe + 122,59 кДж; FeO + C = CO + Fe - 153,93 кДж.

Процессы выплавки стали осуществляют в три этапа. Первый этап - расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла. Температура металла сравнительно невысокая, интенсивно происходит окисление железа, образование оксида железа и окисление примесей: кремния, марганца и фосфора. Главная задача этапа - удаление фосфора. Для этого желательно проведение плавки в основной печи, где шлак содержит оксид кальция. Фосфорный ангидрид образует с оксидом железа нестойкое соединение (FeO)₃?P₂O₅. Оксид кальция характеризуется более сильными основными свойствами, чем оксид железа, поэтому при невысоких температурах связывает P₂O₅ и переводит его в шлак: 2(P) + 5(Fe O) + (CaO) = (4CaO ? P₂O₅) + 5(Fe).

Для удаления фосфора необходимы невысокие температура ванны металла и шлака, а также достаточное содержание в шлаке FeO. Для повышения содержания FeO в шлаке и ускорения окисления примесей в печь

добавляют железную руду и окалину, наводя железистый шлак. По мере удаления фосфора из металла в шлак, содержание фосфора в шлаке увеличивается. Поэтому необходимо убрать этот шлак с зеркала металла и заменить его новым со свежими добавками CaO.

Второй этап - кипение металлической ванны - начинается по мере прогрева до более высоких температур. При повышении температуры более интенсивно протекает реакция окисления углерода, происходящая с поглощением теплоты: FeO + C = CO + Fe - 153,93 кДж.

Для окисления углерода в металл вводят незначительное количество руды, окалины или вдувают кислород. При реакции оксида железа с углеродом, пузырьки оксида углерода выделяются из жидкого металла, вызывая «кипение ванны». При «кипении» уменьшается содержание углерода в металле до требуемого, выравнивается температура по объему ванны, частично удаляются неметаллические включения, прилипающие к всплывающим пузырькам CO, а также газы, проникающие в пузырьки CO. Все это способствует повышению качества металла. Следовательно, этот этап - основной в процессе выплавки стали. На этом этапе создаются условия для удаления серы, которая в стали находится в виде сульфида (FeS), растворимого в основном шлаке. Чем выше температура, тем большее количество сульфида железа (FeS) растворяется в шлаке и взаимодействует с оксидом кальция CaO: (FeS) + (CaO) = (CaS) + (FeO). Образующееся соединение растворяется в шлаке, но не растворяется в железе, поэтому сера удаляется в шлак.

Третий этап - раскисление стали заключается в восстановлении железа из его оксида, растворённого в жидком металле. При плавке повышение содержания кислорода в металле необходимо для окисления примесей, но в готовой стали кислород - вредная примесь, так как понижает механические свойства стали, особенно при высоких температурах. Сталь раскисляют двумя способами: осаждающим и диффузионным. Осаждающее раскисление осуществляется введением в жидкую сталь растворимых раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, ферроалюминия), содержащих элементы, которые обладают большим сродством к кислороду, чем железо. В результате раскисления восстанавливается железо и образуются оксиды: MnO, SiO₂, Al₂O₃ и др., которые имеют меньшую плотность, чем сталь, и удаляются в шлак.

Диффузионное раскисление осуществляется раскислением шлака. Ферромарганец, ферросилиций и алюминий в измельчённом виде загружают на поверхность шлака. Раскислители, восстанавливая оксид железа, уменьшают его содержание в шлаке. Следовательно, оксид железа, растворённый в стали переходит в шлак. Образующиеся при этом процессе оксиды остаются в шлаке, а восстановленное железо переходит в сталь, при этом в стали снижается содержание неметаллических включений и повышается ее качество.

В зависимости от степени раскисления выплавляют стали: а) спокойные, б) кипящие, в) полуспокойные. Спокойная сталь получается при полномраскислении в печи и ковше. Кипящая сталь раскислена в печи неполностью, ее раскисление продолжается в изложнице при затвердевании слитка, благодаря взаимодействию оксида железа и углерода. Полуспокойная сталь имеет промежуточную раскисленность между спокойной и кипящей. Частично она раскисляется в печи и в ковше, а частично - в изложнице, благодаря взаимодействию оксида железа и углерода, содержащихся в стали.

Легирование стали осуществляется введением ферросплавов или чистых металлов в необходимом количестве в расплав. Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду меньше, чем у железа (Ni, Co, Mo, Cu), при плавке и разливке не окисляются, поэтому их вводят в любое время плавки. Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду больше, чем у железа (Si, Mn, Al, Cr, V, Ti и др.), вводят в металл после раскисления или одновременно с ним в конце плавки, а иногда в ковш.

3. ФЛЮСЫ: СОСТАВ, НАЗНАЧЕНИЕ, СВОЙСТВА

Классификация флюсов:

По назначению:

Для сварки углеродистых и легированных сталей;

Для сварки высоколегированных сталей;

Для сварки цветных металлов и сплавов;

По химическому составу:

Оксидные, состоят из оксидов металлов. Могут содержать до 10% фтористых соединений. Предназначены для сварки фтористых и низколегированных сталей.

Солевые, состоят из хлористых и фтористых солей металлов и др. не содержащих кислород химических соединений. Для сварки активных металлов и электрошлакового переплава.

Солеоксидные (смешанные), состоят из фторидов и оксидов металлов. Предназначены для сварки легированных сталей.

По химическим свойствам оксидные флюсы делятся на три основные вида:

Кислые SiO2, ТЮ2.

Основные СаО, MgO.

Нейтральные (фториды и хлориды).

В свою очередь нейтральные оксидные флюсы подразделяются по содержанию: MgО на марганцевые и безмарганцевые, а по содержанию SiO2 - на безкремнистые, высококремнистые и низкокремнистые.

По степени легирования металла шва флюсы бывают пассивные, т.е. не вступающие во взаимодействие с расплавленным металлом и активные (большинство керамических флюсов). В свою очередь, активные флюсы делятся на слабо легирующие металл шва и сильно легирующие металл шва.

По способу изготовления:

плавленые;

неплавленные (керамические).

По строению крупинок:

Стекловидные;

Пемзовидные;

Цементированные.

На качество формирования шва и физические свойства образующихся шлаков значительное влияние имеет зависимость вязкости шлаков от t°. По этому параметру флюсы делятся на длинные (с понижением t° вязкость шлаков возрастает медленно) и короткие (с понижением t° вязкость шлаков возрастает быстро). Наиболее часто применяются флюсы с короткими шлаками (основные флюсы).

При сварке под флюсом состав флюса полностью определяет состав шлака и атмосферу дуги. Взаимодействие жидкого шлака с расплавленным металлом оказывает существенное влияние на химический состав, структуру и свойства наплавленного металла. Для получения качественного шва применительно к углеродистым сталям, рекомендуются следующие сочетания флюсов и сварочной проволоки:

- Плавленый марганцевый высококремневый флюс + низкоуглеродистая или марганцевая сварочная проволока.

- Плавленый безмарганцевый высококремнистый флюс + низкоуглеродистая марганцевая сварочная проволока.

- Керамический флюс + низкоуглеродистая сварочная проволока.

При сварке низкоуглеродистых сталей проволокой Св-08 и Св-08А применяют керамические флюсы КВС-19 и К-11. В тех случаях, когда в металле шва необходимо сохранить элементы, имеющие большое сродство к кислороду, следует применять безкислородные флюсы, химически инертные к металлу сварочной ванны.

Высококремниевые марганцевые флюсы. (Требования к данным флюсам регламентирует ГОСТ 9087-81.)

ОСЦ-45, ОСЦ-45М - Предназначены для механизированной дуговой сварки углеродистых нелегированных и низколегированных конструкционных сталей, а так же импортных сталей типа Н11/Н111, 17 Мn4, StE255, 15Mo3, StE355б в сочетании со сварочной проволокой марок СВ-08, СВ-08Га, S1, S2, S2Mo.

ОСЦ-45 размер зерна 0,25-3,0 мм (Ш сварочной проволоки 3,0 мм и более).

ОСЦ-45М размер зерна 0,25-1,6 мм (Ш сварочной проволоки менее 3,0 мм).

Сварочно-технологические свойства:

- устойчивость дуги вполне удовлетворительная;

- разрывная длина дуги до 7 мм;

- формирование шва хорошее с плавным переходом к основному металлу в разделке;

- склонность металла шва к образованию пор низкая;

- определимость шлаковой корки удовлетворительная, затрудненная при сварке корневых валиков;

- цвет зерен коричневый с оттенками;

- строение зерен стекловидное;

- объемная масса 1,3-1,8 кг/дмі.

Химический состав флюса (%): SiO2 38,0-44,0, Mno 38,0-44,0, CaO ‹6,5, CaF2 6,0-9,0, MgO ‹2,5, Al2O3 ‹5,0, Fe2O3 ‹2,0, S ‹0,15, Р ‹0,15.

Флюсы малочувствительны к ржавчине, дают весьма плотные швы стойкие против образования горячих трещин. Существенным недостатком флюсов является большое выделение вредных флористых газов. АН-348А, АН-348АМ - Предназначены для автоматической и полуавтоматической сварки и на плавки углеродистых нелегированных и низколегированных сталей углеродистой и низколегированной сварочной проволокой Св08, Св08ГА, S1, S2.

Флюсы более чувствительны к коррозии, чем ОСЦ-45, но выделяют значительно меньше вредных фтористых газов.

Сварочно-технологические свойства: предельно допустимый уровень доз радиационного излучения 18 мкр/час, что соответствует нормам ОСП 72/87 при влажности, превышающей допустимую, флюсы перед употреблением подвергают сушке при t°300-400°С не менее 1 часа цвет зерен АН-348А - коричневый с темным оттенком; АН-348АМ - от желтого, до коричневого всех оттенков.



4. АКТИВНОСТЬ ВЕЩЕСТВА. КОЭФФИЦИЕНТ АКТИВНОСТИ

Актимвность компонентов раствора -- эффективная (кажущаяся) концентрация компонентов с учётом различных взаимодействий между ними в растворе, то есть с учётом отклонения поведения системы от модели идеального раствора.

Активность была предложена в 1907 году Льюисом как новая переменная, применение которой вместо концентрации позволяет использовать для описания свойств реальных растворов относительно простые уравнения, полученные для идеальных систем. Альтернативой этому пути является использование более сложных уравнений, учитывающих взаимодействие между частицами (см., например, уравнение Ван-дер-Ваальса).

Коэффициент активности служит мерой отклонения поведения раствора (или компонента раствора) от идеального. Отклонения от идеальности могут быть обусловлены различными химическими и физическими причинами -- дипольные взаимодействия, поляризация, образование водородных связей, ассоциация, диссоциация, сольватация и др.

Исходя из понятия химического потенциала, активность компонента в растворе можно определить как величину, которую нужно подставить в выражения для химического потенциала компонента в идеальном растворе:

Коэффициент активности в общем случае может быть как больше, так и меньше единицы (при этом говорят о положительных или отрицательных отклонениях от идеального поведения соответственно, или о положительных и отрицательных отклонениях от закона Рауля). Возможны и знакопеременные отклонения от идеального поведения в одной диаграмме (с изменением в пределах от 0,01 и менее до 10 и более, что отражает сложных характер взаимодействия компонентов в системе). Например, для железа в системе Fe-S при 1300°C коэффициенты активности изменяется от 0,004 при 0,48 до 1,47 при Размещено на http://www.allbest.ru/

=0,68. В некоторых системах концентрационная зависимость активности является причиной существования стабильного состава, по достижении которого состав испаряющейся жидкости не меняется.

Важно отметить, что величина активности и коэффициента активности может быть различной в зависимости от выбора стандартного состояния.

5. ЗАКОН ГЕССА

Закон Гесса -- основной закон термохимии, который формулируется следующим образом:

· Тепловой эффект химической реакции, проводимой в изобарно-изотермических или изохорно-изотермических условиях, зависит только от вида и состояния исходных веществ и продуктов реакции и не зависит от пути её протекания.

Иными словами, количество теплоты, выделяющееся или поглощающееся при каком-либо процессе, всегда одно и то же, независимо от того, протекает ли данное химическое превращение в одну или в несколько стадий (при условии, что температура, давление и агрегатные состояния веществ одинаковы). Например, окисление глюкозы в организме осуществляется по очень сложному многостадийному механизму, однако суммарный тепловой эффект всех стадий данного процесса равен теплоте сгорания глюкозы.

На рисунке приведено схематическое изображение некоторого обобщенного химического процесса превращения исходных веществ А₁, А₂… в продукты реакции В₁, В₂…, который может быть осуществлен различными путями в одну, две или три стадии, каждая из которых сопровождается тепловым эффектом ДH_i. Согласно закону Гесса, тепловые эффекты всех этих реакций связаны следующим соотношением:

Закон открыт русским химиком Г.И. Гессом в 1840 г.; он является частным случаем первого начала термодинамики применительно к химическим реакциям. Практическое значение закона Гесса состоит в том, что он позволяет рассчитывать тепловые эффекты самых разнообразных химических процессов; для этого обычно используют ряд следствий из него.

6. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭЛЕМЕНТОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

При современном уровне металлургического производства предъявляются высокие требования к квалификации и уровню образования обслуживающих его рабочих. Это обусловлено разнообразием процессов и быстрым совершенствованием технологии металлургического производства, а также все возрастающей ролью опытных производств. Поэтому реализация планов технического прогресса в черной металлургии связана с необходимостью повышения общеобразовательного уровня рабочих. В первую очередь речь идет о понимании природы металлургических процессов и путей управления ими.

Современная техника потребляет целый ряд новых материалов, в связи с этим резко возросли требования к качеству металлургической продукции. Непрерывное увеличение количества металла, используемого в народном хозяйстве, вызывает необходимость интенсификации металлургического производства.

Современная металлургия резко отличается от металлургии начала столетия. Хотя основные процессы производства чугуна и стали остались прежними, но они претерпели такие изменения, что речь идет о новых процессах. Использование в доменном производстве дутья, обогащенного кислородом, совершенствование подготовки рудного сырья, работа на повышенном давлении, автоматизация управления, увеличение объема доменных печей -- все это привело к преобразованию процесса выплавки чугуна. Еще более революционные сдвиги вызвало применение кислорода в сталеплавильном производстве, в частности при получении металла кислородно-конвертерным способом.

Разрабатываются новые процессы, такие как восстановление руд в кипящем слое, электролитическое получение металла непосредственно из руды, рафинирование стали синтетическими шлаками, вакуумная металлургия, непрерывная разливка стали, непрерывный сталеплавильный процесс, электрошлаковый переплав, плазменная металлургия, применения высшей математики.

Еще несколько десятков лет назад число используемых в металлургии химических элементов было невелико. Теперь потребности ракетной, ядерной и других отраслей новой техники привели к необходимости использования почти всех элементов периодической системы Д. И. Менделеева.

Интенсификация и усложнение производственного процесса вызывают необходимость увеличения чувствительности и экспрессности методов производственного контроля. В связи с этим возникли новые, основанные на электронике, быстродействующие системы анализа и регулирования технологических процессов.

В целом металлургическое производство стало более подвижным, все время изменяющимся с развитием науки. Тесная связь с наукой является наиболее характерной черной современной металлургии. Все это привело к тому, что изменился также и характер работы металлурга. Если раньше мастер выбирал момент выпуска плавки из мартеновской печи «на глазок», то теперь он пользуется данными экспрессных анализов, а иногда и электронным советчиком. В распоряжении ведущего плавку имеется достаточно широкая информация о температурах в разных зонах печи, химическом составе металла, шлака и атмосферы, позволяющая ему сознательно управлять процессом. Это требует, естественно, понимания сущности физико-химических процессов, протекающих при производстве металла. Научной основой всех металлургических процессов является физическая химия. Поэтому металлургу необходимо понимание некоторых основных положений этой науки.

Любой металлургический процесс сопровождается превращением веществ -- химическими реакциями, степень завершения которых, в конечном счете, и определяет эффективность производства. Для различных химических реакций степень превращений изменяется в очень широких пределах. Существуют реакции, такие, например, как взрывы или горение, в которых происходит почти полное превращение исходных веществ в конечные продукты. Противоположными являются случаи, когда приведенные в соприкосновение вещества не вступают в реакции между собой. Например, известно, что нельзя получить металлический алюминий восстановлением глинозема водородом при нагревании даже до очень высокой температуры.

Однако далеко не всегда в ходе реакций либо осуществляется полное химическое превращение, либо оно отсутствует. Гораздо чаще реакции протекают лишь до некоторой степени завершения, в результате в зоне реакции одновременно присутствуют продукты реакции и некоторая часть непрореагировавших исходных веществ. Так, кипение стальной ванны в мартеновской печи вызывается реакцией между растворенными в железе углеродом и кислородом. Образующаяся окись углерода выделяется в виде пузырей на поверхности металла. По окончании периода бурного кипения в стали остается не только углерод, но и некоторое количество кислорода, т. е. эта реакция не дошла до конца. Именно поэтому сталеварам приходится дополнительно раскислять сталь, например, алюминием, чтобы уменьшить содержание кислорода, ухудшающего свойства готового металла. При этом образуется окись алюминия (глинозем), и содержание кислорода в ванне уменьшается. Однако и эта реакция не доходит до конца, в результате в металле все же остаются некоторые количества растворенных кислорода и алюминия, несоединившихся в окись алюминия. Другим примером неполного использования реагирующих веществ является восстановление окислов железа в шахте доменной печи. Известно, что колошниковые газы, покидающие доменную печь, наряду с углекислым газом содержат также большие количества окиси углерода. Доменщикам, обнаружившим этот факт в прошлом столетии, казалось очевидным, что выходящая из печи окись углерода может и дальше служить восстановителем по реакции

Считалось, что окись углерода просто слишком быстро проходит через печь и не успевает реагировать с рудой. Поэтому перешли на строительство печей с более высокими шахтами, на это были затрачены значительные средства. Однако содержание окиси, углерода в колошниковых газах не уменьшилось. Более поздние исследования показали, что рассмотренная реакция не идет до конца в условиях доменной печи и высокое содержание окиси углерода в отходящих газах неизбежно.

Из приведенных примеров видно, что в определенных условиях реакции могут протекать лишь до некоторого предела, выше которого превращение не происходит. При достижении такого предела система реагирующие вещества -- продукты реакции приходит в состояние, похожее на то, в котором находится рычаг с приложенными к его двум плечам силами, удерживающими его в равновесии. По этому сходству предельное состояние, достигаемое химической реакцией при заданных условиях, называется состоянием химического равновесия. Очень важно, что именно химическое равновесие определяет максимально возможную степень завершенности всех реакций. Химическое равновесие зависит от природы реагирующих веществ, их концентраций, температуры.

Одна из первых задач физической химии состоит в предсказании возможности или невозможности осуществления того или иного процесса. Если процесс принципиально возможен, то следует искать способы его практического осуществления, при которых достигается достаточно высокая степень превращения. При решении подобных задач в физической химии используется учение о равновесии.

Второй по важности задачей физической химии является изучение скоростей, с которыми совершаются химические реакции. Установив причины, от которых зависят эти скорости, можно найти способы ускорения полезных реакций и замедления ненужных или вредных процессов.

В металлургии скорости химических реакций часто зависят от переноса веществ и тепла в тех средах, где происходит взаимодействие. Так, ни одна реакция не может осуществиться, если вступающие в нее вещества не придут в соприкосновение. Поэтому в большом числе случаев скорости металлургических процессов зависят от скоростей, с которыми реагирующие вещества доставляются в зону, где совершается химическое превращение. В доменном процессе, например, производительность печей в решающей степени зависит от скорости восстановления окислов железа газами. В определенных условиях скорость самой химической реакции между окислами железа и восстанавливающим газом достаточно велика и во всяком случае больше, чем скорость, с которой газ проникает через толщу куска руды в зону реакции. В таких условиях, особенно при восстановлении плотных руд, скорость процесса в целом определяется скоростью движения газов по узким каналам и трещинам в кусках руды. Скорость такого внутреннего движения пропорциональна общему давлению газов в шахте доменной печи. Этим объясняется, что для интенсификации доменного процесса его ведут при повышенных давлениях газов на колошнике. Интенсификация реакций, протекающих в жидкой стали, достигается продувкой ванны воздухом или кислородом. Наряду с другими эффектами это приводит к усилению перемешивания жидкого металла и шлака и ускорению транспорта реагирующих веществ к зонам реакции.

Скорости многих металлургических реакций зависят от условий теплопередачи. Примером может служить реакция разложения углекислого кальция, происходящая при обжиге известняка. Эта реакция сопровождается поглощением тепла и поэтому невозможна без его подвода. Так как в результате реакции на поверхности кусков известняка образуется пористая корка извести СаО, плохо проводящая тепло, то время, необходимое для обжига, определяется скоростью переноса тепла через эту корку к неразложившейся сердцевине. В этих условиях скорость обжига увеличивается при уменьшении кусков известняка.

Особенность развития большого числа реакций состоит в том, что они начинаются с образования зародышей продуктов реакций, которые затем быстро растут. Так, кипение стали в мартеновской печи начинается с образования маленьких пузырей -- зародышей, содержащих окись углерода, которые постепенно увеличиваются, всплывая на поверхность жидкого металла.

Скорости почти всех металлургических процессов зависят от величины поверхности раздела между реагирующими веществами. В конвертерном процессе благодаря дроблению струи кислорода, вдуваемого в сталь, поверхность раздела между жидким металлом и газом велики настолько, что реакции окисления углерода и других примесей протекают с очень большими скоростями. Ускорение реакций рафинирования стали при обработке ее жидкими синтетическими шлаками также определяется увеличением реакционной поверхности благодаря дроблению струи стали на мелкие капли.

Изучение законов, которые описывают протекание реакций и процессов во времени, является предметом раздела физической химии, называемым химической кинетикой. Значение химической кинетики для современной металлургии определяется важностью изыскания высокопроизводительных и автоматизированных способов производства металла. Учение о скоростях химических реакций, в частности о скоростях переноса, основывается на представлении о молекулярном строении веществ.

В условиях научно-технической революции задачи металлургов не ограничиваются увеличением производства чугуна, стали и проката и повышением их качества. Очень важным является создание новых материалов с особенно высокими свойствами: жаропрочных сталей, магнитных сплавов, электротехнических сталей и многих других видов специальных сплавов.

Во всем мире интенсивно ведутся изыскания новых материалов. При этом необходимо знание свойств веществ и того, как меняются эти свойства, когда вещества образуют друг с другом соединения или сплавы. Так, для создания высокопрочного материала, прежде всего, необходимо, чтобы между атомами входящих в него веществ действовали большие силы, связывающие их между собой. Например, твердые сплавы для резцов изготавливаются на основе карбида вольфрама -- очень прочного соединения вольфрама с углеродом. Высокая твердость этого соединения обусловлена прочной связью составляющих его атомов.

Свойства металлов и сплавов, в частности стали, зависят от внутреннего строения -- от взаимного расположения составляющих атомов и сил, действующих между ними. В твердых телах силы, действующие между атомами, так же как и в молекулах, являются проявлением химической связи. Природа связи, зависимость ее от свойств атомов различных веществ рассматриваются в учении о строении атомов, молекул, твердых и жидких тел. Металловед, разрабатывающий новые сплавы, опирается в своих изысканиях на этот раздел физической химии. Так, например, при получении жаропрочного сплава необходимо подобрать элементы, для атомов которых характерно достаточно большое взаимное притяжение.

7. ДАНО УРАВНЕНИЕ РЕАКЦИИ CAO + 3C = CAC₂ + CO

Рассчитать для температуры 298К: тепловой эффект, изменение энтропии, изменение изобарного потенциала, составить уравнение зависимости истинной теплоемкости от температуры; составить уравнение для определения константы равновесия реакции.

Исходные данные для расчета приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные термодинамические величины для химических элементов и соединений

Реагенты реакции
			a	b	c
СаО	634.79	39.81	49.69	4.53	-6.54
С	-	5.70	16.76	4.27	-8.38
СаС2	59.08	70.39	68.72	11.90	-8.67
СО	110.7	198.19	28.45	4.11	-0.46

Порядок расчета:

1. Определим тепловой эффект реакции при 298К:

Т.к. - при 298К реакция эндотермическая (идет с поглощением теплоты).

2. Определим приращение энтропии процесса:

3 Рассчитаем приращение изобарно-изотермического потенциала:

T

4 Определим температурную зависимость приращения теплоемкости процесса по уравнению:

Можно вместо теплоемкостей веществ реакции подставить соответствующие выражения их температурной зависимости (см. таблицу 1) и привести выражение к стандартному виду или рассчитать коэффициенты уравнения и подставить их в уравнение

Рассчитаем коэффициенты уравнения:

Получаем уравнение температурной зависимости приращения теплоемкости процесса:

5 Составим уравнение температурной зависимости теплового эффекта (приращения энтальпии) процесса.

Подставив значения коэффициентов уравнения приращения теплоемкости в уравнение, получим уравнение зависимости теплового эффекта реакции от температуры:

Для того, чтобы найти , подставим Т=298К и вместо известную величину

43990 = = -653032

Уравнение температурной зависимости теплового эффекта реакции имеет вид:

По данному уравнению рассчитаем тепловые эффекты реакции для заданных температур.

6. Составим уравнение температурной зависимости приращения энтропии процесса, подставив в уравнение найденные ранее значения и величины коэффициентов:

8. Рассчитываем константу равновесия химической реакции для заданных температур по уравнению:

=

Т.к. К <1, то реакция обратная.

Выводы: при температуре при 298К , следовательно, реакция является экзотермической. Реакция должна протекать в обратном направлении. С ростом температуры реакция имеет тенденцию к затуханию.

8. ВЫПОЛНИТЬ РАСЧЕТ ШИХТЫ ДЛЯ ПЛАВКИ СЕРОГО ЧУГУНА ВЧ60 ГОСТ 1412-85 В ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЕЧИ

Таблица 1. Исходные данные

№ варианта	Марка сплава / Масса отливок, кг плавильный агрегат	Химический состав сплава в отливках (массовые доли в %)
		Железоуглеродистые сплавы
		C	Si	Mn	P	S	прочие
3	ВЧ 60/10/ДСП	3,2 - 3,6	2,4 - 2,6	0,4 - 0,7	до 0,1	до 0,02	0,15Cr;0,30Cu; 0,40Ni



Таблица 2. Величина угара легирующих элементов при выплавке стали

Химический элемент	Угар в печи, %
	мартеновская	электродуговая
Углерод	-	-10
Кремний	-	10
Марганец	-	15
Фосфор	-	20
Сера	-	20

Метод расчета шихты заключается в определении соотношений различных компонентов, загружаемых в плавильный агрегат для получения сплава заданного состава. По заданному химическому составу определяется содержание основных компонентов в 100 кг сплава с учетом величины угара химических элементов при плавке. Содержание химического элемента в шихте рассчитывают по формуле:

Кш = (Кс / 100-У) х 100,

где: Кш - расчетное содержание химического элемента в шихте, %; Кс - заданное содержание химического элемента в жидком сплаве, %; У - угар (-), пригар (+) химического элемента при плавке в зависимости от применяемого способа плавки, %.

Следовательно, С 2,88-3,24, Si 2,16-2,34, Mn 0,34-0,59, P 0,08, S 0,016

В заводских условиях расчет шихты для выплавки железо-углеродистых сплавов проводят методом подбора. Для получения расчетного среднего состава шихты методом подбора составляют таблицу 3.

Пользуясь данными по ориентировочному составу шихты, подбирают компоненты шихты и их количество на 100 кг металлозавалки.

Цифры в графах «содержание элемента в шихте» таблицы 7 получают умножением процентного содержания данного элемента в компоненте шихты на количественное содержание этого компонента в шихте и делением этого произведения на 100.

После суммирования величин для каждого элемента подсчитывают ожидаемый угар или пригар. Недостающие элементы до требуемого химического состава сплава (например, кремний и марганец) восполняют введением соответствующих ферросплавов (лигатур).

Таблица 3. Примерный расчет шихты методом подбора для выплавки серого чугуна марки ВЧ60

Компоненты шихты	Масса компонента шихты, кг	Содержание элементов
		C	Si	Mn	P	S
		% в исходном компоненте	в шихте, кг	% в исходном компоненте	в шихте, кг	% в исходном компоненте	в шихте, кг.	% в исходном компоненте	в шихте, кг	% в исходном компоненте	в шихте, кг
Чугун высокопрочный ВЧ 00 ВЧ 0 ВЧ 1
	15	3,5	0,54	4,0	0,60	1,0	0,15	0,15	0,022	0,03	0,005
	15	3,6	0,54	3,5	0,52	0,8	0,12	0,20	0,030	0,03	0,005
	15	3,6	0,54	3,0	0,45	0,8	0,12	0,20	0,030	0,03	0,005
Возврат	36	3,2	1,12	2,36	0,83	0,85	0,30	0,18	0,064	0,13	0,050
Стальной лом	15	0,3	0,05	0,3	0,05	0,5	0,07	0,04	0,006	0,03	0,001
Ферросилиций доменный ФС2	2	3,5	0,07	12,0	0,24	1,0	0,02	0,15	0,003	0,04	0,001
Зеркальный чугун ЗЧ3	2	4,0	0,08	2,0	0,004	14,0	0,28	0,18	0,004	0,03	0,001
Всего в шихте, %	100	-	2,94	-	2,71	-	1,06	-	0,16	-	0,07
Угар и пригар, %	-	+15	0,44	-12	0,35	-20	0,21	-	-	+50	0,035
В жидком металле, %	-	-	3,38	-	2,36	-	0,85	-	0,16	-	0,105
Хим. состав по ГОСТ		3,2-3,6	2,4-2,6	0,4-0,7	до 0,1	до 0,0,2

Размещено на Allbest.ru