Студопедия

КАТЕГОРИИ:

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника



Законы физической химии в сталеплавильном производстве




Читайте также:
  1. I.4.2) Законы.
  2. IV. Законы динамики вращательного движения.
  3. IV.1.2) Общие презумпции в частном судопроизводстве.
  4. IV.4.4) Претор в частном судопроизводстве.
  5. V 1: Основные формально-логические законы
  6. А) федеральные законы и нормативные документы
  7. Автоматизированные системы управления производственной деятельностью аэропорта
  8. Амортизация и ее роль в воспроизводственном процессе
  9. Амортизация основных производственных фондов
  10. Анализ и учет производственного травматизма и профзаболеваний

 

В процессе плавки стали происходит взаимодействие различных фаз − металлической, шлаковой, газовой и футеровки. Они отличаются по агрегатному состоянию и химическому составу.

 

СО, СО2


Рис. 1. Агрегатное состояние и основные компоненты взаимодействующих фаз

 

Таким образом, результатом такого взаимодействия являются различные обменные процессы, т.е. переход химических элементов из одной фазы в другую. Это объясняется тем, что в разных фазах могут быть разные химические (изобарные) потенциалы элементов. Изобарные потенциалы могут быть созданы искусственно, или складываться естественно.

 

Для получения заданного состава и качества стали, основным является взаимодействие металла со шлаковой и газовой фазами (т.е. взаимодействие жидкой и газовой фаз).

 

Сталеплавильный процесс преимущественно окислительный, т.е. идут реакции окисления кремния, марганца, фосфора, углерода, хрома, сопровождающиеся переходом их из металла в шлак. Степень завершенности процессов окисления зависят от температуры и состава шлака.

 

Т.к. взаимодействующие компоненты и продукты сталеплавильных реакций находятся в различных фазах, они называются гетерогенными, идущими в несколько стадий:

 

1. Массоперенос веществ в объеме фаз и на границу раздела;

2. Химическая реакция взаимодействия реагирующих веществ;

3. Отвод продуктов реакции в объем фаз.

 

Стадии 1 и 3 называют диффузионными (диффузия веществ). Стадия 2 − кинетическая. Скорость диффузионных стадий значительно меньше скорости кинетической стадии. Суммарная скорость реакции определяется самой медленной стадией. Т.о. в сталеплавильном производстве скорость процесса определяется законом диффузионных стадий. Для их ускорения применяют перемешивание металла.

 

Изучение процессов происходит по следующим направлениям:

 

1. Определение возможного направления протекания процесса;

2. Установление предела протекания химической реакции (позволяет установить степень удаления примеси из металла);

3. Определение возможной скорости процесса и влияющих на нее факторов (важно для установления производительности агрегата).

 



Первая и вторая задачи решаются с помощью законов термодинамики. Для сталеплавильных процессов направление протекания реакции определяется по знаку изменения потенциала Гиббса (ΔGoт).

 

Если ΔG < 0, то реакция идет слева направо; ΔG > 0 − в обратном направлении и ΔG = 0 − это состояние термодинамического равновесия.

 

Например:

Реакция ΔGoт, кДж/моль ΔGo1600, кДж/моль
[Mn] + [O] = (MnO) − 244,69 + 0,109 Т − 40,5
½ [Si] + [O] = ½(SiO2) − 271,17 + 0,102 T − 80,0
2/3[Al] + [O] = 1/3(Al2O3 − 367,1 + 0,131 Т − 121,7
2/5[P] + (FeO) = 1/5(P2O5) + [Fe] − 71,52 + 0,033 T − 9,7
2/5[P]+[O]+3/5(CaO)=1/5(Ca3P2O8) − 134,08 + 0,038 T − 62,9
½[S] + [O] = ½{SO2} 2,8+0,027 T 53,37
[C] + [O] = {CO} − 35,62 − 0,031 T − 93,7
[C] + (FeO) = [Fe] + {CO} 85,43 − 0,084 T − 71,9
[C] + ½{O2} = {CO} − 152,57 − 0,034 T − 216,6

 



 

Выводы:

1. В сталеплавильной ванне возможно протекание всех реакций, кроме окисления серы. Сера может окисляться только в вакууме.

2. Наиболее полно протекает реакция окисления алюминия.

3. В кислом процессе, когда в шлаке не могут образовываться фосфаты, P2O5 остается практически в свободном состоянии. Окисление фосфора более глубокое, если P2O5 переходит в основной шлак, но дефосфорация металла не существенна.

4. Углерод окисляется интенсивно, особенно газообразным кислородом.

 

 

Изменение потенциала Гиббса связано с константой равновесия, являющейся критерием полноты протекания реакций:

 

.

 

 

Константа равновесия зависит от температуры:

 

,

где ΔQ − тепловой эффект реакции;

R − универсальная газовая постоянная.

 

Если реакция экзотермическая (ΔQ >0, т.е. с выделением тепла), то температурная функция убывает , т.е. с ростом температуры Т константа равновесия убывает. Для эндотермических реакций (ΔQ <0, т.е. с поглощением тепла) , т.е. с ростом температуры возрастает и константа.

 

Если в реакции участвуют чистые вещества, то константа равновесия определяется (через концентрацию компонентов):

,

где Сi − концентрация i-го компонента,

,

где Mi − масса i-го компонента.

 

Если в реакции компоненты газовой фазы (через парциальное давление):

,

где Pi − парциальное давление i-го компонента,

,

где P − общее давление в системе; Ni − мольная доля i-го компонента,

,

где n − число молей.

 

Если продукты реакции − компоненты растворов (через их активность):

,

где αi − активность i-го компонента,

 

, основное выражение для сталеплавильных процессов.

 

где γi − коэффициент активности i-го компонента (характеризует взаимодействие данного компонента с другими компонентами раствора).

γ = 1, компоненты не взаимодействуют − идеальный раствор, ,

γ<1, компоненты взаимодействуют − реальный раствор, .

 

Пример использования физхимии в решении практической задачи: реакция окисления марганца, растворенного в жидком железе.

[Mn] + (Fe) = (MnO) + Feж, ΔGo = - 120000 + 60Т.

Из соотношения для ΔGo следует, что:

þ при окислении марганца выделяется тепло;

þ при повышении Т знак «минус» может поменяться на знак «плюс».

$s Какие факторы могут повлиять на концентрацию марганца?

Из выражения для константы равновесия

, следует что , т.е. чем меньше α(FeO) , тем больше [Mn].

$sКак уменьшитьα(FeO)?

þ можно раскислить ванну, т.е. уменьшить окисленность и металла , и шлака.

þ создать благоприятные условия для протекания реакции [C] + (FeO) = COг + Feж , тогда окисленность шлака α(FeO) уменьшится и произойдет восстановление марганца из шлака.

 


Дата добавления: 2014-12-03; просмотров: 12; Нарушение авторских прав





lektsii.com - Лекции.Ком - 2014-2020 год. (0.011 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав
Главная страница Случайная страница Контакты