![]() КАТЕГОРИИ:
АстрономияБиологияГеографияДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
Законы физической химии в сталеплавильном производстве
В процессе плавки стали происходит взаимодействие различных фаз − металлической, шлаковой, газовой и футеровки. Они отличаются по агрегатному состоянию и химическому составу.
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).
Если ΔG < 0, то реакция идет слева направо; ΔG > 0 − в обратном направлении и ΔG = 0 − это состояние термодинамического равновесия.
Например:
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
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,
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,
[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
$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.
|