Мінестерство освіти і науки України

Криворізький металургійний інститут

ДВНЗ «Криворізький національний університет»

Кафедра металургійних технологій

Методичні вказівки

до виконання курсової роботи

«Розрахунок хімічних рівноваг в шлако-металічних системах»

для студентів які навчаються за напрямом 6.050401« Металургія»

професійного спрямування « Металургія сталі»

Кривий Ріг

2014 р.

Пастушенко З.З. Методичні вказівки до виконання курсової роботи «Розрахунок хімічних рівноваг в шлако-металічних системах» для студентів які навчаються за напрямом 6.050401« Металургія» професійного спрямування « Металургія сталі» – Кривий Ріг. - 2014.- 27с.

Методичні вказівки вміщують розрахунки по термодинаміці рівноваги реакцій в системі шлак-метал ; включають теоретичну частину, яка відноситься до змісту навчальної дисципліни, задачі і приклади розрахунків рівноважних і нерівноважних станів системи метал-шлак.

Мета – допомогти студентам в засвоєнні основних теоретичних положень курсу і методів розрахунку рівновагих концентрацій елементів в металі і ухилення реакції від рівноваги в процесах окислення і відновлення.

Укладач доц., к.т.н. Пастушенко З.З.

Рецензент проф., д.т.н. Лялюк В.П.

Розглянуто та затверджено на засіданні кафедри металургійних технологій

«27» серпня 2014 р., протокол №1.

1. Загальна характеристика рівноваги хімічних реакцій в металургійних агрегатах

В якості однієї з характеристик рівновагого стану термодинамічної системи з хімічними реакціями використовується константа рівноваги, яка висловлюється через закон діючих сумішей і визначає рівновагий стан системи. Для чисто газових реакцій закон діючих сумішей записується через парціальний тиск продуктів реакції і вихідних речовин. Так, вираз константи рівноваги для реакцій має вигляд

^.

У випадку ідеальних розчинів парціальні тиски заміщуються концентраціями

^.

Для реальних розчинів, замість концентрацій реагуючих речовин і продуктів реакції записують їх активності, які представляють собою, так звані «вільні концентрації».

^.

Величина активності залежить від вибору стандартного стану, визначеного початком відрахунку для концентрації. Для розчинів застосовуються два основних стандартних стани : чиста речовина і розбавленний розчин. В першому випадку концентрації висловлюються в мольних долях і позначаються через , для чистої речовини . В другому випадку за початок відрахунку приймаєтся 1% розчин, його концентрація висловлюється через С, % . Активність речовини в розчині рівна помноженню його концентрації на коефіціент активності.

В залежності від обраного стандартного стану прийняті наступні вирази для активності : при стандартному стані „чиста речовина” , при стандартному стані „розбавлений розчин” - ( і - коефіціенти активності). Для чистої речовини в першому випадку В металургії для запису реакцій і констант рівноваги прийнято розчин елементу в залізі брати в квадратні дужки, наприклад, [Mn], речовини в шлаці в круглі, наприклад, (SіО₂). Гази беруть в фігурні дужки або супроводжують індексом „г” або „газ” – { CO}, CO_г , CO_{газ .} При гетерогенних реакціях з участю газів запис реакції і вираз константи її рівноваги будуть мати вигляд

.

У багатьох випадках при розрахунках металургійних процесів розв'язується задача визначення рівновагого стану реакцій, протікаючих тільки в металі з утворенням нової фази, і на кордоні метал-шлак. У багатьох випадках к першим відносяться реакції взаємодії з киснем, розчиненим в металі, в вругому – реакції обміну між металом і шлаком.

Реакції взаємодії речовин в об'ємі металу (а це, в першу чергу, реакції окислення домішок розчиненим в металі киснем і розкислення) можуть не протікати з утворенням як чистих речовин, так і складних оксидних розплавів. У випадку протікання їх на кордоні метал-шлак, з домішками взаємодіє шлакова фаза відомого складу.

При виникненні конденсованої нової фази в реакції між домішками, розчиненими в залізі, і киснем завжди бере участь і залізо. Але доля оксидів заліза в складі конденсованої фази відносно невелика і в більшості розрахунків в якості продукту реакції може бути прийнятий оксид окислюючої домішки. При цьому реакції окислення при температурах сталеплавильних процесів можуть бути описані рівняннями

_тв , (A)

_тв , (Б)

_тв , (B)

Вирази для константи рівноваги цих реакцій будуть мати вигляд (активності чистих конденсованих речовин рівні одиниці)

, (1)

, (2)

, (3)

Якщо в ході реакцій утворяться комплексні продукти розкислення, які знаходяться в рідкому станні або реакція окислення киснем протікає на кордоні шлак-метал і оксид, який утворився розчинений в шлаці, то згадані реакції записуються рівняннями :

, (Г)

, (Д)

. (Е)

Вирази для констант рівноваги будуть :

, (4)

, (5)

, (6)

Декілька відмінна по своєму характеру реакція окислення вуглецю, так як в якості її продукту утворюється газ – монооксид вуглецю

, (Ж)

і вираз для константи рівноваги буде

, (7)

При протіканні реакцій окислення на кордоні метал-шлак окислювачем є оксид заліза – FeO, і рівняння реакцій можуть бути записані як

, (З)

, (І)

(К)

. (Л)

В загальному вигляді константи рівноваги для такого запису реакцій будуть мати вигляд

, (8)

, (9)

, (10)

, (11)

При розрахунках рівноваги реакцій (3) – (Л) найбільшу складність представляє розрахунок як активностей елементів в металі, так і активностей компонентів шлаку. Для більшості приведених реакцій константи рівноваги отримані експериментальним шляхом і вирази для їх розрахунку залежать від вибору авторами модельних уявлень про механізм взаємодії структурних часток в розплавах. При докладі розрахунків рівноваги окремих реакцій будуть необхідні дані рекомендації про вибір моделі для розрахунку активностей.

При відносно невеликому вмісту домішок в розплавах заліза (до 6-10%), до яких відносяться більшість марок сталей і чавунів, прийнято рахувати, що активність заліза в металургійному розплаві дорівнює одиниці , а розрахунки активностей виконувати по параметрам взаємодії (параметрам Вагнера) [1,2,3].

Для шлаків найбільш часто в розрахунках використовують модель регулярних іонних розчинів В.А. Кожеурова [3,4] і модель шлаку як фази з колективними електронами А.Г. Пономаренко [2,3].