Металл тотықтарының тотықсыздану үрдісі

Жұмыстың мақсаты: Сәйкес кенді материалдар үшін шикізаттар термиялығының тізбектеп есептеу, тотықтардың металлотермиялық түзілу кезіндегі бөлінетін жылу мөлшерін анықтау.

Жұмыстың жоспары:

1. Теориялық бөлім

2. Есептеу мысалы

3. Өз бетімен шығаруға арналған нұсқалар

Кілт сөздер: тотықсыздану, тотықсыздандырғыш; тотық; Гиббс энергиясы; тепе-теңдік тұрақтысы.

Бақылау сұрақтары:

1. Металлургиялық өндірісте тотықсызданудың қанша үдерістері бар?

2. Шикіқұрамның термиялығы дегеніміз не?

3. Алюминийтермиялық кездегі реакция?

Глоссарий:

1. Тотықсыздану – тотықтан тотықсыздандырғыш арқылы оттегіні алып, металл түзу үдерісі.

2. Карботермиялық тотықсыздануда тотықсыздандырғыш ретінде көміртегі қолданылады.

3. Силикотермиялық тотықсыздандыру кезінде тотықсыздандырғыш ретінде кремний қолданылады.

4. Алюмотермиялық үдеріс кезінде тотықсыздандырғыш ретінде металлургиялық зауыттарда арнайы балқытылатын алюминийді пайдаланады.

5. Шикіқұрамның термиялығы Металлтермиялық үдерісте жылу бөлінудің сипаттамасы болып әсерлесуші қоспаның бір бірлік массасына бөлінетін жылу мөлшері.

Теориялық бөлім

Металлургиялық өндірісте тотықсыздану үдерістері металл мен қорытпаларды алу кезінде маңызды роль атқарады [1-3].

Тотықсыздану – тотықтан тотықсыздандырғыш арқылы оттегіні алып, металл түзу үдерісі. Қара металлургияда, соның ішінде ферроқорытпалар өндірісінде тотықсыздану үдерістері екі түрге – карботермиялық және металтермиялық тотықсыздану болып бөлінеді.

Карботермиялық тотықсыздануда тотықсыздандырғыш ретінде көміртегі қолданылады. Әрине, шикіқұрам материалдарының құрамында көміртегі таза күйінде берілмейді, ол құрамында қатты көміртегісі бар кокс, жартылай кокс, антрацит және көмір секілді материалдар түрінде беріледі. Карботермиялық тотықсыздандыру кезінде тотықсыздандандырғыш көміртегі монототығы секілді газ тәріздес болуы мүмкін. Кейбір реакцияларды мысалға алайық:

Металлтермиялық үдерісті негізінен силикотермиялық және алюмотермиялық тотықсыздану деп екіге бөледі.

Силикотермиялық тотықсыздандыру кезінде тотықсыздандырғыш ретінде кремний қолданылады. Кремний таза күйінде емес, ферроқорытпалар түрінде, мысалы, ферросиликохром (темірден, хром және кремнийден тұратын қорытпа), ферросилиций (темір мен кремнийден) және т.с.с.түрінде беріледі. Барлық қорытпаларды оларды әрі қарай қайта өңдеу үшін арнайы балқытып шығарады.

Алюмотермиялық үдеріс кезінде тотықсыздандырғыш ретінде металлургиялық зауыттарда арнайы балқытылатын алюминийді пайдаланады.

Металлтермиялық үдерістер жылуды бөле жүреді. Осы жылудың әсерінен әсерлесетін жүйенің температурасы едәуір жоғарылайды. Бұл реакцияның жылдамырақ жүруін және сұйық темірде реакция өнімдерін тезірек алуға ықпал етеді [4]. Сондықтан металлтермиялық тотықсыздандыру (силикотермия және алюмотермия) ферроқорытпаларды пештен тыс балқытқанда кеңінен қолданылады.

Металлтермиялық үдерістің сырттан қыздырмай дамуы тек бөлініп шыққан жылудың мөлшері әсерлесетін жүйенің жоғары температурасын алуға жеткілікті болған кезде ғана мүмкін. Металлтермиялық үдерісте жылу бөлінудің сипаттамасы болып әсерлесуші қоспаның бір бірлік массасына бөлінетін жылу мөлшері табылады. Бұл сипаттама шикіқұрамның термиялылығы деп аталады және әдетте келесі өрнектен анықталады:

(1)

мұндағы, – металлтермиялық тотықсызданудың жылу эффектісінің стандартты мәні; – стехиометриялық қатынаста алынған бастапқы заттардың молекулалық немесе атомдық массалары.

Алюмотермиялық тотықсыздану кезіндегі мысал реакцияны қарастырамыз:

Бұл реакциядағы стехиометриялық коэффициенттерді ескергенде бастапқы молекулалық немесе атомдық массалардың қосындысы тең:

Алюмотермиялық тотықсыздану реакциясы бойынша түзілудің стандартты жылулық эффектісін анықтау үшін стандартты жағдайлардағы бастапқы реагенттер мен өнімдердің энтальпиясының анықтамалық мәліметтерін стехиометриялық коэффициенттерді ескере қолданған жөн:

Сонымен, металлтермиялық тотықсыздану кезіндегі шикіқұрамның термиялылығын (жылу бөліну) анықтау үшін кен мен концентраттың химиялық құрамын білу керек.

Мысалы, егер химиялық құрамы мен массаның берілген мөлшері белгілі болса, берілген материалдың термиялылығы мен металлтермиялық тотықсыздану кезінде бөлінетін жылудың теориялық мөлшерін анықтауға болады.

(2)

Мысал 3.4. MnO₂, Mn₃O₄ және MnO марганец тотықтарының алюминтермиялық тотықсыздануы кезіндегі шихтаның термиялығын анықтау.

Шешуі. 1 моль оттегі есебіндегі марганецтің әр түрлі тотықтармен алюминтермиялық тотықсызданудағы реакциясын жазайық:

1. 

2. 

3. 2MnO+

Тотықтар түзілуінің стандартты жылуы (3 қосымша) арқылы қарастырылып отырған реакция үшін жылу эффектісінің стандартты мәндерін табамыз:

кДж;

кДж;

.

1. – (3) реакциялары үшін бастапқы заттардың атомдық және молекулалық массаларының суммасын табамыз:

;

( ;

.

формуласы арқылы әрбір реакция үшін шихтаның термиялығын анықтаймыз:

Есептеу нәтижелері көрсеткендей, металлтермиялық үрдістің қалыпты дамуы шихта құрамына тотығын пайдаланғанда ғана болады. -ң пайдалануы алюминийтермиялық үрдістегі көп қалдықтардың бөлінуі мен марганецтің ұшып кетуіне әкеп соғады. -ң алюминиймен тотықсыздану реакциясы қажетті жылуды бөлуге әкелмейді және қосымша іс – әрекеттер (жеңілтұтанатын тотықтарды шихтаға енгізу, сыртқы қыздыру) әрі қарай жақсы нәтиже көрсетпейді.

Марганецті кендерде әдетте марганец түрінде болады. Сондықтан алюминийтермиялық үрдістер үшін осындай кендер -ні -ке айналдыру үшін 1000 - 1100° градуста күйдіруге ұшырайды.