3. Содержание отчета

Отчет должен содержать:

- краткое изложение теоретических основ процесса окисления;

- методику проведения эксперимента;

- эскиз установки;

- результаты обработки опытных данных и выводы.

Контрольное вопросы:

1. Какие методики исследования кинетики окисления сульфидов нашли широкое применение?

2. В чем достоинство используемой методики?

3. Принцип работы дифференциальной термопары. Ее устройство.

4. Чем можно объяснить тот факт, что пирит воспламеняется при более низких температурах, чем пирротин?

5. Пользуясь данными диаграмм зависимости ΔG_T^o образования сульфидов и окислов от температуры, определить, какой из каждой пары металлов переходит в шлак, а какой - в штейн: Cu-Pb, Fe-Ni, Zn-Ca?

6. На основании данных по зависимости ΔG_T^o образования сульфидов и сульфатов от температуры определить, какое соединение цин­ка; сульфид или сульфат - более устойчивое при температуре 673 К?

7. Каким образом можно рассчитать термодинамическую вероятность осуществления реакции взаимодействия сульфида металла и его окисла при заданной температуре?

8. Почему в условиях обычного окислительного обжига сульфидов образуется, как правило, пористая окалина?

Лабораторная работа №5. Измерения поверхностного натяжения и плотности расплавов методом максимального давления в пузырьке газа.

1. Теоретическое введение.

Подавляющее количество металлургических процессов протекает на границе раздела фаз. В этой связи изучение поверхностных свойств расплавов, чему посвящена данная работа, исключительно важно.

Частицы вещества, находящиеся на границе раздела с другой фазой, неравноценны в энергетическом отношении по сравнению с части­цами в массе вещества. Чем больше сила взаимодействия частиц в жидкости, тем больше будет величина избыточной свободной энергии поверхностного слоя, а вместе с этим больше и поверхностное натяже­ние жидкости. Таким образом, величина поверхностного натяжения жидкости позволяет качественно оценить силу взаимодействия между частицами, составляющими жидкость.

Поверхностными свойствами расплавов в значительной мере опре­деляется кинетика процессов окисления, восстановления и возгонки ценных металлов. Поверхностные свойства оказывают непосредственное влияние на потери металлов со шлаком, скорость растворения шихт и флюсов в металлургических расплавах, пропитывание и разъедание ог­неупоров, вспенивание шлаков и т.д., Фактически все металлу отчес­кие процессы, протекающие на границе раздела фаз, в той или иной степени определяются поверхностными свойствами расплавов.

Не менее важной характеристикой, определяющей свойства распла­вив является плотность. Изучение плотностей расплавленных сред имеет большое научно-теоретическое значение. Плотность расплавов и связанные с ней параметры (молярный объем, коэффициент термического расширения и др.) являются структурно-чувствительными характеристиками. Если для практических целей удобнее пользоваться экс­периментальными значениями удельных плотностей расплавов, то для теоретических суждении целесообразнее применять величина молярно­го объема, Молярный объем какого-либо химического соединения определяется выражением:

V_m=M/p, (1)

где М - молярная масса, кг; p - плотность, кг/м³.

Разделение жидких продуктов плавки в значительной мере опреде­ляется разностью их плотностей. Скорость осаждения штейна, а следо­вательно, и размеры отстойной зоны плавильного агрегата определяют­ся различием в плотностях контактирующих фаз. Данные о плотности расплавленных сред необходимы при расчетах объема металлургическо­го оборудования. В экспериментальной работе при определении ряда других физико-химических величин при термодинамических расчетах также необходимо знать плотности расплавов.

Общепринятые обозначения поверхностного натяжения - α мН/м (дин/см), плотности - р кг/м³.

Измерения поверхностного натяжения можно совместить с измере­нием плотности, используя для этого ту же аппаратуру. Такое комплексное исследование можно провести, используя метод максимального давления в пузырьке газа.

Метод максимального давления в пузырьке газа заключается в из­мерении давления, необходимого для образования и отрыва пузырька инертного газа в расплаве. Теория этого метода была разработана Кантором в 1892 г. Приборы для проведения опыта существуют различ­ные. Наибольшее распространение получил метод касания, при котором калиброванный капилляр не погружается, а приводится лишь в сопри­косновение с жидкостью (рисунок 1). Часто пользуются методом Сагдена, который предусматривает ис­пользование двух разных по диаметру калиброванных капилляров, од­нако при выборе такого метода необходимо учитывать уровень распла­ва в тигле, что сделать достаточно трудно, или брать тигли, диаметр которых в десятки раз превышает диаметр капилляров, что также не­удобно при проведении эксперимента. В данной работе используется метод максимального давления по первому варианту.

Рисунок 1- Схема метода касания: Р - максимальное давление, необходимое для отрыва пузырька

1 - капилляр; 2 - микровинт; 3 - микроманометр; 4 - игольчатый натекатель;

5 - электропечь; 6 - тигель

Рисунок 2- Схема установки для определения поверхностного натяжения и плотности расплавов методом максимального давления в газовом пузырьке

Схема установки представлена на рисунке 2.

Капилляр 1 с известным внутренним диаметром и с заточенным на "нож" концом приводят в соприкосновение с расплавом при помощи микровинта 2. В систему непрерывно подается инертный газ через игольчатый натекатель 4, позволяющий строго регулировать скорость подачи газа. Давление газа в капилляре измеряется микроманометром 3. При определённом давлении пузырек у кончика трубки принимает форму полусферы. В момент отрыва пузырька сила, действующая на пу­зырек, равна силе, препятствующей его образованию:

πR² =2πRα или α=RP/2, (1)

где: α- поверхностное натяжение; R- внутренний радиус капилляра; P- избыток внутреннего давления в пузырьке над внешним давлением.

Максимальное давление в пузырьке определяется по высоте стол­ба жидкости манометра:

P=h·p·q, (2)

где: h- высота столба жидкости в манометре; р- плотность манометрической жидкости; q- ускорение силы тяжести.

Таким образом, формула для определения поверхностного натяже­ния приобретает вид:

α=1/2R·h·p·q (3)

Пожалуй, самым ответственным моментом в этой методике являет­ся выбор материала для капилляра, инертного по отношению к измеря­емому расплаву, подготовка (заточка на "нож") его рабочего конца и правильный замер радиуса. Радиус отверстия капилляра определяют при помощи измерительного микроскопа или катетометра.

Для того, чтобы избежать замера радиуса капилляра, часто поль­зуются тарировкой его по жидкости с известным поверхностным натяже­нием, например, по дистиллированной воде (таблица 1). Таким образом, вычисление поверхностного натяжения сводится к решению простой про­порции:

α=(α_д.в.·h₁) /h₂, (4)

где: α - измеряемое поверхностное натяжение; α_д.в.- поверхностное натяжение дистиллированной вода при опре­деленной температуре; h₁- высота столба манометрической жидкости при замере h₂ - высота столба манометрической жидкости при тарировке капилляра.

Таблица1- Поверхностное натяжение воды на границе с воздухом

Температура, К		289		290			291		292	293	294	295
Поверхностное натяжение во­ды α мН/м (дин/см)		73,34		73,20			73,05		72,89	72,75	72,60	72,44
	296		297		298	299		300		301	302		303
	72,28		72,12		7I,96	71,80		71,64		71,41	71,31		71,15

Одновременно при измерении поверхностного натяжения методом максимального давления в пузырьке газа можно определить плотность, погружая капилляр на разную глубину в расплав при помощи микровинта, снабженного шкалой микрометра. Величина плотности рассчитывается по формуле:

р=р_м(Н/h), (5)

где: р_м- плотность манометрической жидкости; h- разность уровней заглублений; Н- изменение столба жидкости в манометре при заглублении капилляра на h.