11

Тема 2. Основные физико-химические закономерности и реакции в сталеплавильных процессах, характеристика фаз (6 часов)

4.1. Применение физической химии в металлургии стали

Процессы производства стали представляют собой сложные комплексы физико-химических превращений, происходящих при высоких температурах, в ряде случаев в условиях, исключающих возможность непосредственного наблюдения за протеканием технологических процессов. При производстве стали имеет место участие в протекании процессов одновременно многих компонентов, находящихся в различных агрегатных состояниях: в твердом виде (футеровка плавильных агрегатов, флюсующие материалы и т.п.), жидком (металл, шлак) и газообразном (атмосфера печи, продуваемый через металл воздух или кислород и т.п.).

Это заставляет непрерывно углублять знания в теории металлургических процессов - науки о физической химии процессов получения и переделов металлов.

Сейчас невозможно не только развитие и усовершенствование сталеплавильных процессов, но и получение качественной стали без использования для этой цели основных положений физической химии.

При изучении теории металлургических процессов приходится прибегать к термодинамическим методам. При помощи термодинамических методов можно решать наиболее важные для металлургов задачи:

1. возможность протекания процесса;

2. его направление;

3. пределы протекания.

Термодинамика изучает законы перехода энергии из одной системы в другую, энергетические эффекты, сопровождающие различные физические и химические процессы.

С помощью двух законов термодинамики можно установить:

- связь между количеством выделенной или поглощенной теплоты и количеством полученной работы - изменением внутренней энергии системы: тепловые эффекты, тепловые балансы различных процессов и т.п.;

- условия протекания процесса в нужном направлении и состояние равновесия и его зависимость от внешних условий и т.п.

4.1.1. Основные понятия и законы физической химии

Системой называется группа тел (веществ), находящихся во взаимодействии и мысленно отделяемых от окружающей среды (например, система шлак-металл - при изучении процессов, происходящих в ванне сталеплавильной печи). Система, внутри которой нет поверхностей, разделяющих части системы различные по своим свойствам, называется гомогенной.

Системы, внутри которых имеются поверхности раздела, называются гетерогенными.

Фазой называется однородная (по составу и свойствам) часть системы, отделенная от других частей системы поверхностями раздела.

Металл, шлак, газовая атмосфера печи, дисперсная взвесь, неметаллические включения в жидком металле представляют собой отдельные фазы.

Составные части системы называются компонентами (например, при рассмотрении железоуглеродистых сплавов компонентами являются железо и углерод).

Зная число фаз системы, при известном числе компонентов можно определить число факторов, которые могут изменяться независимо один от другого, не нарушая равновесия и, в частности, не изменяя имеющегося числа фаз системы. Для проведения такого рода расчетов при рассмотрении систем, находящихся в равновесии, приходится пользоваться "законом равновесия фаз (или правилом фаз Гиббса)":

С = К - Ф + n, (4.1)

где К - число компонентов системы; Ф - число фаз; n - число внешних факторов, которые могут влиять на состояние равновесия в системе (температура, давление, действие электрического или магнитного тока и т.п.); С - число условий (температура, давление, концентрация), которые можно произвольно изменять, не нарушая равновесия и не изменяя этим числа или вида фаз системы, - так называемое "число степеней свободы".

Состояние системы характеризуется совокупностью всех её свойств (химических и физических), изменение которых означает изменение состояния системы.

Величины, служащие для характеристики состояния системы (давление, объем, концентрация, температура, внутренняя энергия и т.д.) называются параметрами состояния.

Значение параметров зависит только от начального и конечного состояния системы и не зависит от пути перехода, т.е. является функцией состояния.

Сталеплавильные процессы сопровождаются большими или меньшими изменениями, происходящими в системе (например, в системе металл-шлак - атмосфера печи).

Изменения, происходящие в системе и связанные с изменением параметров состояния, называется термодинамическим процессом.

Термодинамическая величина, характеризующая процесс, называется параметром процесса.

Параметры:

1. Изменение внутренней энергии системы u . Величина внутренней энергии характеризует запас энергии системы (энергия движения молекул, внутримолекулярного движения атомов, их взаимодействия, энергия движения электронов и т.п.)

2. Энтальпия

Н = u + pV, (4.2)

где р - давление; V - объем системы.

Изменение энтальпии вещества с температурой представляет собой изменение теплоёмкости, которое выражается уравнением Кирхгоффа:

(4.3)

Как уже говорилось второй закон термодинамики позволяет определить, какие из процессов в рассматриваемой системе при заданных параметрах могут протекать самопроизвольно, вычислить количество совершаемой при этом работы и предел возможного самопроизвольного течения процессов, т.е. состояние равновесия в данных условиях.

Важнейшей термодинамической функцией, величина которой позволяет во многих случаях определить возможность протекания тех или иных процессов, является изобарно-изотермический потенциал, свободная энергия при постоянном давлении, или потенциал Гиббса:

G = H - TS , (4.4)

где Н - изменение энтальпии; Т - абсолютная температура; S - изменение энтропии.

Самопроизвольно могут протекать только процессы, которые сопровождаются уменьшением свободной энергии G 0.

Условие равновесия G = 0.