Расчет равновесного химического состава металлической и шлаковой фазы. Методические указания к практической работе по дисциплине «Теоретические основы
.pdfТаблица 6
Варианты заданий для выполнения расчетов
|
|
|
Исходные данные для расчетов |
|
|
|
||||||
Вариант |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ni |
Fe |
FeO |
NiO |
CaO |
CaF2 |
SiO2 |
MgO |
Al2O3 |
(C)факт |
Т0С |
||
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
30 |
70 |
10 |
15 |
25 |
12 |
29 |
10 |
5 |
0,040 |
1600 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
30 |
70 |
10 |
15 |
25 |
12 |
29 |
10 |
5 |
0,050 |
1620 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
30 |
70 |
10 |
15 |
25 |
12 |
29 |
10 |
5 |
0,215 |
1640 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
30 |
70 |
10 |
15 |
25 |
12 |
29 |
10 |
5 |
0,135 |
1660 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
30 |
70 |
20 |
2 |
40 |
10 |
15 |
5 |
25 |
0,565 |
1600 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
20 |
80 |
20 |
2 |
40 |
12 |
15 |
5 |
15 |
0,555 |
1600 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
20 |
80 |
20 |
5 |
35 |
13 |
58 |
5 |
22 |
0,010 |
1600 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
20 |
80 |
30 |
5 |
35 |
14 |
25 |
5 |
12 |
0,012 |
1600 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9 |
10 |
90 |
30 |
5 |
30 |
15 |
10 |
2 |
5 |
0,014 |
1600 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10 |
10 |
90 |
30 |
6 |
30 |
10 |
10 |
2 |
5 |
0,040 |
1650 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
11 |
10 |
90 |
5 |
6 |
25 |
10 |
55 |
2 |
5 |
0,050 |
1650 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
12 |
10 |
90 |
5 |
1 |
35 |
5 |
50 |
2 |
5 |
0,215 |
1650 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
13 |
5 |
95 |
5 |
1 |
22 |
5 |
55 |
2 |
1 |
0,135 |
1650 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
14 |
5 |
95 |
10 |
0,5 |
32 |
5 |
50 |
2 |
15 |
0,020 |
1700 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
15 |
5 |
95 |
10 |
0,5 |
22 |
2 |
55 |
1 |
10 |
0,035 |
1700 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
31
Примеры расчётов термодинамического равновесия
в системе «металл-шлак»
Известно, что анализ взаимодействия жидкого железа с различным содержанием марганца и кремния с кислым шлаком показывает, что содержание кремнезёма может достигать значений 47-50% по массе и мало зависит от температуры в пределах от 1520 до 1660ºC. Добавки Аl2O3 слабо влияют на растворимость кремнезёма в шлаке в отличие от добавок СаО. При вводе от 5 до 6% масс. СаО растворимость кремнезёма возрастает уже до 54%,
а при содержании от 10 до 15% СаО - до 58%.
Группа задач №1. Для шлака системы «SiO2-MnO-FeO», насыщенного кремнезёмом, рассчитать равновесную концентрацию Si в зависимости от содержания FeO при температуре 1620ºC. Результат представит графически -
построить график в системе координат: «lgKSi – аFeO».
Реакция имеет вид: (SiO2) + 2Fe ↔ 2[FeO]+[Si]. Известно, что: lgKSi =
18200/Т – 10,64 = 18200/1893 – 10,64 = -1,03, отсюда: KSi = 0,09. |
|
|
||||||
|
Константа равновесия выражается как: |
|
|
|
|
|||
|
|
KSi = [FeO]2[Si]/[SiO2][Fe]2 = a2[Feo]a[Si]/a[SiO2] = 0,09. |
(46) |
|||||
|
Активность кремния равна: |
|
|
|
|
|
||
|
|
a[Si] = 0,09 a[SiO2]-1/ a2[Feo] = 0,09/ a2[Feo]. |
|
(50) |
||||
|
Пусть содержание закиси железа равно: 6, 9, 12, 15 ,18 и 21% масс. Тогда |
|||||||
результаты расчетов представлены в табл. 7. |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 7 |
|
|
|
Результаты расчетов для построения графика |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
[%FeO] |
6 |
9 |
12 |
15 |
18 |
21 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
[%Si] |
0,0025 |
0,0011 |
0,000625 |
0,0004 |
0,00028 |
0,000205 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Установлено, что с повышением концентрации [FeO] концентрация [Si]
снижается.
32
В металлургических процессах кислородный потенциал в основном используется для количественных расчетов энергии образования сложных растворов, а также оценки термодинамической прочности химических соединений.
Группа задач №2. Для стандартных условий реакции образования вюстита определить равновесное давление кислорода в системе при температуре 1923 К, для значений активности равных: 0,05, 0,2, 0,5, 1,0. Для указанных значений активности [FeO] определить значение кислородного потенциала FeO в интервале температур 1800-2000 К с шагом 100 К.
Реакция имеет вид: Feтв + 0,5O2 ↔ FeOтв. Потенциал Гиббса равен:
GFeO= -239987 + 49,57T.
Кислородный потенциал рассчитывается как:
π0 = G + 2RTlna(MeO) – 2RTlna(Me). (51)
При этом Gº = -RTlnK и К = а[FeO] / РО2½. Алгоритм расчета имеет вид:
1)GFeO= - 239987+49,57*1923 = -144663,89,
2)lnK = -144663,89/-8,31*1923 = 9,053,
3)К = 8541,87,
4)РО2½ = К / а[FeO],
5)РО2 = (К / а[FeO])2.
Результаты расчетов представлены в табл. 8.
|
|
|
|
|
Таблица 8 |
|
|
Результаты расчетов первой части задачи |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
[FeOж] |
0,05 |
0,2 |
0,5 |
|
1,0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Ро2 |
2,92*1010 |
1,82*109 |
2,92*108 |
|
7,3*107 |
|
Аналогичным образом определяем изменение кислородного потенциала
газовой фазы над образующимся оксидом; результаты расчетов представлены в
табл. 9.
33
|
|
|
|
|
Таблица 9 |
|
Результаты расчетов второй части задачи |
|
|||
|
|
|
|
|
|
[FeOж] |
0,05 |
0,2 |
0,5 |
|
1,0 |
|
|
|
|
|
|
π0(Т=1800ºК) |
-234284,22 |
-192811,83 |
-165400,08 |
|
-144663,12 |
|
|
|
|
|
|
π0(Т=1900ºК) |
-239263,12 |
-195486,72 |
-166552,09 |
|
-144663,83 |
|
|
|
|
|
|
π0(Т=2000ºК) |
-244242,03 |
-198161,61 |
-167704,1 |
|
-144663,83 |
|
|
|
|
|
|
Необходимо отметить, что все представленные выше системы (методы)
расчетов относятся к так называемымому частному термодинамическому анализу (ЧТА) химически реагирующих сред, который бесспорно обладает рядом преимуществ, однако имеет и свои недостатки, в первую очередь, перед комплексным подходом – термодинамическим моделированием (ТДМ)
процессов. Именно из-за простоты применения на реальных данных ЧТА получил внедрение в современную практику инженера-металлурга.
Справочные данные для самостоятельных расчетов термодинамического равновесия в системе «металл-шлак» представлены в приложениях 1-4.
Общие требования к содержанию отчетов по практической работе
1.Номер, название и цель работы (формулируется самостоятельно).
2.Краткое описание сущности работы, используемых методик расчета,
материалов, лабораторного оборудования.
3. Если работа содержит расчеты по стандартным формулам, то сначала записывается формула в общем виде, затем после знака «равно» (=)
указываются численные значения параметров уравнения.
4. Письменное оформление выводов.
34
Библиографический список
1. Васильев, С.В. Физико-химические основы литейных процессов: уч.
пособие / С.В. Васильев – Москва: Инжиниринг – 2005 г. – 336 с.
2. Кудрин, В.А. Теория и технология производства стали: учеб. для вузов /
В.А. Кудрин — Москва: Мир, ACT, 2003. — 528 с.
3. Борнацкий, И.И. Десульфурация металла / И.И. Борнацкий. – Москва:
Металлургия, 1970. – С. 320.
4. Поволоцкий, Д.Я. Внепечная обработка стали: Учебник для вузов /
Поволоцкий Д.Я., Кудрин В.А., Вишкарев А.Ф. – Москва: МИСИС, 1995. –
С. 256.
5. Бигеев, А.М. Металлургия стали / А.М. Бигеев – Москва: Металлургия,
1987. – С. 237.
35
Приложение 1
Рис. 2. Диаграмма состояния «CaO-Al2O3»
36
Приложение 2
Рис. 3. Диаграмма состояния «FeO-MgO»
Рис. 4. Диаграмма состояния «Al2O3-SiO2»
37
Приложение 3
Рис. 5. Диаграмма состояния «FeO-SiO2»
Рис. 6. Диаграмма состояния «MnO-SiO2»
38
Приложение 4
Рис. 7. Периодическая система химических элементов
(таблица Д. И. Менделеева)
39
Расчет равновесного химического состава металлической и шлаковой
фазы
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к практическим работам № 1 и №2
по дисциплине: «Теоретические основы сталеплавильных процессов»
Шипельников Алексей Александрович Роготовский Александр Николаевич Кравченко Татьяна Викторовна
Редактор Черникова Е.Н.
Подписано в печать . Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Ризография. Печ. л. 2,5. Тираж 100 экз. Заказ №
Издательство Липецкого государственного технического университета. Полиграфическое подразделение Издательства ЛГТУ.
398600 Липецк ул. Московская, 30.
40