Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Физико-химия металлургических систем и процессов»
.pdf
равновесного и при этом GТ < 0. Температура, при которой возможен этот
а
б
процесс, является температурой начала диссоциации ТНД. Любая фигуративная
точка 1 выше равновесной линии на рис. 2 а отвечает устойчивому
существованию карбоната СаСО3. Любая фигуративная точка 2 ниже линии
отвечает устойчивому существованию оксида СаО. Процесс диссоциации
карбоната протекает с высокой скоростью при температурах выше температуры
химического кипения ТХК, при которой упругость диссоциации становится
равной общему внешнему давлению газовой фазы.
Рис. 2. Изменение упругости диссоциации карбонатов от температуры:
а - зависимость упругости диссоциации от температуры; б - зависимость
упругости диссоциации карбонатов железа (1) магния (2), кальция (3) и
стронция (4) от температур
Поскольку упругость диссоциации однозначно связана с температурой, то
получил распространение способ оценки химической прочности карбоната по
температуре T0, при которой р
Как видно из рис. 2 б, значение T
= 0,1 МПа.
2
CO
, а значит, и устойчивость карбонатов
н.д.
возрастают в ряду FeCO3, MgCO3, СаСО3, SrCO3.
Упругость диссоциации зависит от наличия примесей в карбонате и
степени дисперсности МеО и МеСО3. Поэтому опытная зависимость
Р
= φ(Т) может значительно отличаться от стандартной, например,
СО2
11
упругость диссоциации измельченного известняка с примесью SiO2 ниже, чем
над крупнокристаллическим кальцитом, несмотря на то, что химический состав
известняка и кальцита практически один и тот же.
Техника безопасности при выполнении лабораторной работы
1. К работе допускаются студенты, прошедшие инструктаж по технике
безопасности и получившие допуск на выполнение работы у преподавателя.
2. Включение электродвигателя вакуумного механического насоса
проводить только с разрешения преподавателя и учебного мастера
3. При достижении давления в системе, близкого к предельно
измеряемому значению, необходимо отключить электропитание печи.
4. С особой осторожностью проводить выравнивание давления в
реакционной трубке (путём открытия кранов 7, 8) с атмосферным, во
избежание её разрушения.
5. Сообщить дежурному сотруднику кафедры об окончании работы.
Методика лабораторного эксперимента и аппаратура
Установка для проведения опыта, схема которой представлена на
рис. 3, состоит из кварцевой реакционной трубки 2, на конце которой имеется
стеклянный притертый шлиф, и вакуумметра 6, соединенного с реакционной
трубкой. Реакционное пространство перекрывается краном 7, соединяющим
систему с вакуумным механическим насосом 9, кран 8 служит для соединения
системы с атмосферой.
В реакционной трубке, нагреваемой электропечью сопротивления 1,
помещается карбонат кальция, магния или с добавкой соответствующего
оксида (СаО или МgO). Воздух из реакционного пространства откачивается
вакуумным насосом 4. Температура карбоната измеряется термопарой 4,
подключенной к вторичному регистрирующему прибору 5.
12
Рис. 3. Схема установки к лабораторной работе № 2: 1 – электрическая печь;
2 – реакционная трубка; 3 – навеска материала; 4 – термопара; 5 –вторичный
регистрирующий прибор; 6 – вакуумметр; 7, 8 – кран; 9 – вакуумный насос
Порядок выполнения работы
1. Заполнить реакционную трубку 2 исследуемым карбонатом (50-80г) с
добавкой соответствующего оксида (10-20г).
2. Вставить реакционную трубку в электропечь 1 и герметично соединить
с остальной частью системы. Открыть краны 7 и 8. Включить контролирующие
приборы температуры 5 и давления 6.
3. Включить электропечь 1 и установить температуру, с которой имеет
смысл начинать измерение упругости диссоциации. Предварительный расчет
(выражается в атмосферах) сделать по формулам:
lg P
lg P
lg P
CO2
= - 8920/T + 7,54 (для СаСО3); (17)
CO2
= - 5750/T + 6,10 (для MgCO3); (18)
CO2
= - 5470/T + 1,75lgT + 3,2 (для FeCO3). (19)
13
4. Закрыть кран 8 и включить вакуумный механический насос 9. После
№ замера
t,оC
T, K
104/T, K
1
эвакуации воздуха из системы закрыть кран 7, открыть кран 8 и выключить
вакуумный насос.
5. Произвести замеры давления в системе с помощью вакуумметра 6
через каждые 40 градусов. Ввиду того, что равновесное давление СО2,
получаемое при диссоциации карбоната, устанавливается не сразу, необходимо
поддерживать заданную температуру до тех пор, пока не прекратится
изменение показаний вакуумметра и только после этого производить замер.
6. После завершения измерений отключить электропечь 1 и контрольноизмерительные приборы 5, 6.
Содержание отчета по лабораторной работе
1. Дать краткое описание содержания работы и привести схему
установки.
2. Результаты наблюдений и расчетов представить по форме табл. 2.
Таблица 2
Результаты проведения эксперимента
3. По данным лабораторного эксперимента построить график
зависимости
от температуры в координатах «
», считая,
что в небольшом температурном интервале данная зависимость близка к
линейной.
диссоциации карбоната по формуле (20). Коэффициент А можно определить,
как тангенс угла наклона в зависимости упругости диссоциации от
4. По тангенсу угла наклона прямой определить средний тепловой эффект
14
температуры в координатах «
». Тепловой эффект реакции
диссоциации находится из уравнения
ΔН = -19,15А, Дж/моль, (20)
(21)
5. Найти коэффициенты А и В для температурной зависимости упругости
диссоциации (16).
6. Определить
реакции диссоциации карбоната при средней
температуре опыта, пользуясь формулой Кирхгофа
. (22)
Необходимые для расчета термодинамические данные приведены в
справочной литературе.
7. Сравнить расчетный и опытный тепловой эффект реакции диссоциации
карбоната и определить относительную ошибку результата эксперимента.
Лабораторная работа № 3
Определение скорости высокотемпературного окисления
стали по цветам побежалости и химической стойкости оксидной
плёнки
Цель работы: установить влияние температуры на скорость окисления
стали и испытать коррозионную устойчивость оксидных плёнок в зависимости
от её толщины, рассчитать эффективную энергию активации процесса.
Пояснение к работе
Большинство металлов при высоких температурах в атмосфере
термодинамически неустойчивы по отношению к кислороду. На их
поверхности образуются оксидные пленки: тонкие (h < 0,04 мкм), которые
невидимы без специальных оптических методов с применением
поляризованного света; средние (h = 0,04 - 0,5 мкм), видимые благодаря
15
интерференционному окрашиванию (цвета побежалости); толстые (h > 0,5 мкм)
n4
S
n4
3S
и видны невооруженным глазом.
Интерференционные цвета побежалости позволяют определить толщину
получаемых на металле пленок. Механизм появления цветов побежалости
можно объяснить следующим образом. Погашение света вследствие
интерференции двух лучей света, которые налагаются друг на друга с длиной
волны , происходит, если эти два луча смещены один относительно другого на
половину фазы, то есть на непарное число полуволн: λ/2, 3λ/2,5λ/2 и т.д.
Пусть два луча проходят сквозь прозрачную пленку на поверхности
металла, отражаясь один от внешней поверхности пленки (рис. 4, линии 1, 2),
другой - непосредственно от поверхности металла, пройдя через нее
(рис.5, линии 3, 4).
Рис. 4. Схема интерференции лучей света
Как это видно из рисунка, различие в ходе этих двух лучей определяется
двойной толщиной пленки S (при падении луча под углом, близким к прямому).
Если учесть, что длина световой волны в прозрачной среде сокращается в
обусловленное коэффициентом преломления число раз, то условия погашения
данного луча с длиной волны l для пленки с показателем преломления n будут
удовлетворяться, если толщина пленки S будет отвечать следующим
значениям:
;
16
и т.д. (23)
По этим формулам можно определить S, если установить
Цвет пленки
S, мкм
желтый
0,046
оранжевый
0,052
красный
0,058
фиолетовый
0,068
синий
0,072
RT
E
V
a
eKV
;5,21
ме
ок
V
V
,
меок
меок
ме
ок
Аm
М
V
V
интерференционное погашение луча при освещении образца
монохроматическим светом. Такие измерения были проведены (таб. 3). Данные,
приведенные в табл. 3, представляют собой толщины окисных пленок на
железе, на котором получены цвета побежалости при нагревании образца на
воздухе.
Таблица 3
Толщина оксидных пленок на железе
Зная толщину пленки и продолжительность процесса окисления, можно
рассчитать скорость газовой коррозии.
В соответствии с уравнением Аррениуса скорость газовой коррозии V
является функцией температуры:
, (24)
где KV – константа скорости, Ea – эффективная энергия активации процесса.
Сплошные оксидные пленки могут препятствовать дальнейшему
окислению металла если выполняется условие сплошности:
(25)
(26)
где V
– молекулярный объем оксида; Vме – молекулярный объём металла;
ок
Мок – молекулярная масса оксида, г/моль, ме – плотность металла, г/см3;
17
– плотность оксида, г/см3, Аме – атомная масса металла, г/моль,
ок
m – количество атомов металла в оксиде, ед.
Рост пористой (незащитной) пленки (соотношениеVок/Vме<1)
контролируется скоростью химической реакции окисления металла
(кинетический контроль процесса) и протекает во времени по линейному
закону
h=k. (27)
Если пленка сплошная (соотношение Vок/Vме>2,5) и оказывает
сопротивление проникновению кислорода к металлу, то рост оксидной пленки
описывается параболическим законом
h2 = k. (28)
Часто рост тонких оксидных пленок (соотношение 1<Vок/Vме<1,7)
на металлах при низких температурах и на первых стадиях окисления металлов
при высоких температурах сопровождается большим самоторможением во
времени, тогда выполняется логарифмический закон
h = kln. (29)
Окисление металлов в различных температурных интервалах происходит
по-разному. Линейный закон окисления характерен для натрия, кальция,
магния; параболический – для меди, железа, никеля; логарифмический – для
алюминия, цинка, хрома. Например, рост пленки на железе при температурах
до 400°С происходит по логарифмическому закону, а в интервале
500-1100°С – по параболическому.
Техника безопасности при выполнении лабораторной работы
1. К работе допускаются студенты, прошедшие инструктаж по технике
безопасности и получившие допуск на выполнение работы у преподавателя.
2. Необходимо соблюдать меры предосторожности при работе с
электрической печью, для перемещения образцов стали после нагрева
использовать рукавицы. Включение электродвигателя вакуумного
18
механического насоса проводить только с разрешения преподавателя и
учебного мастера.
3. При использовании химических реактивов не допускать попадания в
глаза и на кожные покровы. В случае попадания смыть большим количеством
воды.
4. Сообщить дежурному сотруднику кафедры об окончании работы.
Методика лабораторного эксперимента, аппаратура и порядок
выполнения работы
Приборы: термопара типа ХА, пирометр оптический, вторичный
регистрирующий прибор, секундомер, электрическая плита,.
Принадлежности: образцы стали (алюминия, меди), наждачная бумага
для зачистки образцов, эталонный образец, 0,1 М раствор кристаллогидрата
сульфата меди (медный купорос CuSO4∙5Н2О).
Рис. 5. Схема экспериментальной установки определения скорости
высокотемпературного окисления стали по цветам побежалости:
1 – электрическая плитка; 2 – образец; 3 – вторичный регистрирующий прибор;
4 – термопара
Порядок проведения работы
1. Собрать экспериментальную установку в соответствии со схемой,
которая приведена на рис. 5.
2. Зачистить образец до блеска и протереть фильтровальной бумагой.
19
3. Включить электроплитку и выдержать 10-15 мин., чтобы поверхность
№
п/п
Температура t, и время
до появления синего
цвета
Скорость
образования
пленки v,
мм/час
1/Т
lgv
Эффективная
энергия
активации
процесса Ea,
кДж/моль
o
C
ч
1
плиты нагрелась, положить образец на плиту так, чтобы он плотно
прилегал к поверхности, установить на поверхность образца термопару
(термопара должна касаться поверхности образца), одновременно
включив секундомер.
4. С появлением синего цвета побежалости на поверхности образца
(сравнить с эталоном) выключить секундомер. Данные ( - время до
появления синего света и t - температура на поверхности образца в
момент появления синего цвета) занести в таблицу 4. Повторить
эксперимент с другими образцами при двух других значениях
температуры.
Таблица 4
Результаты проведения эксперимента
Рис. 6. Замер температуры пластины оптическим пирометром в
нескольких точках
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]