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
5. С целью определения химической стойкости оксидной плёнки,
Расстояние от края
пластины, мм
Время разрушения защитной плёнки, с
Замер 1
Замер 2
Среднее
значение
AR303,2Е
а
необходимо взять исследуемый образец стали - стальную пластину
длиной 25 см, шириной 2 см, зачистить наждачной бумагой и
расположить на электрической плитке таким образом, чтобы пластина
выступала за край плитки на 10-15 см.
6. Включить электроплитку и выдержать на ней образец 10-15 мин.
Непосредственно перед окончанием нагрева замерить температуру
пластины в нескольких точках оптическим пирометром (рис. 6).
7. Нанести на охлажденную пластинку через каждые 2 см по капле 0,1 М
раствора кристаллогидрата сульфата меди (медный купорос CuSO4∙5Н2О).
В результате протекания реакции (30) на железе возможно образование
медного пятна, присутствие на поверхности железа оксидной плёнки
замедляет данный процесс. Скорость появления пятна определяют
секундомером.
Fe + CuSO4 = Cu + FeSO4 . (30)
8. По результатам эксперимента заполнить табл. 5.
Таблица 5
Результаты проведения эксперимента
Содержание отчета по лабораторной работе
После измерений и расчетов заполнить таблицы 4, 5.
По полученным данным построить график в координатах lgV - 1/Т и
определить эффективную энергию активации по формуле
, кДж/моль, (31)
21
21
12
11
lglg
TT
VV
A
. (32)
Учитывая, что V2V1 и Т1Т2.
По полученным данным построить график в координатах Т пластины
(толщина оксидной плёнки) – время появления медного пятна.
Сделать выводы о влиянии температуры на скорость газовой коррозии, а
толщины плёнки на её химическую стойкость.
Лабораторная работа № 4
Исследование процесса окалинообразования при нагреве стальных
заготовок
Цель работы: определение влияния времени и температуры нагрева на
потери металла в результате окалинообразования.
Пояснения к работе
Нагрев слитков и заготовок перед прокаткой осуществляется с целью
повышения их пластичности и уменьшения сопротивления деформации.
Продолжительность нагрева металла определяется физико-химическими
свойствами нагреваемой стали, температурными условиями, зависящими от
конструкции печи, расположения металла в печи, формы и размеров
нагреваемых изделий и др.
Правильно выбранный режим и температурные интервалы нагрева
позволяют получить однофазную структуру. Благодаря диффузии происходит
перераспределение примесей и выравнивание состава металла (гомогенизация).
При неправильном режиме нагрева неизбежны перегрев, пережог,
повышенный угар металла, оплавление, обезуглероживание или
науглероживание и плохая структура, а также могут появиться трещины,
рванины, образования плены. Несоблюдения установленных режимов
охлаждения и нагрева металла приводит к образованию «скворечников»,
22
разрушению металла при нагреве или получению продольных и поперечных
)800(067,0
1
tty
трещин.
При нагреве металла происходит окисление его с образованием окалины,
которая является источником потерь годного металла. Угар металла при
нормальной работе нагревательных устройств составляет 1-2% массы металла,
а при неудовлетворительной работе до 4-5%. Кроме того, окалина при прокатке
вдавливается в металл, что ухудшает качество поверхности [3].
На образование окалины влияет температура, продолжительность
пребывания металла при высоких температурах, скорость нагрева и печная
атмосфера. Образование окалины протекает более энергично при температурах
выше 900-1000°С. Окисление металла в печи тем больше, чем дольше металл
находится в печи при высоких температурах. Угар тем меньше, чем больше
скорость нагрева. Для уменьшения угара процесс горения газов должен
протекать при наименьшем избытке воздуха и с наибольшей полнотой, причем
давление в печи должно быть положительным.
На окисление металла оказывает также влияние отношение поверхности
нагреваемого металла к его объему: чем больше это отношение, тем сильнее
окисление металла.
Окисление железа протекает в 3 стадии с выделением тепла:
2Fe+O2=2FeO+540097 кДж/моль, (34)
6FeO+O2=2Fe3O4+611272 кДж/моль; (35)
4Fe3O4+O2=6Fe2O3+43961 кДж/моль; (36)
Соответственно стадиям образуются и слои, которые по толщине
составляют: FeO ~80%; Fe3O4(FeO∙Fe2O3) ~18% и Fe2O3 ~2%.
Приближенно относительный поверхностный угар малоуглеродистой
стали при постоянной температуре (для электропечей в интервале температур
от 800 до 1350оС) можно определить по формуле
, (37)
где у1 – относительный поверхностный угар стали, г/м2;
t – температура выдержки, оС;
23
τ - продолжительность выдержки, мин.
%100
2
12
M
MM
F
MM
12
F
MM
12
см
g
S
Fe
,
Зная площадь поверхности заготовки и ее массу, можно определить и
процентное отношение металла на угар при том же значении выдержки:
y2=(y1∙F/M) ∙100%, (38)
где y2 – относительные потери металла на угар, %;
F – поверхность нагреваемого металла, м2;
М – масса нагреваемого металла, г.
Интенсивность окалинообразования можно количественно оценить
следующими величинами, рассчитываемыми по экспериментальным данным:
1. Относительные потери метала на угар (χ) вычисляются как
, (39)
где M1 – масса заготовки до нагрева, г;
М2 – масса заготовки после нагрева, г.
2. Относительный поверхностный угар (ψ) вычисляется по формуле
, г/см2, (40)
где F – полная площадь поверхности заготовки, см2.
3. Cкорость окисления (ω) – отношение величины поверхностного угара к
полному времени нагрева заготовки в часах
, г/(см2∙ч), (41)
где τ – время нагрева заготовки, час.
4. Tолщина слоя окалины (S) – имеет связь с относительным поверхностным
угаром в такой зависимости:
, (42)
где ρ=3,9-4,0 – плотность окалины, г/см3;
gFe =0,715-0,765 содержание железа в окалине, г/г (в расчетах
принимать g
Feсред
=0,74г/г)
24
5. Экономические потери (ЭП) можно рассчитать, зная себестоимость стали
(С) руб/т стали:
ЭП = С ·χ/100. (43)
Техника безопасности при выполнении лабораторной работы
1. К работе допускаются студенты, прошедшие инструктаж по технике
безопасности и получившие у преподавателя допуск на выполнение работы.
2. Категорически запрещается выполнять работу, без принудительной
вентиляции лаборатории.
3. В ходе выполнения лабораторной работы необходимо соблюдать меры
предосторожности и не выполнять действий без уведомления сотрудника
кафедры.
Методика эксперимента и аппаратура
В работе используются: муфельная электрическая нагревательная печь со
встроенным микроконтроллерным электронным регулятором температуры;
химические весы с набором разновесов; штангенциркуль; стальные
цилиндрические или плоские образцы в количестве 3-6 штук.
Порядок проведения работы
1. Четыре чистых стальных заготовки взвесить на химических весах с
точностью до 0,01 г и записать результаты в таблицу 6.
2. Штангенциркулем замерить размеры каждой заготовки и определить
полную площадь поверхности заготовки.
3. Установить образцы в печь с температурой: 1) 600°С; 2) 1000°С.
Зафиксировать время установки образцов в печь и температуру печи.
Температура выдержки может корректироваться преподавателем.
4. Выдержать образцы в печи определенное время: 1) 15 мин.; 2) 25 мин.
Время выдержки может корректироваться преподавателем.
5. Охладить образцы и взвесить вторично с точностью до 0,01г. Записать
результаты в таблицу 6.
25
6. По формулам (37)-(43) рассчитать опытные величины, результаты
Номер о
бразца
Масса заготовки до
нагрева
, М
1
, г
Средняя температура
печи
, t,
о
С
Время выдержки
,
τ, мин
Масса заготовки после
нагрева
, М
2
,г
Относительный угар
(расчет)
, у
2
, %
Относительный угар
(эксперимент)
, χ, %
Относительный
поверхностный угар
, ψ
,
г/см
2
Скорос
ть окисления
ω,
г/(см
2
∙ч)
Толщина
S, см
1 2
расчетов свести в таблицу 6.
7. Построить графики χ = f(τ); ψ = f(τ); ω = f(τ); S = f(τ).
8. Оформление отчета завершить анализом теоретических и опытных
результатов и выводами.
Таблица 6
Опытные и расчетные данные по процессу окалинообразования
Лабораторная работа № 5
Изучение процессов восстановления оксида железа
Цель работы: ознакомиться с процессами восстановления оксидов металлов
Основные теоретические положения
Процессы углетермического восстановления оксидов железа принадлежат
к числу сложных гетерогенных, физико-химических процессов, в которых
участвуют твердые, жидкие и газообразные вещества.
Наиболее часто используется двухстадийная схема восстановления
оксидов, основанная на адсорбционно-каталитической теории Г.И. Чуфарова.
Согласно данной теории, взаимодействие между оксидами и углеродом
осуществляется по двухэтапному механизму при участии газовой фазы, которая
регенерируется углеродом по реакции газификации:
26
(44)
(45)
На начальном этапе при достаточно хорошем контакте реагентов
восстановление происходит локально на границе контакта путем
непосредственного взаимодействия оксида и твердого углерода. Область
прямого контакта между твердым восстановителем и оксидом ограничена,
а коэффициенты взаимной диффузии малы. Реакция является ведущей до тех
пор, пока на поверхности оксида не образуются твердые продукты реакции в
виде тонкого слоя, который препятствует диффузии реагентов в твердых фазах.
Далее восстановление происходит преимущественно косвенным путем через
газовую фазу.
Процесс восстановления железа из оксидов протекает ступенчато.
На основании принципа последовательности превращений А.А. Байкова
переход от высших оксидов к низшим происходит по следующим схемам: при
температурах выше 560°С Fе2О
3
Fе3О
4
FеО Fе, ниже 560°С
магнетит восстанавливается до металлического железа, минуя вюстит
Fе2О
3
Fе3О
4
Fе.
Экспериментальными исследованиями установлены температуры
протекания реакций восстановления оксидов железа:
6Fе2О3 +С =3Fе3О4 + СО2, (480-820°С); (46)
Fе3О4 +С = 3FеО + СО (СО2), (820-1000°С); (47)
FеО + С= Fе + СО (СО2).(1000-1185°С); (48)
Поскольку температурная область устойчивости FеО невелика по реакции
(48) происходит образование цементита, который при дальнейшем нагреве до
900°С распадается на металлическое железо и СО (50).
3FеО+ 3С=Fе3С+ 2СО2, (49)
Fе3С+СО2 = 3Fe+ 2СО. (50)
Скорость и степень завершенности процесса восстановления существенно
зависят от скорости нагрева образцов. Установлено, что при увеличении
скорости нагревания от 2,9 до 9,8°С/мин температура начала восстановления
гематита повышается на 10-45°С, а вюстита уменьшается на 20-60°С.
27
При углетермическом восстановлении магнетитовых суперконцентратов
значительное количество металлического железа появляется только при
температуре выше 900°С. Максимальная степень металлизации 33% была
достигнута при 950°С. При 1000°С степень металлизации составила 27,4%
(40 мин обжига). При температурах ниже 900°С степень металлизации
не превышала 5%.
Необходимо отметить, что объемные и поверхностные свойства в
значительной мере определяют термические условия образования оксидов, при
этом наблюдается тесная корреляционная связь между концентрацией
точечных дефектов и адсорбционными свойствами поверхности. Окалина,
образовавшаяся при температурах 1273-1473 К, восстанавливается
со скоростью в 2-4 раза, превышающей скорость восстановления окалины,
сформированной при других температурах.
Рис. 7. Дериватограмма восстановления гематита: ТГ (термогравиметрия) –
потеря массы (в % от массы навески) в зависимости от температуры; ДТГ
(дифференциальная термогравиметрия) – скорость потери веса в зависимости
от температуры; ДТА (дифференциальный термический анализ) тепловые
эффекты в зависимости от температуры
28
Процессы, протекающие при восстановлении оксидов железа,
сопровождаются кристаллохимическими превращениями, приводящими к
изменению теплосодержания системы, которое может быть зарегистрировано
методом дифференциально-термического анализа. Нагрев проводили в
температурном интервале 20-1000°С со скоростью 10°С/мин.
В качестве образца сравнения использовали прокаленный до 1400°С оксид
алюминия. Для эксперимента использовали порошок чистого гематита, в
качестве восстановителя – размолотый древесный уголь.
Были зафиксированы два основных эндотермических эффекта (рис. 7),
соответствующих восстановлению Fе2О3 до Fе3О4 при 700-800°С
и восстановлению Fе3О4 при 850-950°С. Потеря суммарной массы кислорода из
оксидов железа составила 56 мг, что соответствует степени восстановления в
86% и степени металлизации в 79%.
Рентгенофазовый анализ показал, что в полученных образцах порошок
состоит из смеси оксидов железа с разной степенью окисления. Степень
металлизации 45-65%.
Порядок выполнения работы
Оборудование: электропечь лабораторная, аналитические весы,
микроскоп. Исходные материалы: окалина (чешуйчатая, пылевидная); коксовая
мелочь, древесный уголь; известняк; алюминий.
Порядок проведения эксперимента.
1. Приготовить навеску следующего состава: окалина, коксовая мелочь в
количестве 50% от массы окалины), известняк (10% от массы окалины).
2. Приготовленные материалы перемешать, пересыпать в керамическую
емкость и накрыть крышкой.
3. Нагреть печь до температуры 500оC. Емкость с материалом поставить в
печь и нагреть до температуры 800-1200оС. При этой температуре выдержать в
течение 20-60 минут.
4. Извлечь емкость из печи, охладить, не открывая крышку.
29
5. Извлечь материал, аккуратно отделить от навески оставшийся коксик
Температура нагрева, оС
Время нагрева, мин
20
40
60
(с помощью магнита), измерить массу навески без коксика.
6. Рассчитать потерю массы Δm (%) по формуле
Δm =
(51)
где mок – масса окалины, г; m`ок – масса навески без коксика, г.
Полученные данные записать в таблицу 7. Составы навесок, время и
температура восстановления для следующих экспериментов выбираются по
программе испытаний. Стоится график для полученных результатов.
Таблица 7
Потеря массы окалины в процессе восстановления (масс.%)
Содержание отчета
1. Цель работы.
2. Основные положения по теме работы.
3. Описание отдельных стадий выполнения работы с указанием
используемого оборудования с необходимыми пояснениями, цифровыми
данными, зарисовками.
4. Анализ полученных результатов, выводы.
Лабораторная работа № 6
Определение скорости коррозии стали
Цель работы: изучение потери металла от коррозии в различных средах
путем измерения механических свойств образцов до и после выдержки их в
агрессивных средах (водных растворах в течение 3-7 суток). С помощью
оптических микроскопов студенты определяют структуру сплавов в процессе
коррозионного разрушения и до него.
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]