Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Процессы получения и обработки материалов. Теория и расчеты металлургических процессов и систем. Учебное пособие
.pdf
№ 2966
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»
Кафедра функциональных наносистем и высокотемпературных
материалов
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
ИНСТИТУТ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ
Процессы получения
и обработки материалов
Теория и расчеты металлургических
процессов и систем
Учебное пособие
Рекомендовано редакционно-издательским
советом университета
Москва 2017
1
УДК 669.04:669.01:620.22(075.8)
П84
Рецензент
д-р техн. наук, проф. А.Е. Семин
Авторы: Г.В. Серов, С.Н. Падерин, Е.Н. Сидорова, Д.В. Кузнецов
Процессы получения и обработки материалов : теория и
П84 расчеты металлургических процессов и систем : учеб. посо-
бие / Г.В. Серов [и др.]. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС»,
2017. – 118 с.
ISBN 978-5-906847-76-1
Изложены основы термодинамики высокотемпературных систем – газо-
вой фазы, металлического и оксидного расплавов, низкотемпературной плазмы. Приведены расчеты состава и свойств газовых атмосфер, активностей
компонентов в жидких металлах и оксидных расплавах, межфазного распределения компонентов. Показана возможность определения растворимости газов в металлических расплавах сложного состава, использования электрохимических измерений в газах и жидких металлах для контроля состояния фаз
и управления технологическими процессами.
Предназначено для студентов бакалавриата, обучающихся по направле-
нию 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов», может быть полезно магистрантам направления 22.04.01 «Материаловедение и технологии
материалов».
ISBN 978-5-906847-76-1
2
УДК 669.04:669.01:620.22(075.8)
Коллектив авторов, 2017
НИТУ «МИСиС», 2017
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие .............................................................................................. 5
1. Состав и свойства высокотемпературных газовых атмосфер .......... 7
1.1. Окислительно-восстановительные свойства газовой
атмосферы по отношению к металлам и их оксидам ........................ 7
1.1.1. Теоретическое введение ....................................................... 11
1.1.2. Примеры решения задач ...................................................... 11
1.1.3. Задачи для самостоятельного решения .............................. 13
1.2. Состав и свойства газовой атмосферы в присутствии
углерода ............................................................................................... 14
1.2.1. Теоретическое введение ....................................................... 14
1.2.2. Примеры решения задач ...................................................... 16
1.2.3. Задачи для самостоятельного решения .............................. 18
2. Низкотемпературная плазма. Оценка равновесных
концентраций компонентов низкотемпературной плазмы ................. 19
2.1. Теоретическое введение .............................................................. 19
2.2. Примеры решения задач ............................................................. 22
2.3. Задачи для самостоятельного решения ..................................... 22
3. Образование и диссоциация соединений.
Количественные характеристики прочности оксидов ........................ 24
3.1. Теоретическое введение .............................................................. 24
3.2. Примеры решения задач ............................................................. 28
3.3. Задачи для самостоятельного решения ..................................... 31
4. Восстановление оксидов металлов ................................................... 33
4.1. Термодинамические основы процессов .................................... 33
4.2. Металлотермическое восстановление ....................................... 33
4.3. Углетермическое восстановление .............................................. 34
4.4.
Восстановление металлов газами ............................................... 35
4.5. Примеры решения задач ............................................................. 35
4.6. Задачи для самостоятельного решения ..................................... 39
5. Металлические растворы ................................................................... 42
5.1. Теоретическое введение .............................................................. 42
5.2. Примеры решения задач ............................................................. 49
6. Межфазное распределение кислорода .............................................. 53
6.1. Теоретическое введение .............................................................. 53
6.2. Примеры решения задач ............................................................. 54
6.3. Задачи для самостоятельного решения ..................................... 59
3
7. Расчет и построение изотермы раскисления металла ..................... 61
7.1. Теоретическое введение .............................................................. 61
7.2. Примеры решений задач ............................................................. 63
7.3. Задачи для самостоятельного решения ..................................... 65
8. Водород в железе и его сплавах ........................................................ 67
8.1. Теоретическое введение .............................................................. 67
8.2. Растворимость водорода в жидкой стали .................................. 68
8.3. Примеры решения задач ............................................................. 70
8.4. Задачи для самостоятельного решения ..................................... 71
9. Азот в железе и его сплавах ............................................................... 73
9.1. Теоретическое введение .............................................................. 73
9.2. Расчет растворимости
азота в легированных
расплавах железа ................................................................................ 74
9.3. Примеры решения задач ............................................................. 77
9.4. Задачи для самостоятельного решения ..................................... 77
10. Электрохимические измерения в жидких металлах и газах ......... 79
10.1. Теоретическое введение ............................................................ 79
10.2. Примеры решения задач ........................................................... 88
10.3. Задачи для самостоятельного решения ................................... 90
11. Металлургические шлаки ................................................................ 92
11.1. Теоретическое введение ............................................................ 92
11.2. Примеры решения задач ........................................................... 96
12. Термодинамика окисления углерода и хрома
при кислородной продувке хромсодержащего расплава .................. 104
12.1. Теоретическое введение .......................................................... 104
12.2. Примеры решения задач ......................................................... 106
12.3. Задачи для самостоятельного решения ................................. 110
Библиографический список ................................................................. 112
Приложение 1. Изменение энергии Гиббса в реакциях
образования оксидов из компонентов в стандартных
состояниях ............................................................................................. 113
Приложение 2. Массовые параметры взаимодействия
первого порядка
j
e в жидком железе при 1873 К ............................. 115
i
Приложение 3. Температурные функции некоторых
параметров взаимодействия в жидком железе .................................. 117
4
Предисловие
Технический прогресс в развитии общества во многом определяется успехами в создании новых материалов и технологий их производства. Появление новых технологических схем производства и обработки стали и сплавов, включая использование прогрессивных видов сырья, агрегатов, способов управления процессами позволяет
получать готовую продукцию значительно более высокого качества.
Для успешного освоения
знание термодинамических и кинетических основ высокотемпературных процессов, их использование в разработке новых материалов
и технологий производства.
Учебное пособие предназначено для закрепления теоретического
материала на практических занятиях при решении физико-химических
задач, а также для самостоятельного выполнения заданий. Представленные темы изложены в следующем порядке:
ние, примеры решения задач, задачи для самостоятельного решения,
контрольные вопросы для проверки усвоения знаний.
В главе 1 представлены термодинамические расчеты высокотемпературных газовых атмосфер с определением равновесных составов, кислородных потенциалов и окислительно-восстановительных
свойств по отношению к конкретному металлу и его оксиду.
Свойства низкотемпературной плазмы, расчет равновесных концентраций
ее компонентов рассмотрены в главе 2.
В главах 3 и 4 рассмотрены закономерности образования и диссоциации химических соединений, количественные характеристики
прочности оксидов, задачи по восстановлению металлов из оксидов с
использованием разных восстановителей.
В главах 5, 6, 7 приведены основы термодинамики металлических
растворов, расчеты активности компонентов легированных расплавов. Даны расчеты растворимости кислорода в металлах, его
фазного распределения. Основы термодинамики раскисления рассмотрены при построении изотерм раскисления с выявлением зависимости концентрации и активности растворенного в расплаве кислорода от содержания элемента раскислителя.
В главах 8 и 9 представлены данные о влиянии водорода и азота на
свойства металлов, расчет растворимости газов в расплавах в зависимости от состава
металла, температуры и давления в газовой фазе.
новых технологий важное значение имеет
теоретическое введе-
меж-
5
В главе 10 обучающиеся знакомятся с методикой электрохимических измерений и расчетов в газах и жидких металлах, способом
оценки состояния высокотемпературных фаз и управления межфазными процессами.
В главе 11 рассмотрены термодинамические модели оксидных
расплавов, даны примеры расчета активностей компонентов шлаков
по моделям совершенного ионного раствора и регулярного ионного
раствора.
В главе 12 представлен
анализ процесса совместного окисления
углерода и хрома при выплавке хромсодержащей стали с определением оптимальных условий окислительного рафинирования при получении низкоуглеродистых коррозионностойких сталей.
6
1. СОСТАВ И СВОЙСТВА
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ГАЗОВЫХ АТМОСФЕР
1.1. Окислительно-восстановительные
свойства газовой атмосферы по отношению
к металлам и их оксидам
К важнейшим реакциям в газовой фазе металлургических агрега-
тов относятся реакции горения СО и Н
где
2СO О 2СO H
2H О 2H O H
0
G
– стандартное изменение энергии Гиббса реакции, Дж.
221
22 2 2
,
,
Обе реакции экзотермичны, протекают с уменьшением теплосо-
держания системы.
В соответствии с принципом смещения равновесия (равновесие
смещается в направлении, обратном оказанному воздействию) повышение давления в системе и понижение температуры способствуют более полному протеканию реакции.
Так, повышение давления в системах смещает равновесие реакций
в сторону образования газообразных продуктов с меньшим числом
молей (2СО
большего числа молей (2СО
, 2Н2О), а уменьшение давления – в сторону образования
2
+ О2, 2Н2 + О2). Повышение температу-
2
ры смещает равновесие реакций влево, т.е. в сторону протекания реакции с поглощением тепла.
По правилу фаз при числе компонентов k = 2 (число веществ, участвующих в реакции минус химическая реакция) для однофазной
газовой смеси (f = 1) и при двух внешних факторах (р и Т) число степеней свободы
:
2
0
565390 175,17GT
1
0
492230 108,24GT
2
; (1.1)
, (1.2)
22213.С kf
Таким образом, равновесный состав газовых фаз (СО, СО
Н
, Н2О, О2) определяется тремя независимыми переменными вели-
2
(1.3)
, О2 или
2
чинами.
Константы равновесия реакций (1.1) и (1.2) определяются соответственно:
7
2
–
p
CO
K
p
1
K
p
2
2
2
pp
CO O
2
2
p
HO
2
2
pp
HO
22
, (1.4)
(1.5)
и связаны со стандартными изменениями энергии Гиббса соотношением
0
(1.6)
ln .GRTK
p
Температурные зависимости этих констант равновесия следующие:
lg 9,15KT
lg 5, 65KT
29534
p
1
25712
p
2
, (1.7)
. (1.8)
На рис. 1.1 представлено изменение стандартной энергии Гиббса
G рассматриваемых реакций от температуры.
∆G0, кДж
Т, К
Рис. 1.1. Зависимость ∆G0 от температуры реакций горения СО и Н2
Величины ∆G0 реакций горения позволяют оценить и сопоставить
сродство СО и Н
к кислороду в стандартных условиях, полноту про-
2
текания реакций и прочность образующихся соединений.
8
При относительно низких температурах малые значения ∆G0 ре-
акций свидетельствуют о высоком химическом сродстве реагентов и
высокой прочности СО
Наклон линий на графике (см. рис. 1.1) указывает на значительную
зависимость ∆G
0
от температуры. Повышение значений ∆G0 с ростом
и Н2О.
2
температуры указывает на понижение химического сродства реагентов
00
GG
и прочности СО
ет о равном сродстве Н
и Н
О. При Т < 1093 К сродство СО к кислороду выше, чем у Н2, выше и
2
и Н2О. При Т = 1093 К
2
и СО к кислороду и одинаковой прочности СО2
2
12
, что свидетельству-
восстановительная способность этого газа, при Т > 1093 К восстановительная способность становится выше у водорода.
Влияние давления на равновесие реакции можно учесть, выразив
парциальные давления р
компонентов через число молей ni и общее
i
давление р:
np
i
p
i
.
(1.9)
n
i
Константа равновесия связана со степенью диссоциации α (отношение числа распавшихся молекул к их исходному числу).
Рассмотрим реакцию диссоциации
CO
За исходное состояние примем 1 моль СО
циации образуется α молей СО; 0,5 α молей О
молей СО
:
2
Вещество Число молей
СО2 1 1 – α
СО 0 α
О2 0
= CO + 0,5·O2.
2
. Тогда после диссо-
2
и останется (1 – α)
2
Исходное состояние Конечное состояние
0,51
α
В результате образуется следующее число молей:
nn n n
CO O CO
i
22
0,5 1 1 0,5 .
(1.10)
Использовав уравнение (1.9), получим выражения для парциальных давлений компонентов:
1
p
p
CO
2
10,5
, (1.11)
9
p
p
p
p
p
p
p
CO
O
2
10,5
p
10,5
0,5
, (1.12)
.
(1.13)
p
Подставим выражения (1.11) (1.13) в уравнение константы рав-
новесия (1.4):
2
p
CO
K
p
1
2
233
pp p p
O
CO 2
22
110,5 12
(1.14)
.
0,5
Термодинамические расчеты показывают, что при общем давле-
нии 1 атм для 1000 К α ≈ 2·10
-7
, при 2000 К α ≈ 2·10–2, т.е. для темпе-
ратуры t < 2000 °C можно принять α << 1, тогда
Kp
2
p
3
или
2
3
Kp
p
. (1.15)
Вычислив величину α для определенных значений р и Т, можно
,
рассчитать значения
CO
2
CO
и
т.е. определить равновесный состав газовой атмосферы СО–СО
по уравнениям (1.11) – (1.13),
O
2
2–О2
.
Если исходный состав газовой фазы отличается от равновесного, то
при постоянстве значений общего давления и температуры в системе
развиваются процессы (реакции), стремящиеся привести систему к
равновесию. Направление реакции (1.1) определяется с помощью
уравнения изотермы химической реакции (уравнения Вант-Гоффа):
ln ln ln .GRT D K RT D G
0
(1.16)
1
Самопроизвольные процессы идут в сторону убыли свободной
энергии, поэтому если:
ΔG < 0, то реакция должна протекать в прямом направлении, т.е
слева направо;
ΔG > 0, то реакция должна протекать в обратном направлении;
ΔG = 0, имеем равновесие реакции.
Для оценки окислительно-восстановительных свойств газовой фазы используется разность химических потенциалов кислорода
давлении
и стандартном состоянии, т.е. при
O
2
получила название кислородного потенциала (π
). Кислородный по-
0
1p
O
2
при
, которая
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]