Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Гомельский Государственный Технический Университет им. П.О. Сухого

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

pract1

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

15.04.2015

Размер:

441 Кб

Скачать

☆

1 / 51 2 3 4 5 > Следующая >>>

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет

имени П.О. Сухого»

Кафедра «Металлургия и литейное производство»

В.А. Жаранов

ТЕОРИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Методические указания к практическим и контрольным работам по одноименному курсу для студентов дневного и заочного отделения специальности 1-42 01 01 «Металлургическое производство и материалообработка» (по направлениям)

Гомель 2010

УДК 669.02/.09(075.8)

ББК

Рекомендовано к изданию научно-методическим советом механикотехнологического факультета ГГТУ имени П.О.Сухого (протокол №9 от

28.12. 2010 г.)

Автор-составитель: В.А. Жаранов

Рецензент: к.т.н., доцент, зав. кафедрой «Материаловедение в машиностроении » ГГТУ им. П.О. Сухого И.Н. Степанкин

Теория металлургических процессов: методические указания к практическим и контрольным работам по одноименному курсу для студентов дневного и заочного отделения специальности 1-42 01 01 «Металлургическое производство и материалообработка» (по направлениям)/ авт.-сост. В.А.Жаранов. – Гомель: ГГТУ им. П.О.Сухого, 2010. – 43 с.

ISBN

В учебном пособии представлены задачи и образцы их решения применительно к термодинамике высокотемпературных процессов, протекающих в металлургических агрегатах: рассмотрены закономерности взаимодействия газовой, шлаковой и металлической фаз, процессы раскисления металлических расплавов. Пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности 1-42 01 01 01 «Металлургическое производство и материалообработка» (металлургия)

	Содержание
1	Расчет окислительно-восстановительных реакций........................................	4
2	Расчеты восстановительных процессов в металлургических процессах ...	11
3	Термодинамика процессов в расплавах металлов........................................	14
4	Расчет межфазных взаимодействий в сталеплавильных агрегатах............	19
5	Расчет реакций в газовой фазе металлургических плавильных агрегатов. 22
6	Раскисление металлических расплавов. Расчеты процессов химической
диссоциации в металлургических процессах...................................................		27
7	Термодинамика и физико-химические процессы в шлаковых расплавах.
Моделирование и расчет процессов в металлургических шлаках.................		34
	Варианты заданий для контрольных работ...................................................	42
Литература..........................................................................................................		43

1 Расчет окислительно восстановительных реакций

Большую роль в металлургических процессах играет реакция взаимодействия твердого углерода с кислородсодержащей газовой фазой. Взаимодействие кислорода газовой фазы с твердым углеродом происходит по двум реакциям:

C O2	CO2 ;	(1)
2C O2	2CO .	(2)

При избытке твердого углерода в системе реакции (1) и (2) характеризуются очень низким остаточным содержанием кислорода в равновесной газовой смеси. Соотношение между CO и CO2 в равновесной

газовой смеси можно установить из анализа условий равновесия реакции газификации твердого углерода:

C CO2 2CO ;			(3)
	P2
Kp3	CO	.	(4)

	PCO2

Для расчета равновесного состава газовой фазы реакции (3) записываем константу равновесия (4) через состав смеси, выраженный в объемных процентах:

Kp3	(%CO)2		P	,	(5)
	(%CO2 )	100

где Р – общее давление в газовой смеси.

Если в газовой фазе нет других газов, кроме CO2 и CO, то их сумма равна 100%. Обозначим: (%CO) = х; (%CO2 ) = 100–х.

Подставляя эти обозначения в выражение для константы равновесия, получаем:

Kp3	x2			P	.
	(100	x)	100

Решение полученного квадратного уравнения позволяет определить равновесную концентрацию окиси углерода в газовой смеси:

	Kp3		P
(%CO) x 50		1 4		1 .	(6)
(%CO) x 50	P	1 4	Kp3	1 .	(6)
	P		Kp3

Взаимодействие газовой смеси из кислорода и азота (обычный или обогащенный кислородом воздух) с твердым углеродом приводит при избытке твердого углерода в системе к образованию смеси из CO2 и CO с

определенным содержанием в ней азота. Для определения равновесного состава газовой фазы реакции (3) в этом случае вводим обозначения: (%CO

) = х; (%CO2 ) = y; (%N2 ) = z.

Составляем уравнения, связывающие переменные величины x, y и z:

Kp3	x2P	;	(7)
	100y

x + y + z = 100.			(8)

Третье уравнение определяет содержание азота в смеси. На образование 1 моля CO2 расходуется 1 моль O2 , а на образование 1 моля CO – 0,5 моля

O2 . Для обогащенного кислородом воздуха вводим обозначение

nN2 / nO2	(%N2 ) /(%O2 ),
т.е. каждый моль O2 вносит в смесь γ молей N2 . Поэтому третье уравнение
имеет вид:
	z	x y .	(9)

	2

Решая систему уравнений (7)–(9), находим значение х, т.е. содержание CO в равновесной газовой смеси:

	25(	2)	Kp3		16( 1) P
x				1		1 .	(10)
x	( 1)		P	1	( 2)2 Kp3	1 .	(10)
	( 1)		P		( 2)2 Kp3

Далее из уравнения (7) находим величину у, а из уравнения (8) –

величину z.				и CO в составе смеси
Для нахождения относительного содержания CO2				и CO в составе смеси
пользуемся соотношением
(%CO)отн	%CO	100	;	(11)
(%CO)отн	%CO %CO2	100	;	(11)
	%CO %CO2

(%CO2 )отн 100 (%CO)отн .

(12)

Значение равновесного давления кислорода в газовой смеси находим из условий равновесия реакции 2CO O2 2CO2 для заданной температуры и

давления.

Константа равновесия этой реакции

Kp	(%CO2 )2	100	.
	(%CO)2 (%O2 ) P

Равновесное давление кислорода в газовой смеси

PO2 (%O2 )P /100 (%CO2 / %CO)2 / KP .

Значение кислородного потенциала для равновесной газовой смеси CO в присутствии твердого углерода определяем по уравнению

0 19,155TlgPO2 .

(13)

CO2 –

(14)

Пример 1. Определить состав равновесной газовой смеси, полученной при взаимодействии обогащенного кислородом воздуха с твердым углеродом для заданных условий и рассчитать равновесное давление кислорода в газовой смеси.

Условия задачи:

состав обогащенного воздуха: N2 – 76%, O2 – 24%;

общее давление в системе Р’= 0,5·105 Па;

расчет произвести для шести температур в интервале 700…950 °С.

Решение. Исходные данные для расчета приводим в виде таблицы 1. Таблица 1

Состав обогащенного				Температура, °С					Давление
	воздуха, %
									Р’, Па
N2		O2	1	2	3	4	5	6

76		24	700	750	800	850	900	950	0,5·105

Для определения равновесного состава газовой смеси находим соотношение между азотом и кислородом в обогащенном воздухе:

7624 3,1667 .

Пользуясь уравнением lg Kp3			9001	9,28, находим значения				Kp3 для
			T
шести заданных температур (таблица 2).							Таблица 2
							Таблица 2

Т, К	973	1023	1073		1123	1173		1223
Kp3	1,07	3,03	7,79		18,40	40,41		83,22

Подставляя величины Р=Р’·10 5 и в уравнение (10), получаем расчетное уравнение для определения значений х при заданных температурах:

	25(3,1667 2)		Kp3		16(3,1667 1) 0,5					1,2487
x		1)		1	(3,1667 2)2 Kp3	1	62K	p3	1		1 .
x	(3,1667		0,5	1		1	62K		1	Kp3	1 .
	(3,1667		0,5							Kp3

Подставляя в полученное уравнение найденные ранее значения Kp3 ,

находим значения х для шести заданных температур.

Подставляя значение Р=Р’·10 5 в уравнение (7), получаем расчетное уравнение для определения величин y при заданных температурах:

y	x2	0,5	0,005	x2	.
	Kp3	100
				Kp3

Находим значения y для найденных величин х. Подставляя полученные значения х и y в уравнение (8), находим z = 100 – (x + y).

По уравнениям (11) и (12) определим относительное содержание CO и CO2 в составе смеси для заданных температур.

Определение равновесного давления кислорода в газовой смеси CO2 – CO

производим путем подстановки в уравнение (14) значений концентраций CO2 и CO для соответствующих температур:

PO2 (%CO2 / %CO)2 / KP (y / x)2 / KP .

Расчет значений Kp производим по уравнению lg Kp 29566T 9,16 .

Результаты расчета сводим в таблице 3 ( PO' 2 (Па) P 105 ) [5].

													Табл ца 3

						Состав			Относительно
№	T, °C	T, К		равнове ной					е содержание,			PO'	, П а	lg PO'
п/п				газовой смеси, %								2		2
												2		2

				C		CO2	N2		CO		CO2
1	700	973		31, 32		4,58	64,10		87,2		12,8	1,28·10 18		–17 ,89
2	750	1 023		35, 39		2,78	62,54		94,5		5,5	6,19·10 18		–17 ,21
3	800	1 073		37, 27		0,89	61,84		97,7		2,3	2,31·10 18		–16 ,69
4	850	1 123		38, 07		0,39	61,54		99,0		1,0	7,27·10 18		–16 ,14
5	900	1 173		38, 42		0,18	61,40		99,5		0,5	2,02·10 18		–15 ,69
6	950	1 223		38, 56		0,09	61,35		99,8		0,2	5,25·10 18		–15 ,28
Используя			расчетные данные, строим							графики		зависим сти		состава
равновесной			газовой		смеси		для	реакции газификации					углерода		от
температуры			(рис. 1) и			зависимости			равновесного давления кислорода						в

газов ой смеси		(CO2 CO )		для реакции газифи ации				глерода		от
температуры (рис. 2).
Рис. 1. Зависимость относительного					Рис. 2. Зависимость
сод ержани COв газовой смеси для					равновесного давления
реакции газификац и углерод от					кислорода в		газовой смеси			CO –
тем пературы					CO для реак ции газ ификации
За ание.					углерода от температуры
	Д ля заданного			варианта	условий	задачи (табл це			4)
рассчитать	значения		равновесного		давления		кислорода		и
кислородных		потенциалов		в равновесной		газовой		смеси,
образующейс		при	взаимо действии		обогащенного		кислородом

воздуха ( N2 – O2 ) с твердым углеродом для шести заданных

температур.

Результаты расчета привести в виде таблице. 4.

Таблица 4 Результаты расчета окислительных свойств газовой смеси

								Состав				Относительно			PO2 ,				0 ,
№	t, °C			T, K		равновесной						е содержание,			PO2 ,	lgPO2			0 ,
п/п	t, °C			T, K		газовой смеси, %						%			Па	lgPO2			Дж
						CO		CO2		N2		CO		CO2

Варианты условий задачи приведены в таблице 5.															Таблица 5
															Таблица 5

№			Состав
№		обогащенног									Температура, °C						Давление
вари-		обогащенног									Температура, °C						Давление
вари-		о воздуха, %															, Па·10-5
анта
анта		N2			O2		1		2		3		4	5	6
		N2			O2		1		2		3		4	5	6
1		2			3		4		5		6		7	8	9			10
1		74			26		710		760		810		860	910	960			0,5
2		72			28		720		770		820		870	920	970			0,5
3		70			30		730		780		830		880	930	980			0,5
4		68			32		740		790		840		890	940	990			0,5
5		66			34		750		800		850		900	950	1000			0,5
6		64			36		702		752		802		852	902	952			0,9
7		62			38		712		762		812		862	912	962			0,9
8		60			40		722		772		822		872	922	972			0,9
9		58			42		732		782		832		882	932	982			0,9
10		56			44		742		792		842		892	942	992			0,9
11		54			46		752		802		852		902	952	1002			0,9
12		52			48		704		754		804		854	904	954			1,3
13		50			50		714		764		814		864	914	964			1,3
14		48			52		724		774		824		874	924	974			1,3
15		75			25		734		784		834		884	934	984			1,3
16		73			27		744		794		844		894	944	994			1,3
17		71			29		754		804		854		904	954	1004			1,3
18		69			31		706		756		806		856	906	956			1,7
19		67			33		716		766		816		866	916	966			1,7
20		65			35		726		776		826		876	926	976			1,7
21		63			37		736		786		836		886	936	986			1,7
22		61			39		746		796		846		896	946	996			1,7

Окончание таблицы 5
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
23	59	42	756	806	856	906	956	1006	1,7
24	57	43	708	758	808	858	908	958	2,1
25	55	45	718	768	818	868	918	968	2,1
26	53	47	728	778	828	878	928	978	2,1
27	51	49	738	788	838	888	938	988	2,1
28	49	51	748	798	848	898	948	998	2,1
29	47	53	758	808	858	908	958	1008	2,1

Контрольные вопросы

1.Понятие кислородного потенциала сложной газовой фазы.

2.Общие характеристики окислительного потенциала газовой фазы.

3.Расчет равновесного давления кислорода и кислородных потенциалов в равновесной газовой смеси.

4.Факторы, влияющие на изменение равновесного состава газовой фазы при окислении твердого углерода.

1 / 51 2 3 4 5 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

#
25.08.2019280.58 Кб18Otchyot.doc
#
19.09.20197.63 Mб22Otvety_po_PT.doc
#
24.09.2019171.14 Кб2pechatat_kmaprr.docx
#
22.04.2019248.32 Кб4Politologia.doc
#
21.03.20164.2 Mб166pract-2788.pdf
#
15.04.2015441 Кб30pract1.pdf
#
15.04.2015962.75 Кб11Prakticheskoe_posobie_NM.pdf
#
13.11.201917.31 Mб20Praktikum_po_OGiPM_gotovo.doc
#
15.04.2015288.98 Кб8programm1.pdf
#
02.08.2019160.77 Кб2psihologia_dlya_svety.doc
#
29.04.20191.08 Mб6Reshenie_uravnenii_i_sistem_v_MathCad.doc