ЛР металлургия / 2.Скорость окисления углерода / Теория

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2

КИНЕТИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ОКИСЛЕНИЯ УГЛЕРОДА

(2 часа)

1. Цель работы.

Проведение плавки железоуглеродистого сплава в печи Тамма с целью установления кинетических закономерностей окисления углерода при его различных содержаниях в металле.

II. Теоретическое введение

Процесс окисления углерода обычно рассматривается как совокупность последовательных стадий переноса реагентов, ад­сорбции реагентов и продуктов и собственно химических пре­вращений. Параллельные ему процессы окисления шлакообразующих примесей металлического расплава (кремния, марганца и др.), а также самого железа для упрощения не учитывается.

Реакция окисления углерода

(2.1)

является гетерогенной и развивается на поверхности окислитель­ный газ - жидкий металл либо на поверхности восстановитель­ный, нейтральный или слабоокислительный газ - жидкий ме­талл. Протекание реакции требует одновременного присутствия на межфазной границе углерода и кислорода. Этот процесс мож­но представить в виде следующих стадий:

1 - перенос кислорода в газовой фазе - внешнедиффузионная стадия;

2 - перенос углерода в металлической фазе - внутридиффузионная стадия;

3 - собственно химическое взаимодействие углерода и кислорода - кинетическая стадия;

- кроме того, в ряде случаев выделяют также стадию за­рождения новой фазы (продуктов реакции) и удаление продук­тов реакции из реакционной зоны.

Скорость всего процесса ограничивается самой медлен­ной стадией, получившей название лимитирующей.

Выделить лимитирующую стадию процесса обезуглерожи­вания можно, сравнив потоки реагентов к реакционной поверх­ности. Впервые это было сделано С.И.Филипповым, что по­зволило ему развить на этой основе теорию критических кон­центраций.

Скорость переноса O и C углерода к реакционной поверхности можно записать:

Рис. 2.1. Диффузионные потоки окислителя и окисляемого элемента.

Сравнение диффузионных потоков при постоянных условиях их подвода к реакционной поверх­ности приведено на рис 2.1.

Поток кислорода на этом рисунке показан горизонталь­ными прямыми линиями, так как он зависит от условий подвода к расплаву и не зависит от концентрации углерода. Поток угле­рода выражается прямыми, выходящими из начала координат, так как поток углерода также зависит от условий подвода (2.3) и (2.4) и прямо пропорционален его концентрации в металле.

В области повышенных концентраций углерода его диф­фузионный поток больше потока кислорода. Следовательно, ли­митирующей стадией процесса является перенос кислорода, т.е. внешнедиффузионная стадия.

В области низких концентраций углерода его диффузи­онный поток меньше потока кислорода. Следовательно, в этом случае лимитирующей стадией процесса является перенос угле­рода, т.е. внутридиффузионная стадия.

Концентрации углерода, соответствующие точкам пере­сечения линий диффузионных потоков окислителя и окисляю­щегося элемента, называются критическими концентрациями ([С]). Таким образом, критические концентрации характери­зуют переход процесса окисления углерода от внешнедиффузионного режима к внутридиффузионному.

Существуют экспериментальные методы, позволяющие подтвердить описанные выше теоретические положения. Одним из них является продувка железоуглеродистого расплава кисло­родом при постоянной температуре с периодическим отбором проб металла для определения содержания в нем углерода. По результатам химического анализа определяется скорость окисле­ния углерода и строятся графики зависимости:

• содержания углерода в металле от времени;

• скорости окисления углерода от его содержания в рас­плаве.

Как следует из теории, при лимитировании процесса внешнедиффузионным звеном скорость окисления углерода не зависит от его содержания в расплаве и, следовательно, массо­вая доля углерода должна со временем убывать по линейному закону. При лимитировании же процесса внутридиффузионным звеном, скорость окисления углерода, как это следует из урав­нения (2.3), должна линейно убывать с уменьшением массовой доли углерода, а последняя должна изменяться во времени по логарифмическому закону. Скорость переноса углерода (2.3) бу­дет, естественно, аналогом скорости его окисления. Утвержде­ние о логарифмическом характере зависимости [С] = f(т) следу­ет из решения дифференциального уравнения (2.3) после разде­ления переменных при условии постоянства значений … и ….

Если подобный эксперимент провести хотя бы при двух разных температурах, то можно определить энергию активации процесса, а по ней установить его лимитирующее звено. Зави­симость энергии активации процесса от температуры описы­вается уравнением:

где К - константа скорости окисления; Е_а - энергия активации процесса, Дж/моль; R - универсальная газовая постоянная; Т - температура, К.

III. Лабораторная установка.

Лабораторная установка (рис 2.2) для проведения данной работы представляет собой печь сопротивления (печь Таммана), в высокотемпературной зоне которой находится тигель с метал­лом. Подвод газообразного окислителя к поверхности жидкого металла осуществляется через кварцевую трубку (фурму) диам. 3 - 5 мм. Поддержание необходимой температуры металла осу­ществляется путем регулирования электрического режима печи, а контроль температуры осуществляется термопарой ТВР (изме­рительный прибор - КСП-4).

Рис. 2.2. Схема установки

1 - печь сопротивления Таммана; 2 - кварцевая трубка; 3 - тигель с металлом; ТЕ - термопара; TIR- измерительный прибор, показывающий, регистрирующий

IV. Порядок проведения работы и правила техники безопасности.

Тигель с 250 - 300 г синтетического чугуна (сплав желе­зо - углерод, предварительно выплавленного путем науглерожи­вания кипящего армко-железа) помещают в печь и включают нагрев металла. После расплавления и достижения заданной температуры эксперимента фурму спускают в печь таким обра­зом, чтобы нижний ее срез находился на расстоянии 40 мм от поверхности металла. После этого устанавливают заданный расход окислительного газа (около 0,4 - 1 л/мин).

По ходу проведения эксперимента через каждые 3-5 мин. отбирают пробу металла кварцевой трубкой для опреде­ления содержания углерода и периодически контролируют тем­пературу металла. Из проб металла изготавливают образцы для анализа на приборе АН.75-29.

Перед проведением плавки записываются исходные дан­ные:

Масса металла...

Внутренний диаметр фурмы...

Расход газа...

Расстояние от фурмы до поверхности металла...

Температура плавки....

Результаты экспериментов заносятся в табл. 2.1 (начало расчета - момент начала подачи окислительного газа).