Теория металлугрических процессов
.docxМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Южно-Уральский государственный университет
Филиал в г. Златоусте
Кафедра «Общая металлургия»
669.02/.09(07)
Д463
А.Н. Дильдин
ТЕОРИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Учебное пособие
Челябинск
Издательство ЮУрГУ
2008
ВВЕДЕНИЕ
Металлургические процессы – это совокупность физических явлений и физико-химических превращений (движение газов, жидких и твердых материалов, тепло- и массообмен, фазовые переходы, окисление и восстановление материалов и т.п.), происходящих в металлургических агрегатах (доменная печь, агломерационная машина, сталеплавильная и нагревательная печи, конвертер) при высоких температурах. Предметом изучения курса «Теория металлургических процессов» являются реакции, протекающие в указанных металлургических агрегатах.
Курс ТМП занимает особое положение среди всех металлургических дисциплин, по сути, он является прикладной физической химией применительно к анализу явлений, происходящих при производстве чугуна, стали и ферросплавов.
Теоретические основы металлургических процессов рассматриваются в определенной последовательности: вначале на основе законов термодинамики анализируются условия равновесия химических процессов, затем – кинетика и особенности механизма процессов. Эти вопросы и являются основными задачами, решаемыми при изучении курса ТМП.
1. СОСТАВ И СВОЙСТВА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ГАЗОВОЙ АТМОСФЕРЫ
1.1. Термодинамика газовых атмосфер
Пирометаллургические процессы производства металлургических расплавов (чугун, сталь, сплав) протекают с участием газовых атмосфер, которые могут быть нейтральными, окислительными и восстановительными.
Состав, давление и температура газовой фазы зависят от характера ее взаимодействия с другими фазами, образующимися при получении металлов и сплавов. При этом как промежуточный, так и полный состав газовой фазы весьма однотипен:
продукты полного взаимодействия элементов с кислородом – CO2, H2O(пар), SO3;
продукты неполного взаимодействия с кислородом, диссоциации оксидов и дегазации металлов – CO, SO2, H2,, O2, N2, CH4; инертные газы – Ar, Kr.
Равновесный состав газовой фазы можно рассчитать на основе термодинамического анализа химических реакций, важнейшими из которых являются реакции взаимодействия с кислородом водорода, окиси углерода, метана и сернистого ангидрида.
Данные обратимые реакции описываются следующими химическими уравнениями (на 1 моль О2):
2H2 + O2 = 2H2O(пар), |
= 484 660 Дж; |
(1.1) |
2СО + O2 = 2СО2, |
= 566 350 Дж; |
(1.2) |
2СH4 + O2 = 2СО + 4H2O, |
= 71 360 Дж; |
(1.3) |
1/2СH4 + O2 = 1/2СО2 + Н2О, |
= 401 740 Дж; |
(1.4) |
2SO2 + O2 = 2SO3, |
= 196 850 Дж. |
(1.5) |
Термодинамический анализ данных обратимых реакций позволяет установить равновесные содержания и парциальные давления молекулярного кислорода, а также охарактеризовать окислительно-восстановительные свойства газовой фазы в указанных реакциях.
Рассчитать тепловые эффекты НТ экзотермических реакций (1.1)–(1.5) при высоких температурах можно по уравнению Кирхгофа с использованием табличных данных для определения теплоемкостей процессов [1].
Однако более важной термодинамической характеристикой, которая определяет направление протекания химических реакций, является изменение энергии Гиббса GТ, стандартное изменение которой GТ, в зависимости от температуры для реакций (1.1)–(1.5) имеет вид, Дж:
G(1.1) = 492 200 + 108 Т;
G(1.2) = 565 400 + 175 Т;
G(1.3) = 71 000 + 370 Т;
G(1.4) = 398 230 + 2 Т;
G(1.5) = 196 840 + 196 Т.
На рис. 1.1 представлены графики этих зависимостей.
Рис. 1.1. Стандартная энергия Гиббса для реакций горения
Указанные зависимости справедливы при температуре до 2500 К и общем давлении в системе Р=1 атм., т.е. до процессов диссоциации H2О, O2, Н2 на атомы, их ионизации и образования плазмы.
Из анализа приведенных зависимостей и графиков вида GТ = f(Т) на рис. 1.1 следует, что с повышением давления равновесие реакций (1.1), (1.2) и (1.5) смещается в прямом направлении, а с повышением температуры полнота протекания этих реакций уменьшается. Изменение давления не влияет на равновесие реакции (1.4), а прямой ход реакции (1.3) с увеличением давления замедляется. С повышением температуры реакции (1.3) и (1.4) характеризуются большей полнотой протекания.
Равновесный состав образовавшейся атмосферы и парциальные давления ее составляющих компонентов позволят определить и рассчитать окислительно-восстановительные свойства (ОВС) газовой фазы, воздействующей на способные к окислению или восстановлению материалы гетерогенной системы.