Міністерство освіти і науки, молодості та спорту України

Криворізький технічний університет

Кафедра металургії чорних металів та ливарного виробництва

Методичні вказівки

до виконання практичних робіт з дисципліни

«Теорія металургійних процесів. Ч.ІІ. Теоретичні основи утворення шлаків та розплавів»

для студентів спеціальності 6.050401 «Металургія чорних металів»

денної та заочної форм навчання

Кривий Ріг

2011 р.

Укладачі: Ярош Т.П., канд. техн. наук, доцент

Марасанова О.В., асистент

Відповідальний за випуск: Губін Г.В., д-р техн. наук, професор

Рецензент: Губін Г.В., д-р техн. наук, професор

У методичних вказівках наведені короткі теоретичні відомості, приклади розрахунків, завдання, а також відповідні довідкові матеріали, що є необхідними для виконання практичних робіт. Наведено список рекомендованої літератури.

Розглянуто на Схвалено на засіданні

на засіданні кафедри вченої ради

металургії чорних металургійного

металів та ливарного факультету

виробництва

Протокол № 1 Протокол № 3

від 30.08 2010 р. від 25.11 2010р

Зміст

	Стор.
Практична робота № 1
Практична робота № 2
Практична робота № 3
Практична робота №
Рекомендована література
Додатки

Практична робота №1 Розрахунок активностей компонентів шлакового розплаву за молекулярною теорією розплавлених шлаків

Короткі теоретичні відомості

Шлаки виконують важливі і різноманітні функції у високотемпературних металургійних процесах. Управління процесами окислення і відновлення різних елементів металевого розплаву, видалення шкідливих домішок (сірки, фосфору та ін.) з розплавленого металу й іншими процесами значною мірою засновано на змінюванні складу і фізико-хімічних властивостей розплавленого шлаку. Тому значення термодинамічних характеристик компонентів шлакового розплаву є виключно важливим для розрахунків рівноваги різних процесів за участю металевого і шлакового розплавів.

Під шлаком розуміють розплав різних оксидів. До складу шлаку можуть також входити в невеликій кількості сульфіди і фториди. В деяких випадках, наприклад в процесах електрошлакового переплаву (ЕШП), шлак є оксидно-фторидним розплавом, іноді зі значною часткою фторидів.

Металургійні шлаки містять наступні оксиди: FeO, MnO, CaO, MgO, SiO₂, Cr₂O₃, A1₂O₃, ТiO₂, V₂O₅, Р₂О₅.

Згідно молекулярної теорії розплавлених шлаків, активна концентрація (чи активність) компонентів дорівнює концентраціям вільних оксидів в розплаві. Сам розплав розглядається як ідеальний розчин вільних оксидів і молекул хімічних сполук, що утворилися з оксидів з різною природою, наприклад силікатів CaO·SiO₂, 2FeO·SiO₂, 2MnO·SiO₂, фериту 3CaO·Fe₂O₃, фосфату 4CaO·Р₂О₅. Приймають, що окремі сполуки частково дисоційовані, і в розрахунок вводять константу їх дисоціації. Існує декілька методів розрахунку концентрації вільних оксидів в шлаковому розплаві. Вони відрізняються вибором сполук між компонентами шлаку. Співвідношення між вільними оксидами і хімічними сполуками встановлюють на основі матеріального балансу і міри дисоціації сполук, прийнятих в розрахунку.

Так, Вінклером і Чіпманом запропонований наступний спосіб розрахунку активностей FeO і CaO в основних шлаках. Розглядається семикомпонентний шлак, в якому число молей окремих оксидів позначається символом п і відповідним індексом:

FeO	MnO	CaO	MgO	SiO2	Fe2O3	Р2О5
п1	п2	п3	п4	п5	п6	п7

У шлаках немає А1₂О₃ і CaF₂.

Приймається існування в розплаві наступних сполук: 4CaO·2SiO₂, CaO·Fe₂O₃, 4CaO·P₂O. Приймається допущення, що весь кремнезем зв'язаний в силікат кальцію, а Fe₂O₃ - у ферит кальцію. Тоді число молей сполук буде пов'язане з числом молей окремих оксидів в шлаку співвідношеннями:

n_4CaO·2SiO2 = ½ n₅;

n_CaO·Fe2O3 = n₆;

n_4CaO·Р2O5 = n₇.

При розрахунку числа молей вільного CaO всі основні оксиди (CaO, MgO, MnO) підсумовуються і розглядаються як CaO. Число молей вільного CaO у такому разі

n_{CaO вільн.} = n₂ + n₃ + n₄ - 2n₅ – n₆ - 4n₇. (1.1)

Загальне число молей усіх структурних складових шлаку

Σn = n₁ + n_{CaO вільн.} + n_4CaO·2SiO2 + n_CaO·Fe2O3 + n_4CaO·Р2O5 =

= n₁ + n₂ + n₃ + n₄ – 3/2n₅ – 3n₇. (1.2)

Активності CaO і FeO відповідно

а_СаО = n_{CaO вільн.}/ Σn; (1.3)

а_FeO = n₁/ Σn. (1.4)

Допущення про часткову дисоціацію складного силікату за реакцією

(4CaO·2SiO₂) = (2CaO·2SiO₂) + 2(СаО)_вільн.

призводить до складніших розрахунків при визначенні n_{CaO вільн.} i Σn.

Приклад 1.1. Розрахувати на основі молекулярної теорії шлаків активність CaO і FeО в шлаку наступного складу, %: 27,6 СаО; 17,5 SiO₂; 29,3 FeO; 5,2 Fe₂O₃; 9,8 MgO; 2,7 P₂O₅; 7,9 MnO.

Прийняти існування в розплаві наступних сполук: 4CaO·2SiO₂, CaO·Fe₂O₃, 4CaO·P₂O₅. Усі сполуки не дисоційовані. MgO і MnO рахувати разом з CaO.

Розв’язок. Визначаємо число молей кожного компонента в 100 г шлаку шляхом ділення масових часток сполук на їх молярні маси:

; ;

; ;

; ;

; Σn_i =1,597;

Відповідно до рівняння (1.1) :

n_{CaO вільн.} = n_MnO + n_CaO + n_MgO - 2n_SiO2 – n_Fe2O3 - 4n_P2O5 =

= 0,111 + 0,492 + 0,243 - 2·0,291 – 0,033 - 4·0,019 = 0,155.

Загальне число молей усіх структурних складових шлаку відповідно до рівняння (1.2)

Σn = n_FeO + n_MnO + n_CaO + n_MgO – 3/2n_SiO2 – 3n_P2O5 =

=0,408 + 0,111 + 0,492 + 0,243 – 3/2·0,0291 - 3·0,019 = 0,7605.

Активності CaO і FeO

а_СаО = n_{CaO вільн.}/ Σn = 0,155/0,7605 = 0,204;

а_FeO = n₁/ Σn = 0,408/0,7605 = 0,536.

Задача 1.1. Розрахувати на основі молекулярної теорії шлаків активність CaO і FeО в шлаку наступного складу:

№ варіанту	СаО, %	SiO2, %	FeO, %	Fe2O3, %	MgO, %	P2O5, %	MnO, %
1	25,6	17,4	29,4	8,2	8,8	2,9	7,7
2	22,1	15,0	35,0	7,6	8,9	2,2	9,2
3	30,3	14,6	27,0	5,0	10,2	4,9	8,0
4	28,5	11,9	39,1	2,2	6,1	5,7	6,5
5	25,1	16,1	36,7	6,5	3,8	2,0	9,8
6	26,4	15,7	32,7	6,8	7,0	5,1	6,3
7	37,6	19,5	28,6	6,3	4,2	0,4	3,4
8	33,3	8,9	32,5	10,5	12,4	0,3	2,1
9	36,9	12,5	28,4	10,2	3,0	3,8	5,2
10	28,9	16,3	35,4	9,7	4,7	1,2	3,8
11	39,5	15,4	23,6	4,8	4,2	9,1	3,4
12	35,2	19,4	23,2	9,8	7,4	1,3	3,7

Прийняти існування в розплаві наступних сполук: 4CaO·2SiO₂, CaO·Fe₂O₃, 4CaO·P₂O₅. Усі сполуки не дисоційовані. MgO і MnO рахувати разом з CaO.