- •Кафедра общей металлургии
- •А.Н. Дильдин, е.В. Соколова теория металлургических процессов
- •Челябинск
- •Взаимодействие углерода с кислородсодержащей газовой фазой
- •Контрольные вопросы
- •Восстановление оксидов железа оксидом углерода и водородом
- •Контрольные вопросы
- •Определение активности компонентов расплава
- •Контрольные вопросы
- •Растворимость газов в металлических расплавах
- •Контрольные вопросы:
- •Взаимодействие азота с металлическими расплавами
- •Контрольные вопросы
- •Раскисление металлических расплавов
- •Контрольные вопросы
- •Определение активностей компонентов шлаковых расплавов
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список
- •Оглавление
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Южно-Уральский государственный университет
Филиал в г. Златоусте
Кафедра общей металлургии
669.02/.09(07)
Д463
А.Н. Дильдин, е.В. Соколова теория металлургических процессов
Учебное пособие к практическим занятиям
Челябинск
Издательство ЮУрГУ
2007
УДК 669.02/.09(075.8)
Д463
Одобрено
учебно-методической комиссией филиала ЮУрГУ в г. Златоусте
Рецензенты:
В.А. Демидов, О.А. Щепина
Д463 |
Дильдин, А.Н. Теория металлургических процессов: учебное пособие к практическим занятиям / А.Н. Дильдин, Е.В. Соколова. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2007. – 33 с.
|
|
В учебном пособии представлены задачи и образцы их решения применительно к термодинамике высокотемпературных процессов, протекаю-щих в металлургических агрегатах: рассмотрены закономерности взаимо-действия газовой, шлаковой и металлической фаз, процессы раскисления металлических расплавов. Пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности «Металлургия черных металлов». |
УДК 669.02/.09(075.8)
Издательство ЮУрГУ, 2007
Взаимодействие углерода с кислородсодержащей газовой фазой
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:
; (1)
. (2)
При избытке твердого углерода в системе реакции (1) и (2) характеризуются очень низким остаточным содержанием кислорода в равновесной газовой смеси. Соотношение между и в равновесной газовой смеси можно установить из анализа условий равновесия реакции газификации твердого углерода:
; (3)
. (4)
Для расчета равновесного состава газовой фазы реакции (3) записываем константу равновесия (4) через состав смеси, выраженный в объемных процентах:
, (5)
где Р – общее давление в газовой смеси.
Если в газовой фазе нет других газов, кроме и , то их сумма равна 100%. Обозначим: ( ) = х; ( ) = 100–х.
Подставляя эти обозначения в выражение для константы равновесия, получаем:
.
Решение полученного квадратного уравнения позволяет определить равновесную концентрацию окиси углерода в газовой смеси:
. (6)
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 и с определенным содержанием в ней азота. Для определения равновесного состава газовой фазы реакции (3) в этом случае вводим обозначения: ( ) = х; ( ) = y; ( ) = z.
Составляем уравнения, связывающие переменные величины x, y и z:
; (7) x + y + z = 100. (8)
Третье уравнение определяет содержание азота в смеси. На образование 1 моля расходуется 1 моль , а на образование 1 моля – 0,5 моля . Для обогащенного кислородом воздуха вводим обозначение
,
т.е. каждый моль вносит в смесь γ молей . Поэтому третье уравнение имеет вид: . (9)
Решая систему уравнений (7)–(9), находим значение х, т.е. содержание в равновесной газовой смеси:
. (10)
Далее из уравнения (7) находим величину у, а из уравнения (8) – величину z.
Для нахождения относительного содержания и в составе смеси пользуемся соотношением
; (11)
. (12)
Значение равновесного давления кислорода в газовой смеси находим из условий равновесия реакции для заданной температуры и давления.
Константа равновесия этой реакции
. (13)
Равновесное давление кислорода в газовой смеси
. (13)
Значение кислородного потенциала для равновесной газовой смеси – в присутствии твердого углерода определяем по уравнению
. (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: – 76%, – 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 табл. 1.
Таблица 1
Состав обогащенного воздуха, % |
Температура, °С |
Давление Р’, Па |
||||||
|
|
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:
.
Пользуясь уравнением , находим значения для шести заданных температур (табл. 2).
Таблица 2
Т, К |
973 |
1023 |
1073 |
1123 |
1173 |
1223 |
|
1,07 |
3,03 |
7,79 |
18,40 |
40,41 |
83,22 |
Подставляя величины Р=Р’· и в уравнение (10), получаем расчетное уравнение для определения значений х при заданных температурах:
.
Подставляя в полученное уравнение найденные ранее значения , находим значения х для шести заданных температур.
Подставляя значение Р=Р’· в уравнение (7), получаем расчетное уравнение для определения величин y при заданных температурах:
.
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 и в составе смеси для заданных температур.
Определение равновесного давления кислорода в газовой смеси – производим путем подстановки в уравнение (14) значений концентраций и для соответствующих температур:
.
Расчет значений производим по уравнению
.
Результаты расчета сводим в табл. 3 ( ) [5].
Таблица 3
№ п/п |
T, °C |
T, К |
Состав равновесной газовой смеси, % |
Относительное содержание, % |
, Па |
|
|||
|
|
|
|
|
|||||
1 |
700 |
973 |
31,32 |
4,58 |
64,10 |
87,2 |
12,8 |
1,28· |
–17,89 |
2 |
750 |
1023 |
35,39 |
2,78 |
62,54 |
94,5 |
5,5 |
6,19· |
–17,21 |
3 |
800 |
1073 |
37,27 |
0,89 |
61,84 |
97,7 |
2,3 |
2,31· |
–16,69 |
4 |
850 |
1123 |
38,07 |
0,39 |
61,54 |
99,0 |
1,0 |
7,27· |
–16,14 |
5 |
900 |
1173 |
38,42 |
0,18 |
61,40 |
99,5 |
0,5 |
2,02· |
–15,69 |
6 |
950 |
1223 |
38,56 |
0,09 |
61,35 |
99,8 |
0,2 |
5,25· |
–15,28 |
Используя расчетные данные, строим графики зависимости состава равновесной газовой смеси для реакции газификации углерода от температуры (рис. 1) и зависимости равновесного давления кислорода в газовой смеси ( ) для реакции газификации углерода от температуры (рис. 2).
Рис. 1. Зависимость относительного содержания в газовой смеси для реакции газификации углерод от температуры
Рис. 2. Зависимость равновесного давления кислорода в газовой смеси – для реакции газификации углерода от температуры
Задание. Для заданного варианта условий задачи (табл. 4) рассчитать значения равновесного давления кислорода и кислородных потенциалов в равновесной газовой смеси, образующейся при взаимодействии обогащенного кислородом воздуха ( – ) с твердым углеродом для шести заданных температур.
Результаты расчета привести в виде табл. 4.
Таблица 4
Результаты расчета окислительных свойств газовой смеси
№ п/п |
t, °C |
T, K |
Состав равновесной газовой смеси, % |
Относительное содержание, % |
, Па |
|
, Дж |
|||
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Варианты условий задачи приведены в табл. 5.
Таблица 5
№ вари-анта |
Состав обогащенного воздуха, % |
Температура, °C |
Давление, Па·10-5 |
||||||
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
||
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 |
9 |
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 |
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 |