Federalna agencija za obrazovanje

GOU VPO „Uralska država Tehničko sveučilište- UPI"

prijepodne Panfilov

Obrazovno elektroničko tekstualno izdanje

Priredio Zavod za teoriju metalurških procesa

Znanstvena urednica: prof., doc. kem. M.A. Spiridonov

Metodičke upute za izvođenje laboratorijskih radova iz disciplina "Fizikokemija metalurških sustava i procesa", "Teorija metalurških procesa" za studente svih oblika izobrazbe metalurških specijalnosti.

Pravila organizacije rada u radionici "Teorija metalurških procesa" Zavoda za TMP (specijalizirana publika

MT-431 nazvan po O.A. Esina). Opisuje se metodologija i postupak izvođenja laboratorijskih radova, daju se zahtjevi za sadržaj i izradu izvješća o laboratorijskom radu u skladu s važećim GOST-om i preporuke za njihovu provedbu.

© GOU VPO USTU-UPI, 2008

Jekaterinburg

Uvod ................................................. ................................................................ ................................................................ 4

1 Organizacija rada u laboratorijskoj radionici iz teorije metalurških procesa ............. 4

1.1 Priprema za laboratorijski rad................................................................ ................................................. 5 1.2 Preporuke o obradi rezultata mjerenja i izradi izvještaja ................................ 5

1.3.1 Konstrukcija grafikona ........................................................ ................................................................. ................... 5

1.3.2 Izglađivanje eksperimentalnih podataka ........................................ ................................... 7

1.3.5 Numerička diferencijacija funkcije zadane skupom diskretnih točaka ................ 8

aproksimacija nekog skupa podataka ........................................................ .................................... 9

1.3.7 Predstavljanje rezultata ................................................ ................................................................. ........ 10

2 Opis laboratorijskog rada ................................................. ................................................................. .............jedanaest

2.1 Proučavanje kinetike visokotemperaturne oksidacije željeza (Rad br. 13) ......................... 12

2.1.1 Opće zakonitosti oksidacije željeza ........................................ ................................................. 12 2.1.2 Opis instalacije i postupak za provođenje eksperimenata ................................................... ..... 14

2.1.3 Obrada i prezentacija rezultata mjerenja ........................................ ................... 15

Kontrolna pitanja ................................................................ ................................................................ ........................ 17

2.2. Proučavanje temperaturne ovisnosti električne vodljivosti oksidnih talina

(Rad br. 14) ................................................ ................................................................. ............................................... devetnaest

2.2.1 Opći podaci o prirodi električne vodljivosti troske ................................... 19

2.2.2 Opis postupka ugradnje i mjerenja ........................................ .. ................................ 21

2.2.3 Redoslijed obavljanja posla ........................................ ................................................... ..... 23

2.2.4 Obrada i prezentacija rezultata mjerenja ........................................ ................... 24

Kontrolna pitanja ................................................................ ................................................................ ........................ 25

2.3 Proučavanje kinetike odsumporavanja metala troskom na simulacijskom modelu (Rad br.

15) ............................................................................................................................................................ 26

2.3.1 Opći podaci o kinetici odsumporavanja metala troskom ................................... ..... 26

2.3.2 Matematički model procesa ................................................... .................................................... 29

2.3.3 Redoslijed rada ................................................. ................................................................. ........... trideset

2.3.4 Obrada i prezentacija rezultata mjerenja ........................................ ................... 31

Kontrolna pitanja ................................................................ ................................................................ ........................ 32

2.4 Termografska studija procesa disocijacije prirodnih karbonata (Rad br. 16) 33

2.4.1 Opće zakonitosti disocijacije karbonata ........................................ ........................ 33

2.4.2 Instalacijski dijagram i radni postupak ......................................... ........................ 39

2.4.3 Obrada i prezentacija rezultata mjerenja ........................................ ................... 39

Kontrolna pitanja ................................................................ ................................................................ ........................ 41

2.5 Studija temperaturne ovisnosti viskoznosti oksidnih talina (Rad br. 17) ............. 42

2.5.1 Priroda viskoznog otpora oksidnih talina ........................................ ................... 42

2.5.2 Opis instalacije i postupak mjerenja viskoznosti ................................ ......................... 43

2.5.3 Redoslijed rada ................................................. ................................................................. ........... 45

2.5.4 Obrada i prezentacija rezultata mjerenja ........................................ .................... 45 Testna pitanja ................................ ................................................................. .................................................... 46

2.6 Redukcija mangana iz taline oksida u čelik (Rad br. 18)

2.6.1 Opće zakonitosti elektrokemijskog međudjelovanja metala i troske ................... 47

2.6.2 Model procesa ................................................. ................................................................ ........................ 49

2.6.3 Redoslijed rada ................................................. ................................................................. ........... 50

Kontrolna pitanja ................................................................ ................................................................ ........................ 52 Literatura ................................. ................................................. ................................................. .... 53

STP USTU-UPI 1-96	Enterprise standard. Opći zahtjevi te pravila za izradu diplomskih i predmetnih projekata (radova).
GOST R 1.5-2002	GSS. Standardi. Opći zahtjevi za konstrukciju, prezentaciju, dizajn, sadržaj i označavanje.
GOST 2.105-95	ESKD. Opći zahtjevi za tekstualne dokumente.
GOST 2.106-96	ESKD. Tekstualni dokumenti.
GOST 6.30 2003	USD. Jedinstveni sustav organizacijske i administrativne dokumentacije. Zahtjevi za papirologiju.
GOST 7.32-2001	SIBID. Izvješće o istraživanju.
GOST 7.54-88	SIBID. Prikaz brojčanih podataka o svojstvima tvari i materijala u znanstvenim i tehničkim dokumentima. Opći zahtjevi.
GOST 8.417-2002	GSOEE. Jedinice za količine

Kratice i kratice

	Državni standard bivši SSSR ili međudržavni standard (trenutačno).
	Standard usvojen Državni komitet Ruske Federacije za standardizaciju i mjeriteljstvo (Gosstandart Rusije) ili Državnog komiteta Ruske Federacije za stambenu i građevinsku politiku (Gosstroy Rusije).
	Državni sustav standardizacija.
	Državni sustav za osiguranje ujednačenosti mjerenja.
	Informacijska tehnologija
	Metoda najmanjeg kvadrata
	Osobno računalo
	Enterprise standard
	Teorija metalurških procesa

Uvod

Izvođenje laboratorijskih radova za proučavanje svojstava u sustavu metal-troska i procesa koji se odvijaju u metalurškim jedinicama, omogućuje vam bolje razumijevanje sposobnosti fizikalno-kemijske metode analize i stjecanje vještina u njezinoj praktičnoj primjeni. Dodatno, student se upoznaje s provedbom nekih metoda eksperimentalnog i modelnog istraživanja pojedinih fizikalno-kemijskih svojstava i metalurških procesa općenito, stječe vještine obrade, analize i prezentacije eksperimentalnih informacija.

1 Organizacija rada u laboratorijskoj radionici iz teorije metalurških procesa

U laboratorijskoj radionici o teoriji metalurških procesa glavna je stvar računalno prikupljanje eksperimentalnih informacija. To određuje niz značajki organizacije rada:

Svaki učenik prima individualni zadatak, izvodi pokus u cijelosti ili određeni njegov dio i obrađuje primljene informacije. Rezultat rada uključuje dobivene numeričke karakteristike proučavane pojave i pogreške u njihovom određivanju, grafikone koji ilustriraju identificirane značajke, te zaključke dobivene iz cjelokupnog skupa informacija. Razlika između kvantitativnih rezultata rada, navedenih u studentskim izvještajima, u odnosu na kontrolne ocjene ne smije biti veća od 5%.

Glavne opcije za prezentiranje rezultata su obrada eksperimentalnih podataka, crtanje grafikona i formuliranje zaključaka u Microsoft.Excel ili OpenOffice.Calc proračunskim tablicama.

Uz dopuštenje nastavnika, privremeno je dopušteno prezentirati rukom pisani izvještaj s potrebnim ilustracijama i grafikonima izrađenim na milimetarskom papiru.

Izvještaj o obavljenom laboratorijskom radu dostavlja se nastavniku koji vodi laboratorijsku praksu najkasnije na radni dan koji prethodi sljedećem laboratorijskom radu. Nalog za prijenos (do e-mail, za vrijeme odmora bilo kojeg nastavnika ili laboranta koji trenutno vodi nastavu) određuje nastavnik.

Studenti koji nisu na vrijeme podnijeli izvješće o dosadašnjem radu i nisu položili kolokvij (testiranje) ne smiju na sljedeći laboratorijski rad.

Laboratorijski rad smiju obavljati samo studenti koji su u laboratorijskoj praksi prošli uvodni poduka o mjerama sigurnosti rada i potpisali uputni list.

Rad s grijaćim i mjernim električnim uređajima, s kemijskim staklenim posuđem i reagensima obavlja se u skladu sa sigurnosnim uputama u laboratoriju.

Nakon obavljenog rada student sređuje radno mjesto i predaje ga laboratorijskom asistentu.

1.1 Priprema za laboratorijski rad

Glavni izvori u pripremi za nastavu su ovaj priručnik, udžbenici i nastavna sredstva po preporuci predavača, bilješke s predavanja.

Pripremajući se za laboratorijski rad, student tijekom tjedna koji prethodi nastavnom satu mora pročitati i razumjeti gradivo vezano uz pojavu koja se proučava, razumjeti dijagrame dane u priručniku u projektiranju instalacije i mjernoj tehnici i obradi njihovih rezultata. Ako se pojave poteškoće, potrebno je koristiti preporučenu literaturu i konzultacije predavača i nastavnika koji provode laboratorijske studije.

Spremnost učenika za izvođenje rada kontrolira nastavnik individualnom anketom svakog učenika, ili provođenjem računalnog testiranja. Nedovoljno pripremljen učenik dužan je tijekom sata proučiti gradivo vezano uz ovaj rad, a eksperimentalni dio rada izvesti u dodatnom satu nakon ponovne provjere. Vrijeme i postupak izvođenja ponovljene nastave uređuje se posebnim rasporedom.

1.2 Preporuke za obradu rezultata mjerenja i izradu izvješća

Prema GOST 7.54-88, eksperimentalne numeričke podatke treba prikazati u obliku tablica s naslovom. Tablice uzoraka daju se za svaki laboratorij.

Prilikom obrade rezultata mjerenja potrebno je koristiti statističku obradu: primijeniti izravnavanje eksperimentalnih podataka, koristiti metodu najmanjih kvadrata pri ocjenjivanju parametara ovisnosti itd. te je imperativ procijeniti pogrešku dobivenih vrijednosti. Za obavljanje ove obrade u proračunskim tablicama predviđene su posebne statističke funkcije. Potreban skup funkcija dostupan je i u kalkulatorima dizajniranim za znanstvene (inženjerske) izračune.

1.3.1 Ucrtavanje

Prilikom izvođenja eksperimenata, u pravilu se istodobno fiksiraju vrijednosti nekoliko parametara. Analizirajući njihov odnos, može se donijeti zaključak o promatranom fenomenu. Vizualni prikaz numeričkih podataka iznimno je jednostavan za analizu njihovog odnosa – zbog čega je crtanje grafikona tako važan korak u radu s informacijama. Imajte na umu da među fiksnim parametrima uvijek postoji barem jedna nezavisna varijabla - vrijednost čija se vrijednost mijenja sama (vrijeme) ili koju postavlja eksperimentator. Ostali parametri određeni su vrijednostima nezavisnih varijabli. Prilikom izrade grafikona trebate slijediti neka pravila:

Vrijednost nezavisne varijable iscrtava se na apscisi (horizontalna os), a vrijednost funkcije na ordinati (vertikalna os).

Ljestvice duž osi treba odabrati tako da se područje grafa koristi što je moguće informativnije - tako da ima manje praznih područja na kojima nema eksperimentalnih točaka i linija funkcionalnih ovisnosti. Da biste ispunili ovaj zahtjev, često morate navesti vrijednost različitu od nule na početku koordinatne osi. U tom slučaju svi eksperimentalni rezultati moraju biti prikazani na grafikonu.

Vrijednosti duž osi bi u pravilu trebale biti višekratnici nekog cijelog broja (1, 2, 4, 5) i ravnomjerno raspoređene. Kategorički je neprihvatljivo navođenje rezultata specifičnih mjerenja na osi. Jedinice mjerila koje odaberete ne smiju biti premale ili prevelike (ne smiju sadržavati više vodećih ili završnih nula). Da biste osigurali ovaj zahtjev, trebali biste koristiti faktor skale oblika 10 X, koji je izvučen u oznaci osi.

Linija funkcionalne ovisnosti treba biti ravna ili glatka krivulja. Dopušteno je spojiti eksperimentalne točke isprekidanom linijom samo u fazi preliminarne analize.

Mnogi od ovih zahtjeva bit će automatski ispunjeni prilikom crtanja grafikona s proračunskim tablicama, ali obično ne svi i ne u potpunosti, tako da gotovo uvijek morate prilagoditi rezultirajući prikaz.

Proračunske tablice imaju posebnu uslugu - Čarobnjak za grafikone (Glavni izbornik: Umetni grafikon). Najjednostavniji način za pristup je da prvo odaberete područje ćelija koje uključuje i argument i funkciju (nekoliko funkcija) i aktivirate gumb "Čarobnjak za grafikone" na standardnoj ploči pomoću miša.

Tako ćete dobiti nacrt grafikona s kojim još trebate raditi, budući da automatski odabir mnogih zadanih parametara grafikona najvjerojatnije neće osigurati ispunjenje svih zahtjeva.

Prije svega provjerite veličinu brojeva na osi i slova u oznakama osi i oznakama funkcija u legendi. Poželjno je da veličina fonta bude svugdje ista, ne manje od 10 i ne više od 14 bodova, ali ćete morati postaviti vrijednost za svaku oznaku posebno. Da biste to učinili, pomaknite pokazivač preko objekta od interesa (os, oznaka, legenda) i pritisnite desnu tipku miša. U kontekstnom izborniku koji se pojavi odaberite "Format (element)" i u novom izborniku na komadu papira s oznakom "Font" odaberite željenu vrijednost. Prilikom oblikovanja osi, trebali biste dodatno pogledati i, eventualno, promijeniti vrijednosti na listovima s oznakama "Scale" i "Broj". Ako ne razumijete do kakvih promjena će dovesti predloženi izbor, nemojte se bojati isprobati bilo koju opciju, jer uvijek možete odbaciti napravljene promjene pritiskom na Ctrl + Z, ili odabirom stavke glavnog izbornika "Uredi" - Poništi, ili klikom na gumb "Poništi" na standardnoj alatnoj traci.

Ako ima puno točaka, a širenje je malo i linija izgleda dovoljno glatko, tada se točke mogu povezati linijama. Da biste to učinili, pomaknite pokazivač preko točke na grafikonu i pritisnite desnu tipku miša. U kontekstnom izborniku koji se pojavi odaberite stavku "Formatiranje niza podataka". U novom prozoru, na komadu papira s oznakom "Pogled" treba odabrati odgovarajuću boju i debljinu linije, a ujedno provjeriti boju, veličinu i oblik točkica. Tako se konstruiraju ovisnosti koje aproksimiraju eksperimentalne podatke. Ako se aproksimacija izvodi ravnom linijom, tada su dovoljne dvije točke na rubovima raspona argumenta. Ne preporučuje se korištenje opcije "izglađena krivulja" ugrađene u proračunske tablice zbog nemogućnosti podešavanja parametara zaglađivanja.

1.3.2 Izglađivanje eksperimentalnih podataka

Eksperimentalne podatke dobivene na visokotemperaturnim eksperimentalnim instalacijama karakterizira velika vrijednost slučajne pogreške mjerenja. To je uglavnom zbog elektromagnetskih smetnji od rada snažnog uređaja za grijanje. Statistička obrada rezultata može značajno smanjiti slučajnu pogrešku. Poznato je da je za slučajnu varijablu distribuiranu prema normalnom zakonu pogreška aritmetičke sredine određena iz N vrijednosti u N½ puta manja od pogreške jednog mjerenja. Kod velikog broja mjerenja, kada je dopušteno pretpostaviti da slučajni raspršivanje podataka na malom segmentu značajno premašuje redovitu promjenu vrijednosti, učinkovita tehnika izglađivanja je dodijeliti sljedeću vrijednost izmjerene vrijednosti aritmetičkoj sredini. izračunato iz nekoliko vrijednosti u simetričnom intervalu oko njega. Matematički, to je predstavljeno formulom:

(1.1)

i vrlo je lako implementirati u proračunske tablice. Ovdje y i je rezultat mjerenja, i Y i je izglađena vrijednost koja se koristi umjesto toga.

Eksperimentalne podatke dobivene korištenjem digitalnih sustava za prikupljanje podataka karakterizira slučajna pogreška, čija se distribucija značajno razlikuje od normalnog zakona. U ovom slučaju može biti učinkovitije koristiti medijan umjesto aritmetičke sredine. U ovom slučaju, izmjerenoj vrijednosti u sredini intervala dodjeljuje se vrijednost izmjerene vrijednosti za koju se pokazalo da je najbliža aritmetičkoj sredini. Čini se da mala razlika u algoritmu može vrlo značajno promijeniti rezultat. Primjerice, u varijanti procjene medijana neki eksperimentalni rezultati mogu se pokazati potpuno neiskorištenima, najvjerojatnije upravo oni koji stvarno jesu

"Iskakanje" vrijednosti s posebno velikom pogreškom.

1.3.5 Numerička diferencijacija funkcije zadane skupom diskretnih točaka

Potreba za takvom operacijom javlja se prilično često pri obradi eksperimentalnih točaka. Na primjer, razlikovanjem ovisnosti koncentracije o vremenu, utvrđuje se ovisnost brzine procesa o vremenu i o koncentraciji reagensa, što zauzvrat omogućuje procjenu redoslijeda reakcije. Operacija numeričke diferencijacije funkcije zadane skupom njezinih vrijednosti ( y) koji odgovara odgovarajućem skupu vrijednosti argumenata ( x), temelji se na približnoj zamjeni diferencijala funkcije omjerom njezine konačne promjene i konačne promjene u argumentu:

(1.2)

Numerička diferencijacija osjetljiva je na pogreške uzrokovane netočnostima u izvornim podacima, odbacivanjem članova niza itd., te se stoga treba provoditi s oprezom. Kako bi se poboljšala točnost procjene derivacije (), pokušavaju prvo izgladiti eksperimentalne podatke, barem na malom segmentu, a tek onda izvesti diferencijaciju. Kao rezultat toga, u najjednostavnijem slučaju za ekvidistantne čvorove (vrijednosti argumenta se međusobno razlikuju za istu vrijednost x), dobivaju se sljedeće formule: za derivaciju u prvom ( x 1) točka:

za derivaciju u svim ostalim točkama ( x), osim zadnjeg:

za izvedenicu u potonjem ( x) točka:

Ako postoji puno eksperimentalnih podataka, a dopušteno je zanemariti nekoliko ekstremne točke, možete koristiti jače formule za izglađivanje, na primjer, za 5 točaka:

ili 7 bodova:

Za neravnomjeran raspored čvorova, ograničavamo se na činjenicu da preporučujemo korištenje modificirane formule (1.3) u obliku

(1.8)

i ne računajte derivaciju na početnoj i krajnjoj točki.

Dakle, da biste implementirali numeričku diferencijaciju, morate smjestiti prikladne formule u ćelije slobodnog stupca. Na primjer, nejednako raspoređene vrijednosti argumenata nalaze se u stupcu "A" u ćelijama od 2 do 25, a vrijednosti funkcije su u stupcu "B" u odgovarajućim ćelijama. Vrijednosti izvedenica trebale bi se staviti u stupac "C". Zatim u ćeliju "C3" trebate unijeti formulu (5) u obliku:

= (B4 - B2) / (A4 - A2)

i kopirajte (razvucite) na sve ćelije u rasponu C4: C24.

1.3.6 Određivanje metodom najmanjih kvadrata koeficijenata polinoma,

aproksimirajući neki skup podataka

Kada se brojčani podaci prikazuju grafički, često je potrebno povući crtu duž eksperimentalnih točaka, otkrivajući značajke dobivene ovisnosti. To je učinjeno radi bolje percepcije informacija i olakšavanja daljnje analize podataka koji imaju nešto raspršenosti zbog pogreške mjerenja. Često se na temelju teorijske analize proučavanog fenomena unaprijed zna kakav bi oblik trebao imati ova crta. Na primjer, poznato je da ovisnost brzine kemijskog procesa ( v) iz temperature mora biti eksponencijalna, a eksponencijalni eksponent predstavlja inverznu temperaturu u apsolutnoj skali:

To znači da na grafu u koordinatama ln v- 1 / T treba biti ravna linija,

čiji nagib karakterizira energiju aktivacije ( E) postupak. U pravilu se kroz eksperimentalne točke može povući nekoliko ravnih linija s različitim nagibom. U određenom smislu, najbolja od njih bit će ravna crta s koeficijentima određenim metodom najmanjih kvadrata.

U općem slučaju, metoda najmanjih kvadrata se koristi za pronalaženje koeficijenata koji aproksimiraju ovisnost y (x 1 , x 2 ,…x n) polinom oblika

gdje b i m 1 …m n Konstantni su koeficijenti i x 1 …x n- skup neovisnih argumenata. To jest, u općem slučaju, metoda se koristi za aproksimaciju funkcije nekoliko varijabli, ali je također primjenjiva za opisivanje složene funkcije jedne varijable x... U ovom slučaju obično se vjeruje da

a aproksimirajući polinom ima oblik

Prilikom odabira stupnja aproksimirajućeg polinoma n imajte na umu da on nužno mora biti manji od broja izmjerenih vrijednosti x i y... U gotovo svim slučajevima ne smije biti više od 4, rijetko 5.

Ova metoda je toliko važna da Excel proračunske tablice imaju najmanje četiri opcije za dobivanje vrijednosti željenih koeficijenata. Preporučujemo korištenje funkcije LINEST () ako radite u Excel proračunskim tablicama s Microsoft Office, ili funkciju LINEST () u proračunskim tablicama OpenOffice Calc. Prikazane su na popisu statističkih funkcija, pripadaju klasi tzv. matričnih funkcija i s tim u vezi imaju niz značajki aplikacije. Prvo, ne unosi se u jednu ćeliju, već izravno u raspon (pravokutna površina) ćelija, budući da funkcija vraća više vrijednosti. Veličina horizontalne površine određena je brojem koeficijenata aproksimirajućeg polinoma (u ovom primjeru postoje dva od njih: ln v 0 i E / R), a okomito se može istaknuti od jednog do pet redaka, ovisno o tome koliko je statističkih informacija potrebno za vašu analizu.

1.3.7 Predstavljanje rezultata

U znanstveno-tehničkom dokumentu, pri prikazivanju brojčanih podataka, treba dati ocjenu njihove pouzdanosti i istaknuti slučajne i sustavne pogreške. Navedene pogreške podataka trebaju biti prikazane u skladu s GOST 8.207–76.

Prilikom statističke obrade grupe rezultata promatranja potrebno je izvršiti sljedeće operacije: isključiti poznate sustavne pogreške iz rezultata promatranja;

Izračunati aritmetičku sredinu korigiranih rezultata promatranja, uzetih kao rezultat mjerenja; izračunati procjenu standardne devijacije rezultata mjerenja;

Izračunati granice pouzdanosti slučajne pogreške (slučajne komponente pogreške) mjernog rezultata;

Izračunati granice neisključene sustavne pogreške (neisključene ostatke sustavne pogreške) rezultata mjerenja; izračunati granice pouzdanosti pogreške mjernog rezultata.

Za određivanje granica pouzdanosti pogreške mjernog rezultata, vjerojatnost povjerenja R uzeti jednako 0,95. Uz simetričnu pogrešku povjerenja, rezultati mjerenja su prikazani u obliku:

gdje je rezultat mjerenja, ∆ je granica pogreške rezultata mjerenja, R Je li razina povjerenja. Brojčana vrijednost rezultata mjerenja mora završavati znamenkom iste znamenke kao i vrijednost pogreške ∆.

2 Opis laboratorijskog rada

U prvom dijelu svakog od odjeljaka posvećenih specifičnom laboratorijskom radu daju se informacije o sastavu i strukturi faza, mehanizmu procesa koji se odvijaju unutar faze ili na granicama njezina sučelja sa susjednim fazama, minimumu potrebnom za razumijevanje bit fenomena koji se proučava u djelu. Ako navedene informacije nisu dovoljne, pogledajte bilješke s predavanja i preporučenu literaturu. Bez razumijevanja prvog dijela odjeljka nemoguće je zamisliti što se događa u sustavu koji se proučava tijekom rada, formulirati i razumjeti zaključke na temelju dobivenih rezultata.

Sljedeći dio svakog odjeljka posvećen je hardverskoj ili softverskoj implementaciji stvarne instalacije ili računalnog modela. Pruža informacije o korištenom hardveru i korištenim algoritmima. Bez razumijevanja ovog odjeljka nemoguće je procijeniti izvore pogreške i koje radnje treba poduzeti kako bi se njihov utjecaj smanjio.

Posljednji dio opisuje postupak izvođenja mjerenja i obrade njihovih rezultata. Sva ova pitanja predaju se na kolokvij prije rada, odnosno kompjuterskog testiranja.

2.1 Proučavanje kinetike visokotemperaturne oksidacije željeza (Rad br. 13)

2.1.1 Opći zakoni oksidacije željeza

Prema principu slijeda transformacija A.A. Bajkova, na površini željeza tijekom njegove visokotemperaturne oksidacije atmosferskim kisikom nastaju svi oksidi koji su u tim uvjetima termodinamički stabilni. Na temperaturama iznad 572 °C kamenac se sastoji od tri sloja: FeO wustita, Fe 3 O 4 magnetita, Fe 2 O 3 hematita. svojstva poluvodiča. To znači da u FeO kationskoj podrešetki postoji značajna koncentracija slobodnih mjesta željeznog željeza, a elektroneutralnost je osigurana zbog pojave elektronskih „rupa“, a to su čestice feri željeza. Anionska podrešetka wustita, koja se sastoji od negativno nabijenih iona O 2–, praktički je bez defekata, prisutnost slobodnih mjesta u kationskoj podrešetki značajno povećava difuzijsku mobilnost Fe 2+ čestica kroz wustit i smanjuje njegova zaštitna svojstva.

Međusloj magnetita je oksid stehiometrijskog sastava, koji ima nisku koncentraciju defekata u kristalnoj rešetki i, kao rezultat, ima povećana zaštitna svojstva. Njegova relativna debljina je u prosjeku 4%.

Vanjski sloj kamenca - hematit ima n-tip vodljivosti. Prisutnost slobodnih mjesta za kisik u anionskoj podrešetki olakšava difuziju čestica kisika kroz nju, u usporedbi s kationima željeza. Relativna debljina sloja Fe 2 O 3 ne prelazi 1% .

Na temperaturama ispod 572 °C, wustit je termodinamički nestabilan, stoga se ljestvica sastoji od dva sloja: magnetita Fe 3 O 4 (90% debljine) i hematita Fe 2 O 3 (10%).

Stvaranje kontinuiranog zaštitnog filma kamenca na površini željeza dovodi do njegovog odvajanja od atmosfere zraka. Daljnja oksidacija metala nastaje zbog difuzije reagensa kroz oksidni film. Razmatrani heterogeni proces sastoji se od sljedećih faza: opskrba kisikom iz volumena plinske faze do granice s oksidom molekularnom ili konvektivnom difuzijom; adsorpcija O2 na površini oksida; ionizacija atoma kisika s stvaranjem O 2– aniona; difuzija aniona kisika u oksidnoj fazi na granicu s metalom; ionizacija atoma željeza i njihov prijelaz u kamenac u obliku kationa; difuzija kationa željeza u oksidu do granice s plinom; kristalno-kemijski čin stvaranja novih dijelova oksidne faze.

Difuzijski način oksidacije metala ostvaruje se ako je najinhibiraniji stupanj transport Fe 2+ ili O 2– čestica kroz kamenac. Molekularni kisik se relativno brzo dovodi iz plinovite faze. U slučaju kinetičkog režima, ograničavajući stupnjevi su faze adsorpcije ili ionizacije čestica, kao i čin kristalno-kemijske transformacije.

Izvođenje kinetičke jednadžbe procesa oksidacije željeza za slučaj troslojne skale prilično je glomazno. Može se značajno pojednostaviti, bez mijenjanja konačnih zaključaka, ako se skala smatra homogenom po sastavu i uzme se u obzir samo difuzija Fe 2+ kationa kroz nju.

Označimo sa D koeficijent difuzije Fe 2+ čestica u skali, k- konstanta brzine oksidacije željeza, C 1 i S 2 ravnotežne koncentracije kationa željeza na granici s metalom i zrakom, h- debljina oksidnog filma, S Je površina uzorka, je gustoća oksida, M- njegovu molarnu masu. Zatim, u skladu sa zakonima formalne kinetike, specifična brzina kemijskog čina interakcije željeza s kisikom po jedinici površine uzorka ( v r) određuje se omjerom:

U stacionarnom stanju jednaka je gustoći difuzijskog toka Fe 2+ čestica.

Uzimajući u obzir da je ukupna brzina heterogenog procesa oksidacije proporcionalna brzini rasta njegove mase

(13.3)

može se isključiti C 2 iz jednadžbi (13.1) i (13.2) i dobiti ovisnost mase skale o vremenu:

(13.4)

Iz posljednje relacije se vidi da se kinetički način procesa ostvaruje u pravilu u početnom trenutku oksidacije, kada je debljina oksidnog filma mala, a njegov difuzijski otpor se može zanemariti. Rast sloja kamenca usporava difuziju reagensa, a način procesa se s vremenom mijenja u difuziju.

Rigorozniji pristup koji je razvio Wagner u ionsko-elektronskoj teoriji visokotemperaturne oksidacije metala omogućuje kvantitativno izračunavanje konstantna brzina parabolički zakon rasta filma, koristeći podatke neovisnih eksperimenata o električnoj vodljivosti oksida:

gdje je ∆ G- promjena Gibbsove energije za reakciju oksidacije metala, M- molarnu masu oksida, - njegovu električnu vodljivost, t i- udio ionske vodljivosti, z- valenca metala, F- Faradayeva konstanta.

Prilikom proučavanja kinetike stvaranja vrlo tankih ( h < 5·10 –9 м) пленок необходимо учитывать также скорость переноса электронов через слой оксида путем туннельного эффекта (теория Хауффе и Ильшнера) и ионов металла под действием электрического поля (теория Мотта и Кабреры). В этом случае окисление металлов сопровождается большим самоторможением во времени при замедленности стадии переноса электронов, чему соответствует логарифмический закон роста пленок h = K Ln ( a τ+ B), kao i kubični h 3 = KΤ (oksidi su poluvodiči str-tip) ili inverzno logaritamsko 1 / h = C K Ln (τ) ( n- vrsta vodljivosti) kada je stupanj prijenosa metalnih iona sporiji.

2.1.2 Opis instalacije i postupak provođenja pokusa

Kinetika oksidacije željeza proučava se gravimetrijskom metodom koja omogućuje bilježenje promjene mase uzorka s vremenom tijekom pokusa. Shema instalacije prikazana je na slici 1.

Slika 1 - Shema eksperimentalne postavke:

1 - ispitani uzorak željeza; 2 - električna otporna peć; 3 - mehanoelektrični pretvarač É 2D1; 4 - osobno računalo s ADC pločom.

Uzorak metala (1), obješen na nikromski lanac na gredu mehanoelektričnog pretvarača E 2D1 (3), stavlja se u vertikalnu cjevastu elektrootpornu peć (2). Izlazni signal E 2D1, proporcionalan promjeni mase uzorka, dovodi se na ADC ploču računala kao dio instalacije. Konstantnost temperature u peći održava se automatskim regulatorom, a željena temperatura pokusa se postavlja odgovarajućim kotačićem na instrument tabli peći prema uputama nastavnika (800 - 900°C).

Na temelju rezultata rada utvrđuje se konstanta brzine oksidacijske reakcije željeza i koeficijent difuzije njegovih iona u oksidnom filmu te po mogućnosti energije aktivacije kemijske reakcije i difuzije. Grafički ilustrirajte ovisnost promjene mase uzorka i brzine oksidacijskog procesa o vremenu.

2.1.3 Obrada i prezentacija rezultata mjerenja

Mehanički-električni pretvarač je konstruiran na način da se dio mase mjerenog objekta kompenzira spiralnom oprugom. Njegova veličina nije poznata, ali mora ostati konstantna tijekom mjerenja. Kako proizlazi iz opisa mjerne tehnike, točno vrijeme (0) početka procesa oksidacije nije poznato, jer se ne zna kada će uzorak dobiti temperaturu dovoljnu za razvoj procesa oksidacije. Sve do trenutka kada uzorak zapravo počne oksidirati, njegova masa je jednaka masi matičnog metala ( m 0). Činjenica da ne mjerimo cijelu masu, već samo njezin nekompenzirani dio, ne mijenja bit stvari. Razlika između trenutne mase uzorka ( m) i početna masa metala predstavlja masu mjerila, stoga formulu (13.4) za stvarne eksperimentalne uvjete treba prikazati u obliku:

(13.6)

u kojem m- izmjerena vrijednost preostalog nekompenziranog dijela mase uzorka, m 0- isto prije početka procesa oksidacije na niskoj temperaturi uzorka. Iz ovog odnosa može se vidjeti da eksperimentalnu ovisnost mase uzorka o vremenu treba opisati jednadžbom oblika:

, (13.7)

čiji se koeficijenti prema dobivenim rezultatima mjerenja mogu pronaći metodom najmanjih kvadrata. To je ilustrirano tipičnim grafikonom na Sl. Točke su rezultati mjerenja, pravac se dobiva aproksimacijom podataka jednadžbom 13.7

Točke označene križićima su izvan granica i ne bi se trebale uzeti u obzir pri izračunu koeficijenata jednadžbe 13.7 metodom najmanjih kvadrata.

Uspoređujući formule (13.6) i (13.7), lako je pronađene koeficijente povezati s njihovim određujućim fizikalno-kemijskim vrijednostima:

(13.8)

U navedenom primjeru, vrijednost m0 - vrijednost na ordinati na = 0, ispala je 18,1 mg.

Koristeći ove vrijednosti, vrijednosti površine uzorka dobivene u pripremi za eksperiment ( S) i gustoća wustita posuđena iz literature (= 5,7 g/cm 3) može se

procijeniti i omjer koeficijenta difuzije i konstante brzine procesa oksidacije:

(13.13)

Ovaj omjer karakterizira debljinu filma kamenca pri kojoj je konstanta brzine difuzije jednaka konstanti brzine kemijske reakcije oksidacije metala, što odgovara definiciji strogo miješanog reakcijskog načina.

Na temelju rezultata rada, sve vrijednosti treba odrediti pomoću formula (13.7, 13.11 - 13.13): b 0 , b 1 , b 2 , m 0, 0 i D /K... Da biste ilustrirali rezultate, trebali biste dati graf ovisnosti m-. Uz eksperimentalne vrijednosti, poželjno je dati i aproksimirajuću krivulju.

Na temelju rezultata mjerenja potrebno je popuniti sljedeću tablicu:

Tablica 1. Rezultati proučavanja procesa oksidacije željeza.

U tablici se prva dva stupca popunjavaju nakon otvaranja datoteke s podacima, a ostali se izračunavaju. Zaglađivanje se izvodi na 5 točaka. Pri određivanju koeficijenata aproksimiranog polinoma istovremeno se koriste prvi, treći i četvrti stupac. Posljednji stupac treba sadržavati rezultate aproksimacije polinomom (13.7) korištenjem koeficijenata pronađenih metodom najmanjih kvadrata. Grafikon se gradi prema prvom, trećem i petom stupcu.

Ako rad izvodi više učenika, tada svaki od njih provodi pokus na svojoj temperaturi. Zajednička obrada rezultata procjene debljine sloja ljuske u strogo miješanom načinu () omogućuje procjenu razlike između aktivacijskih energija difuzije i kemijske reakcije. Doista, očita formula vrijedi ovdje:

(13.14)

Slična obrada koeficijenata b 2 omogućuje procjenu aktivacijske energije difuzije. Ovdje vrijedi formula:

(13.15)

Ako su mjerenja provedena na dvije temperature, tada se procjene provode izravno prema formulama (13.4) i (13.15), ako su vrijednosti temperature više od dvije, za funkcije treba primijeniti metodu najmanjih kvadrata ln () – 1/T i ln (b 2) – 1/T. Rezultirajuće vrijednosti dane su u sažetoj tablici i razmotrene u zaključcima.

Redoslijed obrade rezultata rada

2. Izgradite graf ovisnosti na zasebnom listu m-, vizualno identificirati i ukloniti skočne vrijednosti.

3. Izravnajte izmjerene vrijednosti težine.

4. Izračunajte kvadrate promjene mase

5. Nađite koeficijente metodom najmanjih kvadrata b 0 , b 1 , b 2 jednadžbe koje aproksimiraju ovisnost promjene mase tijekom vremena.

6. Izračunajte procjenu mase na početku mjerenja u skladu s aproksimacijskom jednadžbom

7. Analizirajte rezultate aproksimacije pomoću sortiranja i isključite netočne vrijednosti

8. Rezultate aproksimacije prikazati na grafu ovisnosti m – .

9. Izračunajte karakteristike sustava i procesa: m 0 , 0 , D /K .

Rezultati testa:

a. U ćeliji "A1" - površina uzorka, u susjednoj ćeliji "B1" mjerne jedinice;

b. U ćeliji "A2" - masa izvornog uzorka, u ćeliji "B2" - mjerne jedinice;

c. U ćeliji "A3" - temperatura eksperimenta, u ćeliji "B3" - mjerne jedinice;

d. U ćeliji "A4" - debljina sloja ljestvice u strogo miješanom načinu, u ćeliji "B4" - mjerne jedinice;

e. Počevši od ćelije "A10", zaključci o radu trebaju biti jasno formulirani.

U ćelijama A6-A7 trebaju biti reference na ćelije na drugim listovima knjige proračunskih tablica na kojima su izvršeni izračuni da bi se dobio prikazani rezultat, a ne same numeričke vrijednosti! Ako ovaj zahtjev nije ispunjen, program za provjeru prikazuje poruku "Pogreška u prezentaciji informacija".

2. Ispravno oblikovan graf ovisnosti m- dobiveno eksperimentalno (točke) i aproksimirano polinomom (pravcem), na posebnom listu proračunskih tablica sa svim potrebni potpisi i oznake.

Kontrolna pitanja

1. Kakva je struktura kamenca dobivenog na željezu tijekom njegove visokotemperaturne oksidacije na zraku?

2. Zašto pojava wustitne faze u ljestvici dovodi do naglog povećanja brzine oksidacije željeza?

3. Koje su faze procesa heterogene oksidacije željeza?

4. Koja je razlika između difuzijskog načina oksidacije željeza i kinetičkog?

5. Koji su redoslijed i metodologija rada?

6. Kako prepoznati način procesa oksidacije?

2.2 Studija temperaturne ovisnosti specifične električne vodljivosti oksidnih talina (Rad br. 14)

2.2.1 Opći podaci o prirodi električne vodljivosti troske

Proučavanje ovisnosti električne vodljivosti troske o njihovom sastavu i temperaturi od velike je važnosti za metalurgiju kako u teoretskom, tako i u primijenjenom smislu. Vrijednost električne vodljivosti može imati značajan utjecaj na brzinu najvažnijih reakcija između metala i troske u procesima proizvodnje čelika, na produktivnost metalurških jedinica, posebno u tehnologijama elektrotroske ili lučnih peći za taljenje sintetičke troske, gdje je brzina oslobađanje topline ovisi o količini električne struje koja prolazi kroz talinu. Osim toga, električna vodljivost, kao strukturno osjetljivo svojstvo, daje neizravne informacije o strukturi taline, koncentraciji i vrsti nabijenih čestica.

Prema konceptu strukture oksidnih talina, formuliranih, posebno, znanstvena škola Profesore O. A. Esin, ne mogu sadržavati nenabijene čestice. Istodobno, ioni u talini se jako razlikuju po veličini i strukturi. Osnovni oksidni elementi prisutni su kao jednostavni ioni, na primjer, Na +, Ca 2+, Mg 2+, Fe 2+, O 2-. Naprotiv, elementi visoke valencije, koji tvore kisele (kiseline) okside, kao što su SiO 2, TiO 2, B 2 O 3, u obliku iona imaju tako veliko elektrostatičko polje da ne mogu biti u talini kao jednostavni Si 4+ ioni, Ti 4+, B 3+. Oni se toliko približavaju anionima kisika da s njima stvaraju kovalentne veze i prisutni su u talini u obliku složenih aniona od kojih su najjednostavniji npr. SiO 4 4, TiO 4 4-, BO 3 3-, BO 4 5-. Složeni anioni imaju sposobnost kompliciranja svoje strukture, ujedinjujući se u dvo- i trodimenzionalne strukture. Na primjer, dva silicij-kisika tetraedra (SiO 4 4-) mogu se spojiti na vrhovima, tvoreći najjednostavniji linearni lanac (Si 2 O 7 6-). Time se oslobađa jedan ion kisika:

SiO44- + SiO44- = Si2O76- + O2-.

Detaljnije se ova pitanja mogu naći, na primjer, u obrazovnoj literaturi.

Električni otpor R konvencionalni linearni vodiči mogu se odrediti iz omjera

gdje je otpor, L- dužina, S Je površina poprečnog presjeka vodiča. Količina se naziva specifična električna vodljivost tvari. Iz formule (14.1) proizlazi da

Jedinica električne vodljivosti izražava se u Ohm –1 m –1 = S / m (S - siemens). Specifična električna vodljivost karakterizira električnu vodljivost volumena taline zatvorene između dvije paralelne elektrode površine 1 m 2 i koje se nalaze na udaljenosti od 1 m jedna od druge.

U općenitijem slučaju (nehomogeno električno polje), električna vodljivost se definira kao koeficijent proporcionalnosti između gustoće struje i u vodiču i gradijentu električnog potencijala:

Pojava električne vodljivosti povezana je s prijenosom naboja u tvari pod djelovanjem električnog polja. U metalima u prijenosu električne energije sudjeluju elektroni vodljivog pojasa čija je koncentracija praktički neovisna o temperaturi. S porastom temperature dolazi do smanjenja specifične električne vodljivosti metala, jer koncentracija "slobodnih" elektrona ostaje konstantna, a usporavajući učinak toplinskog gibanja iona kristalne rešetke na njih raste.

U poluvodičima, nositelji električnog naboja su kvazi-slobodni elektroni u vodljivom pojasu ili slobodna mjesta u valentnom energetskom pojasu (elektronske rupe), nastaju zbog toplinski aktiviranih prijelaza elektrona s donorskih razina u vodljivu vrpcu poluvodiča. S porastom temperature povećava se vjerojatnost takvih aktiviranih prijelaza, prema tome povećava se koncentracija nositelja električne struje i specifična električna vodljivost.

U elektrolitima, koji uključuju i taline oksida, u prijenosu električne energije u pravilu sudjeluju ioni: Na +, Ca 2+, Mg 2+, SiO 4 4–, BO 2 - i drugi. Svaki od iona ј -. razred može doprinijeti ukupnoj vrijednosti gustoće električne struje u skladu s poznatom relacijom

gdje je djelomična specifična električna vodljivost; D j , C j , z j- koeficijent difuzije, koncentracija i naboj iona ј -th razred; F- Faradayeva konstanta; T- temperatura; R

Očito, zbroj količina i j jednaka je ukupnoj gustoći struje i povezana s kretanjem svih iona, a vodljivost cijele taline je zbroj parcijalnih vodljivosti.

Kretanje iona u elektrolitima je aktivacijski proces. To znači da se pod djelovanjem električnog polja ne kreću svi ioni, već samo najaktivniji od njih, posjedujući određeni višak energije u usporedbi s prosječnom razinom. Taj višak energije, nazvan aktivacijska energija električne vodljivosti, nužan je da se prevladaju sile interakcije danog iona s okolinom, kao i da se formira praznina (šupljina) u koju on prelazi. Broj aktivnih čestica, sukladno Boltzmannovom zakonu, raste sa

eksponencijalno povećanje temperature. Tako ... Slijediti-

stoga, u skladu s (14.5), temperaturnu ovisnost specifične električne vodljivosti treba opisati zbrojem eksponencijala. Međutim, poznato je da s povećanjem veličine čestica značajno raste i njihova aktivacijska energija. Stoga se u odnosu (14.5) u pravilu zanemaruje doprinos velikih niskomobilnih iona, a za ostalo se usrednjavaju parcijalne vrijednosti.

Kao rezultat, temperaturna ovisnost specifične električne vodljivosti oksidnih talina poprima sljedeći oblik:

(14.6)

što se dobro slaže s eksperimentalnim podacima.

Tipične vrijednosti za metalurške troske koje sadrže okside CaO, SiO 2, MgO, Al 2 O 3 su u rasponu od 0,1 - 1,0 S cm –1 u blizini temperature likvidusa, što je mnogo niže od električne vodljivosti tekućih metala (10 5 –10 7 S cm –1). Energija aktivacije električne vodljivosti gotovo je neovisna o temperaturi u bazičnim troskama, ali se može blago smanjiti s porastom temperature u kiselim talinama, zbog njihove depolimerizacije. Obično se vrijednost nalazi u rasponu od 40-200 kJ / mol, ovisno o sastavu taline.

Pri povišenom sadržaju (preko 10%) željeznih oksida (FeO, Fe 2 O 3) ili drugih oksida prijelaznih metala (npr. MnO, V 2 O 3, Cr 2 O 3), karakter električne vodljivosti troske se mijenja, budući da se osim ionske vodljivosti u njima pojavljuje značajan udio elektronske vodljivosti. Elektronička komponenta vodljivosti u takvim talinama nastaje zbog kretanja elektrona ili elektronskih "rupa" prema relejnom mehanizmu od kationa prijelaznog metala s nižom valentnošću na kation s višom valentnošću kroz R-orbitale iona kisika smještene između ovih čestica.

Vrlo visoka pokretljivost elektrona u kombinacijama Me 2+ - O 2– - Me 3+, unatoč njihovoj relativno niskoj koncentraciji, naglo povećava električnu vodljivost troske. Dakle, maksimalna vrijednost æ za čisto željezne taline FeO - Fe 2 O 3 može biti

10 2 S · cm –1, dok je ipak ostalo mnogo manje metala.

2.2.2 Opis postupka ugradnje i mjerenja

U ovom radu određena je specifična električna vodljivost rastaljenog natrijevog tetraborata Na 2 O 2B 2 O 3 u temperaturnom rasponu 700 - 800 °C. Kako bi se uklonile komplikacije povezane s prisutnošću otpora sučelja metal - elektrolit, proučavanje električne vodljivosti mora se provesti u uvjetima kada je otpor sučelja zanemariv. To se može postići korištenjem izmjenične struje dovoljno visoke frekvencije (≈ 10 kHz) umjesto istosmjerne struje.

Električna shema instalacije prikazana je na slici 2.

Slika 2. Shema električnog kruga instalacije za mjerenje električne vodljivosti troske:

ZG - generator zvučne frekvencije; PC - osobno računalo sa zvučnom karticom; Yach otopina i Yach troska - elektrokemijske ćelije koje sadrže vodenu otopinu KCl ili troske; R et - referentni otpor poznate vrijednosti.

Izmjenična struja iz generatora audio frekvencije dovodi se u ćeliju koja sadrži trosku i s njom povezan referentni otpor poznate vrijednosti. PC zvučna kartica mjeri pad napona na ćeliji i referentni otpor. Budući da je struja koja teče kroz R et i Yach ista

(14.7)

Program za laboratorijsku instalaciju izračunava, prikazuje na ekranu monitora i upisuje u datoteku vrijednost omjera ( r) vrijednosti amplitude izmjenične struje na izlazu generatora zvuka ( U hg) i na mjernoj ćeliji ( U bar):

Znajući to, možete odrediti otpor stanice

gdje je stanična konstanta.

Za utvrđivanje Kćelije u eksperimentalnoj postavci, koristi se pomoćna ćelija, slična onoj koja se istražuje u smislu geometrijskih parametara. Obje elektrokemijske ćelije su korundski čamci s elektrolitom. U njima su dvije cilindrične metalne elektrode istog presjeka i duljine, koje se nalaze na istoj udaljenosti jedna od druge, izostavljene kako bi se osigurao konstantan omjer (L / S) eff.

Ispitana ćelija sadrži taljevinu Na 2 O 2B 2 O 3 i stavlja se u peć za grijanje na temperaturu od 700 - 800 °C. Pomoćna ćelija je na sobnoj temperaturi i napunjena je s 0,1 N vodenom otopinom KCl, čija je električna vodljivost 0,0112 S cm –1. Poznavanje vodljivosti otopine i određivanje (vidi formulu 14.9) električnog otpora

pomoćna ćelija (

2.2.3 Radni nalog

A. Rad pomoću mjernog sustava u stvarnom vremenu

Prije početka mjerenja, peć se mora prethodno zagrijati na temperaturu od 850 ° C. Redoslijed radova na instalaciji je sljedeći:

1. Nakon što izvršite postupak inicijalizacije u skladu s uputama na ekranu monitora, isključite pećnicu, stavite prekidač "1 - referentni otpor" u položaj "1 - Hi" i slijedite daljnje upute.

2. Nakon što se pojavi indikacija "Switch 2 - to the" solution "položaj, izvršite ga i dok se ne pojavi indikacija" Switch 2 - to "MELT" položaj, zabilježite vrijednosti omjera otpora koje se pojavljuju svakih 5 sekundi.

3. Slijedite drugu uputu i promatrajte promjenu temperature. Čim temperatura postane manja od 800 ° C, naredba s tipkovnice "Xs" trebala bi uključiti izlaz grafa i svakih 5 sekundi zabilježiti vrijednosti temperature i omjere otpora.

4. Nakon što se talina ohladi na temperaturu ispod 650 °C, potrebno je inicijalizirati mjerenja za drugog studenta koji radi na ovoj instalaciji. Prebacite "1 - referentni otpor" u položaj "2 - Lo" i od tog trenutka drugi učenik počinje bilježiti temperaturne vrijednosti i omjere otpora svakih 5 sekundi.

5. Kada se talina ohladi na temperaturu od 500 °C ili je vrijednost omjera otpora blizu 6, mjerenje treba prekinuti slanjem naredbe “Xe” s tipkovnice. Od ovog trenutka drugi učenik mora prebaciti prekidač 2 u položaj 'rješenje' i zapisati deset vrijednosti omjera otpora.

B. Rad s podacima koji su prethodno upisani u datoteku

Nakon aktiviranja programa, na ekranu se pojavljuje poruka o vrijednosti referentnog otpora i nekoliko vrijednosti omjera otpora ( r) kalibracijske ćelije. Nakon usrednjavanja, ovi podaci će vam omogućiti da pronađete konstantu postavke.

Nakon toga, svakih nekoliko sekundi, na zaslonu se pojavljuju omjeri temperature i otpora za mjernu ćeliju. Ova informacija je prikazana na grafikonu.

Program automatski prekida rad i sve rezultate šalje na nastavnikovo računalo.

2.2.4 Obrada i prezentacija rezultata mjerenja

Na temelju rezultata mjerenja ispunite tablicu sa sljedećim naslovom:

Tablica 1. Temperaturna ovisnost električne vodljivosti taline Na 2 O · 2B 2 O 3

U tablici se prva dva stupca popunjavaju nakon otvaranja datoteke s podacima, a ostali se izračunavaju. Treba ih koristiti za crtanje ovisnosti ln () - 10 3 / T i korištenje metode najmanjih kvadrata (funkcija LINEST u OpenOffice.Calc) za određivanje vrijednosti energije aktivacije. Grafikon bi trebao prikazati približnu ravnu liniju. Također biste trebali napraviti grafikon vodljivosti u odnosu na temperaturu. Redoslijed obrade rezultata

1. Unesite zapise o rezultatima mjerenja u datoteku proračunske tablice.

2. Izračunajte prosječnu vrijednost omjera otpora za kalibracijsku ćeliju.

3. Izračunajte konstantu podešavanja.

4. Izgradite graf ovisnosti r – t, vizualno identificirati i ukloniti skočne vrijednosti. Ako ih ima puno, primijenite sortiranje.

5. Izračunajte otpor mjerne ćelije, vodljivost taline oksida pri različitim temperaturama, logaritam vodljivosti i inverznu apsolutnu temperaturu

b 0 , b 1 jednadžbe koja aproksimira ovisnost logaritma električne vodljivosti o recipročnoj temperaturi, te izračunati energiju aktivacije.

7. Konstruirajte graf ovisnosti logaritma električne vodljivosti o recipročnoj temperaturi na posebnom listu i dajte aproksimirajuću ovisnost Rezultati testa:

1. U knjizi proračunskih tablica koja je poslana na pregled, na prvoj stranici pod naslovom "Rezultati" treba navesti sljedeće informacije:

a. U ćeliji "A1" - početna temperatura, u ćeliji "B1" - mjerne jedinice;

c. U ćeliji "A3" - aktivacijska energija električne vodljivosti, u ćeliji "B3" - mjerne jedinice;

d. U ćeliji "A4" - predeksponencijalni faktor u formuli za temperaturnu ovisnost električne vodljivosti, u ćeliji "B4" - mjerne jedinice;

e. Počevši od ćelije "A5", zaključci o radu trebaju biti jasno formulirani.

U ćelijama A1-A4 trebaju biti reference na ćelije na drugim listovima knjige proračunskih tablica na kojima su izvršeni izračuni za dobivanje prikazanog rezultata, a ne same numeričke vrijednosti! Ako ovaj zahtjev nije ispunjen, program za provjeru prikazuje poruku "Pogreška u prezentaciji informacija".

2. Ispravno izrađen graf ovisnosti logaritma električne vodljivosti o recipročnoj temperaturi, dobiven iz eksperimentalnih podataka (točke) i aproksimiran polinomom (crtom), na posebnom listu proračunskih tablica sa svim potrebnim potpisima i oznakama.

Kontrolna pitanja

1. Što se zove električna vodljivost?

2. Koje čestice određuju električnu vodljivost troske?

3. Kakva je narav temperaturne ovisnosti električne vodljivosti metala i oksidnih talina?

4. Što određuje konstantu stanice i kako je odrediti?

5. Zašto trebate koristiti izmjeničnu struju za određivanje?

6. Kako energija aktivacije električne vodljivosti ovisi o temperaturi?

7. Koji se senzori i uređaji koriste u laboratorijskoj instalaciji. Koje fizičke veličine dopuštaju registrirati?

8. Koje grafove (u kojim koordinatama) treba prikazati na temelju rezultata rada?

9. Koje fizičke i kemijske vrijednosti treba dobiti nakon obrade primarnih podataka?

10. Odlučite koja se mjerenja provode prije eksperimenta, koje vrijednosti se bilježe tijekom eksperimenta, koji se podaci odnose na primarne informacije, kakvoj se obradi podvrgavaju i koje se informacije dobivaju u ovom slučaju.

2.3 Proučavanje kinetike odsumporavanja metala troskom na simulacijskom modelu (Rad br. 15)

2.3.1 Opći podaci o kinetici odsumporavanja metala troskom

Nečistoće sumpora u čeliku, u količinama većim od 0,005 mas. %, značajno smanjuju njegova mehanička, električna, antikorozivna i druga svojstva, pogoršavaju zavarljivost metala, dovode do pojave crvene i hladnokrhkosti. Stoga je proces odsumporavanja čelika, posebno učinkovitog odvijanja troske, od velike važnosti za visokokvalitetnu metalurgiju.

Potrebno je proučavati kinetičke zakone reakcije, identificirati njezin mehanizam i način toka učinkovito upravljanje brzina odsumporavanja, jer u realnim uvjetima metalurških jedinica obično se ne postiže ravnotežna raspodjela sumpora između metala i troske.

Za razliku od većine drugih nečistoća u čeliku, prijelaz sumpora iz metala u trosku je redukcijski proces, a ne oksidativni 1. [S] + 2e = (S 2–).

To znači da je za kontinuirani tijek katodnog procesa, koji dovodi do nakupljanja pozitivnih naboja na metalu, neophodan istovremeni prijelaz drugih čestica, sposobnih da doniraju elektrone metalnoj fazi. Takvi popratni anodni procesi mogu biti oksidacija aniona kisika troske ili čestica željeza, ugljika, mangana, silicija i drugih metalnih nečistoća, ovisno o sastavu čelika.

2. (O 2–) = [O] + 2e,

3. = (Fe 2+) + 2e,

4. [C] + (O 2–) = CO + 2e, 5. = (Mn 2+) + 2e.

Uzeti zajedno, katodni i bilo koji jedan anodni proces omogućavaju zapisivanje stehiometrijske jednadžbe reakcije odsumporavanja u sljedećem obliku, na primjer:

1-2. (CaO) + [S] = (CaS) + [O], H = -240 kJ/mol

1-3. + [S] + (CaO) = (FeO) + (CaS). H = -485 kJ/mol

Odgovarajući izrazi za konstante ravnoteže su

(15.1)

Očito se odabrani procesi i slično mogu odvijati istovremeno. Iz relacije (15.1) proizlazi da je stupanj odsumporavanja metala pri konstantnoj temperaturi, t.j. konstantna vrijednost konstante ravnoteže, raste s porastom koncentracije slobodnog iona kisika (O 2-) u oksidnoj talini. Doista, rast faktora u nazivniku mora se nadoknaditi smanjenjem drugog faktora kako bi odgovarao nepromijenjenoj vrijednosti konstante ravnoteže. Imajte na umu da se sadržaj slobodnih iona kisika povećava korištenjem troske s visokom bazom, bogatom kalcijevim oksidom. Analizirajući relaciju (15.2), možemo zaključiti da bi sadržaj željeznih iona (Fe 2+) u oksidnoj talini trebao biti minimalan, tj. troske trebaju sadržavati minimalnu količinu željeznih oksida. Prisutnost deoksidatora (Mn, Si, Al, C) u metalu također povećava potpunost odsumporavanja čelika zbog smanjenja sadržaja (Fe 2+) i [O].

Reakcija 1-2 je popraćena apsorpcijom topline (∆H> 0), stoga će se, kako se proces odvija, temperatura u metalurškoj jedinici opadati. Naprotiv, reakcija 1-3 je popraćena oslobađanjem topline (∆H<0) и, если она имеет определяющее значение, температура в агрегате будет повышаться.

U kinetičkom opisu odsumporavanja treba uzeti u obzir sljedeće korake procesa:

Isporuka čestica sumpora iz mase metala do granične površine sa troskom, što se ostvaruje najprije konvektivnom difuzijom, a neposredno u blizini sučelja metal-troska - molekularnom difuzijom; elektrokemijski čin dodavanja elektrona atomima sumpora i stvaranje aniona S 2–; što je adsorpcijsko-kemijski čin, uklanjanje sumpornih aniona u volumen troske, zbog molekularne, a zatim konvektivne difuzije.

Slične faze karakteristične su i za anodne stupnjeve u kojima sudjeluju atomi Fe, Mn, Si ili O 2– anioni. Svaka od faza pridonosi ukupnoj otpornosti procesa odsumporavanja. Pokretačka sila strujanja čestica kroz određeni broj zadanih otpora je razlika njihovih elektrokemijskih potencijala u neravnotežnom sustavu metal-troska ili razlika stvarnog i ravnotežnog elektrodnog potencijala na granici, koja je tome proporcionalna, tzv. prenapona .

Brzina procesa koji se sastoji od niza uzastopnih faza određena je doprinosom faze s najvećim otporom - ograničavajući pozornica. Ovisno o mehanizmu faze ograničavanja brzine, govorimo o difuzijskom ili kinetičkom načinu reakcije. Ako stupnjevi s različitim mehanizmima protoka imaju usporedive otpore, onda govore o mješovitom načinu reakcije. Otpor svakog stupnja značajno ovisi o prirodi i svojstvima sustava, koncentraciji reagensa, intenzitetu miješanja faza i temperaturi. Tako je, na primjer, brzina elektrokemijskog čina redukcije sumpora određena vrijednošću struje izmjene

(15.3)

gdje V- temperaturna funkcija, C[S] i C(S 2–) - koncentracija sumpora u metalu i troski, α - koeficijent prijenosa.

Brzina stupnja isporuke sumpora do granice faze određena je graničnom difuzijskom strujom ovih čestica

gdje D[S] je koeficijent difuzije sumpora, β je konvektivna konstanta određena intenzitetom konvekcije u talini, proporcionalna je kvadratnom korijenu linearne brzine konvektivnih strujanja u tekućini.

Dostupni eksperimentalni podaci pokazuju da se u normalnim uvjetima konvekcije taline elektrokemijski čin pražnjenja sumpornih iona odvija relativno brzo, t.j. Odsumporavanje se uglavnom inhibira difuzijom čestica u metalu ili trosku. Međutim, s povećanjem koncentracije sumpora u metalu, poteškoće u difuziji se smanjuju i način procesa se može promijeniti u kinetički. Tome također olakšava dodavanje ugljika željezu, jer pražnjenje iona kisika na granici ugljični metal - troska događa se uz značajnu kinetičku inhibiciju.

Treba imati na umu da elektrokemijski koncept interakcije metala s elektrolitima omogućuje razjasniti mehanizam procesa, detaljno razumjeti pojave koje se događaju. Istodobno, jednostavne jednadžbe formalne kinetike u potpunosti zadržavaju svoju valjanost. Konkretno, za grubu analizu eksperimentalnih rezultata dobivenih sa značajnim pogreškama, jednadžba za brzinu reakcije 1-3 može se napisati u najjednostavnijem obliku:

gdje k f i k r - konstante brzine naprijed i obrnuto. Ovaj odnos je zadovoljen ako se otopine sumpora u željezu i kalcijevog sulfida i wustita u troski mogu smatrati beskonačno razrijeđenim, a redoslijed reakcija za te reagense blizu jedinice. Sadržaj preostalih reagensa razmatrane reakcije je toliko visok da svo vrijeme interakcije ostaje praktički konstantno i njihove koncentracije mogu se uključiti u konstante k f i k r

S druge strane, ako je proces odsumporavanja daleko od ravnoteže, tada se brzina obrnute reakcije može zanemariti. Tada bi brzina odsumporavanja trebala biti proporcionalna koncentraciji sumpora u metalu. Ova verzija opisa eksperimentalnih podataka može se provjeriti ispitivanjem odnosa između logaritma brzine odsumporavanja i logaritma koncentracije sumpora u metalu. Ako je ovaj odnos linearan, a nagib ovisnosti treba biti blizak jedinici, onda je to argument u korist difuzijskog načina procesa.

2.3.2 Matematički model procesa

Mogućnost nekoliko anodnih stupnjeva uvelike komplicira matematički opis procesa odsumporavanja čelika koji sadrži mnogo nečistoća. S tim u vezi, u model su uvedena neka pojednostavljenja, posebice kinetička

Za polureakcije prijelaza željeza i kisika, u vezi s usvojenim ograničenjem kontrole difuzije, omjeri izgledaju puno jednostavnije:

(15.7)

U skladu s uvjetom elektroneutralnosti u odsutnosti struje iz vanjskog izvora, odnos između struja za pojedinačne polureakcije elektroda izražava se jednostavnim odnosom:

Razlike u prenaponima elektroda () određene su omjerima odgovarajućih proizvoda aktivnosti i konstanti ravnoteže za reakcije 1-2 i 1-3:

Vremenski derivat koncentracije sumpora u metalu određen je strujom prve polureakcije elektrode u skladu s jednadžbom:

(15.12)

Ovdje i 1 , i 2 - gustoća struje elektrodnih procesa, η 1, η 2 - njihova polarizacija, i n - ograničavajuće struje difuzije čestica ј - te sorte, i o je struja izmjene kinetičkog stupnja, C[s] je koncentracija sumpora u metalu, α je koeficijent prijenosa, P, K p je umnožak aktivnosti i konstante ravnoteže reakcije odsumporavanja, S- područje sučelja metal-troska, V Ja je volumen metala, T-temperatura, F- Faradayeva konstanta, R Je univerzalna plinska konstanta.

U skladu sa zakonima elektrokemijske kinetike, izraz (15.6) uzima u obzir inhibiciju difuzije iona željeza u trosku, budući da, sudeći prema eksperimentalnim podacima, stupanj pražnjenja-ionizacije ovih čestica nije ograničavajući. Izraz (15.5) je usporavanje difuzije čestica sumpora u trosku i metal, kao i usporavanje ionizacije sumpora na granici.

Kombinirajući izraze (15.6 - 15.12), moguće je numeričkim metodama dobiti ovisnost koncentracije sumpora u metalu o vremenu za odabrane uvjete.

U modelu su korišteni sljedeći parametri:

3)
Struja ionske izmjene sumpora:

4) Konstanta ravnoteže reakcije odsumporavanja ( DO R):

5) Omjer površine sučelja i volumena metala

7) Konvektivna konstanta (β):

Model omogućuje analizu utjecaja navedenih čimbenika na brzinu i potpunost odsumporavanja, kao i procjenu doprinosa difuzijske i kinetičke inhibicije ukupnoj otpornosti procesa.

2.3.3 Postupak rada

Slika generirana simulacijskim programom prikazana je na Sl. ... U gornjem dijelu panela prikazane su odabrane numeričke vrijednosti izmjerenih vrijednosti, na grafikonu su prikazane sve vrijednosti dobivene tijekom simulacije procesa. U oznakama komponenti taline metala i troske koriste se dodatni znakovi usvojeni u literaturi o metalurškim temama. Četvrtaste zagrade označavaju pripadnost komponente metalnoj talini, a okrugle zagrade - troski. Simboli komponenti koriste se samo za crtanje i ne smiju se uzimati u obzir pri tumačenju vrijednosti. Tijekom rada modela, u svakom trenutku, prikazuje se samo vrijednost jedne od izmjerenih vrijednosti. Nakon 6 sekundi nestaje i pojavljuje se sljedeća vrijednost. Tijekom tog vremenskog razdoblja potrebno je imati vremena za zapisivanje sljedeće vrijednosti. Da biste uštedjeli vrijeme, preporuča se ne pisati fiksne brojeve, na primjer, vodeću jedinicu u vrijednosti temperature.

Pet minuta nakon početka mjerenja po satu u gornjem desnom kutu panela za postavljanje, istovremenim pritiskom na tipke i [Br.], gdje je br. broj podešavanja, pojačajte brzinu miješanja faze.

2.3.4 Obrada i prezentacija rezultata mjerenja

Tablicu rezultata mjerenja generiranih simulacijskim programom treba dopuniti sljedećim izračunatim stupcima:

Tablica 1. Rezultati statističke obrade eksperimentalnih podataka

U tablici u prvom stupcu izračunajte vrijeme od početka procesa u minutama.

Daljnja obrada vrši se nakon grafičke konstrukcije – u prvoj fazi obrade treba nacrtati graf temperature u odnosu na vrijeme i procijeniti raspon podataka kada prijelaz sumpora prati uglavnom prijelaz željeza. U ovom rasponu razlikuju se dva područja s istim brzinama miješanja, a koeficijenti aproksimirajućih polinoma nalaze se metodom najmanjih kvadrata:

što slijedi iz jednadžbe (15.5) pod navedenim uvjetima. Uspoređujući dobivene vrijednosti koeficijenata, izvode se zaključci o načinu odvijanja procesa i stupnju približavanja sustava stanju ravnoteže. Imajte na umu da u jednadžbi (15.13) nema presjeka.

Za ilustraciju rezultata pokusa ucrtani su grafikoni ovisnosti koncentracije sumpora o vremenu i brzine odsumporavanja o koncentraciji kalcijevog sulfida u troski.

Redoslijed obrade rezultata

2. Izračunajte brzinu procesa odsumporavanja iz koncentracije sumpora u metalu, logaritama brzine i koncentracije sumpora.

3. Konstruirajte na zasebnim listovima grafikone ovisnosti temperature u jedinici u odnosu na vrijeme, mase troske u odnosu na vrijeme, brzine i vremena odsumporavanja, te logaritma brzine odsumporavanja prema logaritmu koncentracije sumpora.

4. Metodom najmanjih kvadrata procijenite odvojeno za različite brzine miješanja kinetičke karakteristike procesa odsumporavanja u skladu s jednadžbom () i redoslijed reakcije u smislu koncentracije sumpora.

Rezultati testa:

1. Ispravno dizajnirani grafikoni ovisnosti brzine procesa odsumporavanja i logaritma ove vrijednosti o vremenu, na posebnom listu tablica sa svim potrebnim potpisima.

2. Vrijednosti kinetičkih karakteristika procesa odsumporavanja u svim varijantama procesa s naznakom dimenzija (i grešaka).

3. Zaključci o radu.

Kontrolna pitanja

1. Koji su uvjeti potrebni za najpotpunije odsumporavanje metala troskom?

2. Koji anodni procesi mogu pratiti uklanjanje sumpora?

3. Koje su faze procesa prijelaza sumpora preko grane?

4. U kojim slučajevima se provodi difuzijski ili kinetički način odsumporavanja?

5. Koji je redoslijed rada?

2.4 Termografska studija procesa disocijacije prirodnih karbonata (Rad br. 16)

2.4.1 Opći zakoni disocijacije karbonata

Termogram je vremenska ovisnost temperature uzorka. Termografska metoda za proučavanje procesa toplinske razgradnje tvari postala je široko rasprostranjena nakon što su otkrivene karakteristične značajke takvih ovisnosti: "temperaturna zaustavljanja" i "područja nagnutih temperatura".

1.4

Slika 3. Ilustracija termograma:

isprekidana linija - termogram hipotetskog referentnog uzorka u kojem ne dolazi do disocijacije; puna linija je pravi uzorak s dvostupanjskom disocijacijom.

To su karakteristični dijelovi ovisnosti, unutar kojih neko vrijeme () temperatura ili ostaje konstantna (T = const), ili raste za malu količinu (T) konstantnom brzinom (T /). Pomoću numeričke ili grafičke diferencijacije moguće je s dobrom točnošću odrediti trenutke vremena i temperature početka i kraja temperaturnog zaustavljanja.

U predloženom laboratorijskom radu takva se ovisnost dobiva kontinuiranim zagrijavanjem prirodnog kalcitnog materijala čija je glavna komponenta kalcijev karbonat. Stijena koja se sastoji uglavnom od kalcita naziva se vapnenac. Vapnenac se u velikim količinama koristi u metalurgiji.

Kao rezultat kalcinacije (toplinske obrade) vapnenca endotermnom reakcijom

CaCO 3 = CaO + CO 2

dobiti vapno (CaO) - neophodnu komponentu taline troske. Proces se provodi na temperaturama ispod tališta i vapnenca i vapna. Poznato je da su karbonati i iz njih nastali oksidi međusobno praktički netopivi, pa je produkt reakcije nova čvrsta faza i plin. Izraz za konstantu ravnoteže, u općem slučaju, ima oblik:

Ovdje a- aktivnost čvrstih reagensa, - parcijalni tlak plinovitog reakcijskog produkta. U metalurgiji se također široko koristi još jedna stijena nazvana dolomit. Uglavnom se sastoji od istoimenog minerala, koji je dvostruka sol ugljične kiseline CaMg (CO 3) 2.

Kalcit, kao i svaki prirodni mineral, uz glavnu komponentu, sadrži razne nečistoće, čija količina i sastav ovise o nalazištu prirodnih minerala, pa čak i o određenom rudarskom mjestu. Raznolikost spojeva nečistoća je tolika da ih je potrebno klasificirati prema nekoj bitnoj osobini u ovom ili onom slučaju. Za termodinamičku analizu bitna značajka je sposobnost nečistoća da tvore otopine s reagensima. Pretpostavit ćemo da u mineralu nema nečistoća koje u proučavanom rasponu uvjeta (tlak i temperatura) ulaze u bilo kakve kemijske reakcije međusobno ili s glavnom komponentom ili produktom njegova raspadanja. U praksi ovaj uvjet nije u potpunosti ispunjen, budući da, na primjer, u kalcitu mogu biti prisutni karbonati drugih metala, ali sa stajališta daljnje analize, uzimanje u obzir ovih reakcija neće dati nove informacije, ali će nepotrebno zakomplicirati analiza.

Sve ostale nečistoće možemo podijeliti u tri skupine:

1. Nečistoće koje tvore otopinu s kalcijevim karbonatom. Takve se nečistoće, naravno, moraju uzeti u obzir u termodinamičkoj analizi i, najvjerojatnije, u kinetičkoj analizi procesa.

2. Nečistoće koje se otapaju u produktu reakcije - oksidu. Rješenje pitanja obračuna nečistoća ove vrste ovisi o tome koliko se brzo otapaju u čvrstom reakcijskom produktu i usko povezanom pitanju disperzije inkluzija ove vrste nečistoća. Ako su inkluzije relativno velike veličine i njihovo otapanje se odvija sporo, onda ih ne treba uzimati u obzir u termodinamičkoj analizi.

3. Nečistoće netopive u izvornom karbonatu i produktu njegovog raspadanja. Te nečistoće ne treba uzimati u obzir u termodinamičkoj analizi, kao da uopće ne postoje. U nekim slučajevima mogu utjecati na kinetiku procesa.

U najjednostavnijoj (grubo) verziji analize, dopušteno je kombinirati sve nečistoće iste vrste i smatrati ih nekom generaliziranom komponentom. Na temelju toga razlikujemo tri komponente: B1, B2 i B3. Također treba raspravljati o plinskoj fazi razmatranog termodinamičkog sustava. U laboratorijskom radu proces disocijacije se provodi u otvorenoj instalaciji koja komunicira s atmosferom prostorije. U tom je slučaju ukupni tlak u termodinamičkom sustavu konstantan i jednak jednoj atmosferi, a u plinskoj fazi se nalazi plinoviti produkt reakcije - ugljični dioksid (CO2) i komponente zračnog okoliša, pojednostavljeno - kisik i dušik. Potonji ne stupaju u interakciju s ostalim komponentama sustava, stoga se u razmatranom slučaju kisik i dušik ne razlikuju i u nastavku ćemo ih zvati neutralna plinovita komponenta B.

Temperaturna zaustavljanja i mjesta imaju termodinamičko objašnjenje. S poznatim sastavom faza, temperatura zaustavljanja može se predvidjeti termodinamičkim metodama. Može se riješiti i inverzni problem - poznatim temperaturama može se odrediti sastav faza. Predviđeno je u ovoj studiji.

Temperaturna zaustavljanja i platforme mogu se implementirati samo ako su ispunjeni određeni zahtjevi za kinetiku procesa. Prirodno je očekivati ​​da se radi o zahtjevima za praktički ravnotežnim faznim sastavima na mjestu reakcije i zanemarivim gradijentima u difuzijskim slojevima. Usklađenost s takvim uvjetima je moguća ako se brzina procesa ne kontrolira unutarnjim čimbenicima (otpor na difuziju i otpornost same kemijske reakcije), već vanjski čimbenici - brzinom dovoda topline na mjesto reakcije. Uz osnovne načine heterogene reakcije definirane u fizikalnoj kemiji: kinetički i difuzijski, ovaj se proces naziva toplinskim.

Imajte na umu da se toplinski režim procesa disocijacije u čvrstoj fazi pokazao mogućim zbog osobitosti reakcije, koja zahtijeva dovod velike količine topline, a istodobno nema faza opskrbe početnim materijalima na mjesto reakcije (budući da dolazi do razgradnje jedne tvari) i uklanjanje krutog produkta reakcije iz graničnog odvajanja faza (budući da se ova granica pomiče). Ostaju samo dvije faze povezane s difuzijom: uklanjanje CO2 kroz plinovitu fazu (očito s vrlo malim otporom) i difuzija CO2 kroz oksid, što je uvelike olakšano pucanjem oksida koji ispunjava volumen koji je prethodno zauzimao isparljivi ugljični monoksid.

Razmotrimo termodinamički sustav na temperaturama ispod temperaturnog graničnika. Prvo, pretpostavimo da u karbonatu nema nečistoća prve i druge vrste. Uzet ćemo u obzir moguću prisutnost nečistoće treće vrste, ali samo kako bismo pokazali da se to ne može učiniti. Pretpostavimo da je uzorak istraživanog praškastog kalcita sastavljen od identičnih sfernih čestica polumjera r 0. Granicu termodinamičkog sustava povlačimo na određenoj udaljenosti od površine jedne od čestica kalcita, koja je mala u odnosu na njezin polumjer, te tako u sustav uključujemo određeni volumen plinske faze.

Sustav koji se razmatra sadrži 5 tvari: CaO, CaCO3, B3, CO2, B, a neke od njih sudjeluju u jednoj reakciji. Te su tvari raspoređene u četiri faze: CaO, CaCO3, B3, plinovita faza, od kojih je svaka karakterizirana svojim inherentnim vrijednostima različitih svojstava i odvojena je od ostalih faza vidljivim (barem pod mikroskopom) sučeljem. Činjenica da je faza B3 predstavljena, najvjerojatnije, mnoštvom dispergiranih čestica neće promijeniti analizu - sve su čestice praktički identične po svojstvima i mogu se smatrati jednom fazom. Vanjski tlak je konstantan, pa postoji samo jedna vanjska varijabla - temperatura. Dakle, svi pojmovi za izračun broja stupnjeva slobode ( S) definirani su: S = (5 – 1) + 1 – 4 = 1.

Dobivena vrijednost znači da kada se temperatura (jedan parametar) promijeni, sustav će prijeći iz jednog ravnotežnog stanja u drugo, a broj i priroda faza se neće mijenjati. Promijenit će se parametri stanja sustava: temperatura i ravnotežni tlak ugljičnog dioksida i neutralnog plina B ( T , P CO2 , P B).

Strogo govoreći, ovo što je rečeno ne vrijedi za bilo koje temperature ispod temperaturnog zaustavljanja, već samo za interval kada je reakcija, koja se u početku odvija u kinetičkom režimu, prešla u toplinski režim i zaista se može govoriti o blizini parametre sustava na ravnotežne. Na nižim temperaturama sustav nije značajno ravnotežan, ali to se ne odražava na prirodu ovisnosti temperature uzorka o vremenu.

Od samog početka eksperimenta – na sobnoj temperaturi sustav je u stanju ravnoteže, ali samo zato što u njemu nema tvari koje bi mogle stupiti u interakciju. To se odnosi na kalcijev oksid koji bi u tim uvjetima (parcijalni tlak ugljičnog dioksida u atmosferi je oko 310 –4 atm, ravnotežni tlak 10 –23 atm) mogao karbonizirati. Prema jednadžbi izoterme za reakciju, napisanoj uzimajući u obzir izraz za konstantu ravnoteže (16.1) pri aktivnostima kondenziranih tvari jednakim jedinici:

promjena Gibbsove energije je pozitivna, što znači da bi se reakcija trebala odvijati u suprotnom smjeru, ali to je nemoguće jer sustavu u početku nedostaje kalcijev oksid.

S povećanjem temperature raste elastičnost disocijacije (ravnotežni tlak CO2 nad karbonatom) kako slijedi iz izobarne jednadžbe:

budući da je toplinski učinak reakcije veći od nule.

Tek pri temperaturi od oko 520 C reakcija disocijacije će postati termodinamički moguća, ali će ona započeti sa značajnim vremenskim odgodom (period inkubacije) potrebnim za nukleaciju oksidne faze. U početku će se reakcija odvijati u kinetičkom modusu, ali će se zbog autokatalize otpor kinetičke faze prilično brzo smanjiti tako da će reakcija prijeći u toplinski način. Od tog trenutka počinje vrijediti gore navedena termodinamička analiza, a temperatura uzorka će početi zaostajati za temperaturom hipotetskog referentnog uzorka, u kojem ne dolazi do disocijacije (vidi sliku 3).

Razmatrana termodinamička analiza ostat će važeća do trenutka kada elastičnost disocijacije dosegne 1 atm. U tom slučaju ugljični dioksid se kontinuirano oslobađa na površini uzorka pod tlakom od 1 atm. On istiskuje zrak, a novi dijelovi ga zamjenjuju iz uzorka. Tlak ugljičnog dioksida ne može porasti više od jedne atmosfere, budući da plin slobodno izlazi u okolnu atmosferu.

Sustav se iz temelja mijenja, jer u plinskoj fazi oko uzorka nema zraka, a u sustavu je jedna komponenta manje. Broj stupnjeva slobode u takvom sustavu sa = (4 - 1) + 1 - 4 = 0

ispada da je jednaka nuli, a dok se u njemu održava ravnoteža, nikakvi parametri stanja, uključujući temperaturu, ne mogu se promijeniti.

Sada napominjemo da svi zaključci (izračun broja stupnjeva slobode itd.) ostaju valjani ako ne uzmemo u obzir komponentu B3, koja za jedan povećava i broj tvari i broj faza, što je međusobno kompenzirano.

Pojavljuje se temperaturno zaustavljanje kada se sva ulazna toplina potroši samo za proces disocijacije. Sustav radi kao vrlo dobar regulator temperature, kada mala slučajna promjena u njemu dovodi do suprotne promjene brzine disocijacije, čime se temperatura vraća na prethodnu vrijednost. Visoka kvaliteta regulacije objašnjava se činjenicom da je takav sustav praktički inercijalan.

Kako se proces disocijacije razvija, reakcijska fronta se pomiče dublje u uzorak, dok se površina interakcije smanjuje, a debljina čvrstog reakcijskog produkta povećava, što otežava difuziju ugljičnog dioksida s mjesta reakcije na površinu uzorka. Počevši od određenog vremena, toplinski režim procesa prelazi u mješoviti, a zatim u difuzijski. Već u mješovitom načinu rada sustav će postati značajno neravnotežan, a zaključci dobiveni termodinamičkom analizom će izgubiti praktično značenje.

Zbog smanjenja brzine procesa disocijacije, potrebna količina topline će se toliko smanjiti da će se dio dolaznog toplinskog toka ponovno početi trošiti na zagrijavanje sustava. Od ovog trenutka zaustavljanje temperature prestaje, iako će se proces disocijacije i dalje nastaviti do potpunog raspadanja karbonata.

Lako je pogoditi da se za razmatrani najjednostavniji slučaj vrijednost temperature zaustavljanja može naći iz jednadžbe

Termodinamički proračun prema ovoj jednadžbi pomoću TDHT baze podataka daje temperaturu od 883 °C za čisti kalcit, i 834 °C za čisti aragonit.

Sada zakomplicirajmo analizu. Tijekom disocijacije kalcita koji sadrži nečistoće 1. i 2. vrste, kada se aktivnosti karbonata i oksida ne mogu smatrati jednakima jedinici, odgovarajući uvjet postaje složeniji:

Ako pretpostavimo da je sadržaj nečistoća mali i da se dobivene otopine mogu smatrati beskonačno razrijeđenim, onda se posljednja jednadžba može zapisati kao:

gdje - molni udio odgovarajuću nečistoću.

Ako se dobije nagnuti temperaturni jastučić i obje temperature ( T 2 > T 1) iznad granične temperature za čisti kalcijev karbonat - K P (T 1)> 1 i K P (T 2)> 1, onda je razumno pretpostaviti da nečistoće druge vrste nema, ili nemaju vremena za otapanje () i procijeniti koncentraciju nečistoća 1. vrste na početku

a na kraju temperaturnog zaustavljanja

Nečistoća prve vrste trebala bi se u određenoj mjeri nakupljati u otopini CaCO3 - B1 kako se pomiče reakcijska fronta. U ovom slučaju, nagib platforme izražava se omjerom:

gdje je 1 udio komponente B1 koja se vraća u izvornu fazu kada je izolirana u čistom obliku; V S- molarni volumen kalcita; v C- brzina disocijacije karbonata; - toplinski učinak reakcije disocijacije na temperaturi zaustavljanja; r 0 je početni polumjer čestice kalcita.

Koristeći referentne podatke, ova se formula može koristiti za izračun v C- brzina rješenja

komponenta renija B1 u kalcitu.

2.4.2 Shema ugradnje i radni postupak

Rad proučava disocijaciju kalcijevog karbonata i dolomita različitih frakcija.

Eksperimentalna postavka prikazana je na slici 4.

Slika 4 - Instalacijski dijagram za proučavanje termograma disocijacije karbonata:

1 - korundna cijev, 2 - karbonat, 3 - termoelement, 4 - peć,

5 - autotransformator, 6 - osobno računalo s ADC pločom

Korundna cijev (1) s termoelementom (3) i ispitnim uzorkom kalcijevog karbonata (2) ugrađuje se u peć (4) zagrijanu na 1200 K. Na ekranu monitora osobno računalo promatrati termogram uzorka. Nakon prolaska kroz izotermni dio, ponovite pokus s drugom karbonatnom frakcijom. Prilikom ispitivanja dolomita zagrijavanje se provodi dok se ne otkriju dva temperaturna zaustavljanja.

Dobiveni termogrami prikazani su na grafikonu "temperatura - vrijeme". Radi lakše usporedbe, svi termogrami trebaju biti prikazani na jednom grafikonu. Po njemu se utvrđuje temperatura intenzivnog razvoja procesa, te se uspoređuje s onom koja je pronađena iz termodinamičke analize. Izvode se zaključci o utjecaju temperature, prirode karbonata, stupnja njegove disperzije na prirodu termograma.

2.4.3 Obrada i prezentacija rezultata mjerenja

Na temelju rezultata rada potrebno je popuniti sljedeću tablicu:

Tablica 1. Rezultati istraživanja procesa disocijacije kalcijevog karbonata (dolomita)

Prva dva stupca se popunjavaju vrijednostima kada otvorite podatkovnu datoteku, a posljednje treba izračunati. Zaglađivanje se izvodi u pet točaka, numeričko diferenciranje izglađenih podataka vrši se uz dodatno zaglađivanje, također u pet točaka. Na temelju rezultata rada potrebno je izraditi dva odvojena dijagrama ovisnosti: t- i d t/ d - t .

Dobivena vrijednost zaustavljanja temperature ( T s) treba usporediti s karakterističnom vrijednošću za čisti kalcit. Ako je promatrana vrijednost veća, tada je moguće približno procijeniti minimalni sadržaj prve vrste nečistoće prema jednadžbi (16.7), uz pretpostavku da nema nečistoća druge vrste. Uoči li se suprotan odnos, onda možemo zaključiti da nečistoće druge vrste imaju glavni učinak i procijeniti njihov minimalni sadržaj uz uvjet da nema nečistoća prve vrste. Jednadžba (16.6) implicira da u potonjem slučaju

Poželjno je izračunati vrijednost konstante ravnoteže koristeći TDHT bazu podataka prema metodi opisanoj u priručniku. U ekstremnom slučaju, možete koristiti jednadžbu koja aproksimira ovisnost promjene Gibbsove energije u reakciji disocijacije kalcijevog karbonata s temperaturom:

G 0 = B 0 + B jedan · T + B 2 T 2 ,

uzimajući vrijednosti koeficijenata jednakima: B 0 = 177820, J/mol; B 1 = -162,61, J/ (mol K), B 3 = 0,00765, J · mol -1 · K -2.

Bilješka ... Ako u kolegiju "Fizikalna kemija" studenti nisu upoznati s bazom podataka TDHT i nisu izvršili odgovarajuće proračune u praktičnoj nastavi, onda se treba poslužiti Shvartsman-Temkin jednadžbe i podataka iz priručnika.

Redoslijed obrade rezultata

1. Unesite rezultate ručnog bilježenja informacija u datoteku proračunske tablice.

2. Izvršite temperaturno izravnavanje.

3. Izgradite graf temperature u odnosu na vrijeme na zasebnom listu.

4. Izvršite vremensku diferencijaciju temperaturnih vrijednosti uz glačanje u 5 točaka.

5. Konstruirajte na posebnom listu graf ovisnosti derivacije temperature tijekom vremena od temperature, odredite karakteristike mjesta.

Rezultati testa:

1. U knjizi proračunskih tablica koja je poslana na pregled, na prvoj stranici pod naslovom "Rezultati" treba navesti sljedeće informacije:

a. U ćeliji "A1" - vrijednost zaustavljanja temperature (prosjek za nagnutu platformu), u ćeliji "B1" - mjerne jedinice;

b. U ćeliji "A2" - trajanje zaustavljanja temperature, u ćeliji "B2" - mjerne jedinice;

c. U ćeliji "A3" - nagib platforme, u ćeliji "B3" - mjerne jedinice;

d. U ćeliji "A4" - vrsta nečistoće ili "0" ako prisutnost nečistoća nije otkrivena;

e. U ćeliji "A5" - molni udio nečistoće;

f. Počevši od ćelije "A7", zaključci o radu trebaju biti jasno formulirani.

U ćelijama A1, A3 i A5 trebaju biti reference na ćelije na drugim listovima knjige proračunskih tablica na kojima su izvršeni izračuni za dobivanje prikazanog rezultata, a ne same numeričke vrijednosti! Ako ovaj zahtjev nije ispunjen, program za provjeru prikazuje poruku "Pogreška u prezentaciji informacija".

2. Ispravno oblikovani grafikoni ovisnosti temperature i vremena, derivacije temperature u odnosu na vrijeme u odnosu na temperaturu i derivacije temperature u odnosu na vrijeme na zasebnim listovima proračunskih tablica sa svim potrebnim potpisima i oznakama.

3. Vrijednosti procjena zaustavnih temperatura i njihovog trajanja.

4. Zaključci o radu.

Kontrolna pitanja

1. Što određuje temperaturu početka disocijacije karbonata u zraku?

2. Zašto raste elastičnost disocijacije karbonita s porastom temperature?

3. Koliki je broj stupnjeva slobode sustava u kojem je uspostavljena ravnoteža između tvari CaO, CO 2, CaCO 3?

4. Kako će se promijeniti priroda termograma ako produkt disocijacije tvori čvrste otopine s izvornom tvari?

5. Koji režim heterogene reakcije disocijacije karbonata odgovara izotermnom presjeku termograma?

6. Kako će se promijeniti izgled termograma tijekom disocijacije polidisperznog karbonata?

7. Koja je razlika između termograma dobivenih pri ukupnom tlaku od 101,3 kPa i 50 kPa?

2.5 Studija temperaturne ovisnosti viskoznosti oksidnih talina (Rad br. 17)

2.5.1 Priroda viskoznog otpora oksidnih talina

Viskoznost je jedna od najvažnijih fizikalno-kemijskih karakteristika taline troske. Ima značajan utjecaj na difuzijsku pokretljivost iona, a time i na kinetiku interakcije metala i troske, brzinu procesa prijenosa topline i mase u metalurškim jedinicama. Proučavanje temperaturne ovisnosti viskoznosti daje neizravne informacije o strukturnim transformacijama u talinama oksida, promjenama parametara kompleksnih aniona. Sastav, a time i vrijednost viskoznosti, ovisi o namjeni troske. Tako, na primjer, kako bi se intenzivirali difuzijski stupnjevi redoks interakcije metala i troske (desulfurizacija, defosforizacija itd.), sastav troske je odabran tako da je njezina viskoznost niska. Naprotiv, kako bi se spriječio prijenos vodika ili dušika u čelik kroz trosku, iz plinske faze se uvodi troska povećane viskoznosti.

Jedna od kvantitativnih karakteristika viskoznosti može biti koeficijent dinamičke viskoznosti (η), koji je definiran kao koeficijent proporcionalnosti u Newtonovom zakonu unutarnjeg trenja

gdje F Je sila unutarnjeg trenja između dva susjedna sloja tekućine, grad υ – gradijent brzine, S- površina dodirne površine slojeva. Mjerna jedinica dinamičke viskoznosti u SI: [η] = N · s / m 2 = Pa · s.

Poznato je da je strujanje tekućine niz skokova čestica u susjedni stabilan položaj. Proces ima aktivacijski karakter. Da bi došlo do skakanja, čestica mora imati dovoljnu količinu energije u usporedbi sa svojom prosječnom vrijednošću. Višak energije potreban je za prekid kemijskih veza čestice koja se kreće i stvaranje praznine (šupljine) u volumenu taline u koju ona prelazi. S porastom temperature raste prosječna energija čestica i veći broj njih može sudjelovati u strujanju, što dovodi do smanjenja viskoznosti. Broj takvih "aktivnih" čestica raste s temperaturom prema eksponencijalnom Boltzmannovom zakonu raspodjele. Sukladno tome, ovisnost koeficijenta viskoznosti o temperaturi ima eksponencijalni oblik

gdje je η 0 koeficijent koji malo ovisi o temperaturi, Eη je energija aktivacije viskoznog strujanja. Karakterizira minimalnu zalihu kinetičke energije mola aktivnih čestica sposobnih sudjelovati u protoku.

Struktura oksidnih talina ima značajan utjecaj na koeficijent viskoznosti. Za razliku od gibanja iona pod djelovanjem električnog polja, u viskoznom strujanju sve se čestice tekućine gibaju u smjeru gibanja uzastopno. Najinhibiranija faza je kretanje velikih čestica koje daju najveći doprinos vrijednosti η. Kao rezultat, ispada da je energija aktivacije viskoznog strujanja veća od one za električnu vodljivost ( E η > E).

U kiselim troskama koje sadrže okside Si, P, B, koncentracija velikih kompleksnih aniona u obliku lanaca, prstenova, tetraedara i drugih prostornih struktura (npr.

itd.). Prisutnost velikih čestica povećava viskoznost taline, jer njihovo premještanje zahtijeva više energije od malih.

Dodatak bazičnih oksida (CaO, MgO, MnO) dovodi do povećanja koncentracije jednostavnih kationa (Ca 2+, Mg 2+, Mn 2+) u talini. Uvedeni anioni O 2– potiču depolimerizaciju taline; razgradnja kompleksnih aniona, npr.

Kao rezultat toga, viskoznost troske se smanjuje.

Ovisno o temperaturi i sastavu, viskoznost metalurške troske može varirati u prilično širokom rasponu (0,01 - 1 Pa · s). Ove su vrijednosti za redove veličine veće od viskoznosti tekućih metala, što je posljedica prisutnosti relativno velikih jedinica protoka u troske.

Smanjena eksponencijalna ovisnost η na T(17.2) dobro opisuje eksperimentalne podatke za osnovne troske koje sadrže manje od 35 mol. % SiO 2. U takvim talinama energija aktivacije viskoznog strujanja Eη je konstantan i mali (45 - 80 kJ / mol). Kako temperatura pada, η se neznatno mijenja i počinje intenzivno rasti tek tijekom skrućivanja.

U kiselim troskama s visokom koncentracijom komponenata za kompleksiranje, energija aktivacije može se smanjiti s povećanjem temperature: E η = E 0 / T, što je uzrokovano smanjenjem složenih aniona pri zagrijavanju. U ovom slučaju, eksperimentalni podaci su linearizirani u koordinatama « lnη - 1 / T 2 ".

2.5.2 Opis instalacije i metode mjerenja viskoznosti

Za mjerenje indeksa viskoznosti koristi se rotacijski viskozimetar (slika 5). Uređaj i princip rada ovog uređaja je sljedeći. Ispitna tekućina (2) stavlja se u cilindrični lončić (1), u koji je uronjeno vreteno (4), obješeno na elastičnu vrpcu (5). Tijekom pokusa, moment s elektromotora (9) se prenosi na disk (7), s njega preko strune na vreteno.

Viskoznost taline oksida ocjenjuje se po kutu zavoja strune, koji se određuje skalom (8). Kada se vreteno okreće, viskozni otpor tekućine stvara kočni moment sila koje uvijaju strunu sve dok trenutak elastične deformacije strune ne postane jednak momentu sila viskoznog otpora. U tom će slučaju brzine vrtnje diska i vretena biti iste. U skladu s tim stanjem, kut zavoja strune (∆φ) može se izmjeriti uspoređivanjem položaja strelice (10) u odnosu na ljestvicu: početni - prije uključivanja elektromotora i stabilan - nakon uključivanja. Očito je da je kut zavoja strune ∆φ veći što je viskoznost tekućine η veća. Ako deformacije strune ne prelaze granične (što odgovara izvedivosti Hookeovog zakona), tada je vrijednost ∆φ proporcionalna η i možemo napisati:

Koeficijent jednadžbe k, nazvana konstanta viskozimetra, ovisi o dimenzijama lončića i vretena, kao i o elastičnim svojstvima strune. Sa smanjenjem promjera strune povećava se osjetljivost viskozimetra.

Slika 5 - Shema instalacije za mjerenje viskoznosti:

1 - lončić, 2 - ispitana talina, 3 - glava vretena,

4 - vreteno, 5 - struna, 6 - gornji dio instalacije, 7 - disk,

8 - vaga, 9 - elektromotor, 10 - strelica, 11 - pećnica, 12 - transformator,

13 - uređaj za kontrolu temperature, 14 - termoelement.

Odrediti konstantu viskozimetra k u lončić se stavlja tekućina poznate viskoznosti – otopina kolofonija u transformatorskom ulju. U tom slučaju u eksperimentu na sobnoj temperaturi određuje se ∆φ0. Zatim, znajući viskozitet (η0) referentne tekućine na danoj temperaturi, izračunajte k prema formuli:

Pronađena vrijednost k koristi se za izračunavanje koeficijenta viskoznosti oksidne taline.

2.5.3 Postupak rada

Za upoznavanje viskoznih svojstava metalurške troske u ovom laboratorijskom radu proučava se talina Na 2 O 2B 2 O 3. Mjerenja se provode u temperaturnom rasponu od 850–750 o C. Nakon postizanja početne temperature (850 o C), igla viskozimetra se postavlja na nulu. Zatim uključuju elektromotor i fiksiraju stacionarni kut uvijanja strune ∆φ t . Bez isključivanja viskozimetra, ponovite mjerenje ∆φ t na drugim temperaturama. Eksperiment se prekida kada kut zavoja strune počne prelaziti 720°.

2.5.4 Obrada i prezentacija rezultata mjerenja

Prema rezultatima mjerenja ispunite sljedeću tablicu.

Tablica 1. Temperaturna ovisnost viskoznosti

U tablici su prva dva stupca ispunjena prema rezultatima ručnog snimanja očitanja temperature na zaslonu monitora i kuta uvijanja niti na skali viskozimetra. Ostali stupci se izračunavaju.

Da bi se provjerila izvedivost eksponencijalnog zakona promjene koeficijenta viskoznosti s temperaturom (17.2), crta se graf u koordinatama "Ln (η) - 10 3 / T". Energija aktivacije nalazi se pomoću funkcije LINEST () (OpenOffice.Calc) ili LINEST () (MicrosoftOffice.Exel) primjenom na peti i šesti stupac tablice.

U zaključcima se uspoređuju dobiveni podaci η i E η s onima poznatim za metalurške troske, te se raspravlja o prirodi temperaturne ovisnosti viskoznosti i njezinoj povezanosti sa strukturnim promjenama u talini.

Redoslijed obrade rezultata

1. Izvršite mjerenja na kalibracijskoj ćeliji i izračunajte konstantu podešavanja

2. Unesite rezultate ručnog bilježenja informacija u datoteku proračunske tablice.

3. Izračunajte vrijednosti viskoziteta.

4. Konstruirajte graf viskoznosti u odnosu na temperaturu na zasebnom listu.

5. Izračunajte log viskozitet i recipročnu apsolutnu temperaturu za cijeli skup mjerenja.

6. Nađite koeficijente metodom najmanjih kvadrata b 0 , b 1 jednadžbe koja aproksimira ovisnost logaritma viskoznosti o recipročnoj temperaturi, te izračunati energiju aktivacije.

7. Konstruirajte graf ovisnosti logaritma viskoznosti o recipročnoj temperaturi na zasebnom listu i dajte aproksimirajuću ovisnost Rezultati testa:

1. U knjizi proračunskih tablica koja je poslana na pregled, na prvoj stranici pod naslovom "Rezultati" treba navesti sljedeće informacije:

a. U ćeliji "A1" - početna temperatura, u ćeliji "B1" - mjerne jedinice;

b. U ćeliji "A2" - konačna temperatura, u ćeliji "B2" - mjerne jedinice;

c. U ćeliji "A3" - energija aktivacije viskoznog toka pri niskim temperaturama, u ćeliji "B3" - mjerne jedinice;

d. U ćeliji "A4" - predeksponencijalni faktor u formuli za temperaturnu ovisnost električne vodljivosti pri niskim temperaturama, u ćeliji "B4" - mjerne jedinice;

e. U ćeliji "A5" - energija aktivacije viskoznog toka pri visokim temperaturama, u ćeliji "B5" - mjerne jedinice;

f. U ćeliji "A6" - predeksponencijalni faktor u formuli za temperaturnu ovisnost električne vodljivosti pri visokim temperaturama, u ćeliji "B6" - mjerne jedinice;

g. Počevši od ćelije "A7", zaključci o radu trebaju biti jasno formulirani.

U ćelijama A1-A6 trebaju biti reference na ćelije na drugim listovima knjige proračunskih tablica na kojima su izvršeni izračuni da bi se dobio prikazani rezultat, a ne same numeričke vrijednosti! Ako ovaj zahtjev nije ispunjen, program za provjeru prikazuje poruku "Pogreška u prezentaciji informacija".

2. Ispravno oblikovani grafovi viskoznosti u odnosu na temperaturu i logaritam viskoznosti prema recipročnoj temperaturi, dobiveni iz eksperimentalnih podataka (točke) i aproksimirani polinomom (crtom), na zasebnim listovima proračunskih tablica sa svim potrebnim oznakama. Kontrolna pitanja

1. U kojem su obliku komponente oksidne taline, koje se sastoje od CaO, Na 2 O, SiO 2, B 2 O 3, Al 2 O 3?

2. Što se zove koeficijent viskoznosti?

3. Kako će se promijeniti temperaturna ovisnost viskoznosti troske pri dodavanju bazičnih oksida u nju?

4. U kojim jedinicama se mjeri viskoznost?

5. Kako se određuje konstanta viskozimetra?

6. Što određuje energiju aktivacije viskoznog strujanja?

7. Koji je razlog pada viskoznosti s porastom temperature?

8. Kako se izračunava energija aktivacije viskoznog strujanja?

2.6 Redukcija mangana iz taline oksida u čelik

(Djelo br. 18)

2.6.1 Opći zakoni elektrokemijske interakcije metala i troske

Procesi interakcije tekućeg metala s rastaljenom troskom od velike su tehničke važnosti i odvijaju se u mnogim metalurškim postrojenjima. Produktivnost ovih jedinica, kao i kvaliteta gotovog metala, uvelike je određena brzinom i potpunošću prijelaza određenih elemenata preko granice faze.

Istodobna pojava značajnog broja fizikalnih i kemijskih procesa u različitim fazama, visoke temperature, prisutnost hidrodinamičkih i toplinskih tokova otežavaju eksperimentalno proučavanje procesa međudjelovanja faza u industrijskim i laboratorijskim uvjetima. Takvi složeni sustavi istražuju se pomoću modela koji odražavaju pojedinačne, ali najznačajnije aspekte predmeta koji se razmatra. U ovom radu matematički model procesa koji se odvijaju na granici metal - troska omogućuje analizu promjene volumnih koncentracija komponenti i brzine njihovog prijelaza kroz graničnu površinu u funkciji vremena.

Redukcija mangana iz taline oksida događa se elektrokemijskom polureakcijom:

(Mn 2+) + 2e =

Popratni procesi moraju biti oksidacijski procesi. Očito, ovo bi mogao biti proces oksidacije željeza.

= (Fe2 +) + 2e

ili nečistoće u sastavu čelika, kao što je silicij. Budući da četveronabijeni silicijevi ion ne može biti u troski, ovaj proces je popraćen stvaranjem silicij-kisik tetraedra u skladu s elektrokemijskom polureakcijom:

4 (O 2-) = (SiO 4 4-) + 4e

Neovisan tok samo jedne od zadanih elektrodnih polureakcija je nemoguć, jer to dovodi do nakupljanja naboja u električnom dvostrukom sloju na sučelju, što sprječava prijelaz tvari.

Ravnotežno stanje za svaki od njih karakterizira ravnotežni elektrodni potencijal ()

gdje je standardni potencijal, su aktivnosti oksidiranog i reduciranog oblika tvari, z- broj elektrona koji sudjeluju u elektrodnom procesu, R- univerzalna plinska konstanta, F- Faradayeva konstanta, T- temperatura.

Redukcija mangana iz troske u metal ostvaruje se kao rezultat zajedničkog nastupa najmanje dvije elektrodne polureakcije. Njihove su brzine postavljene tako da nema nakupljanja naboja na sučelju. U ovom slučaju, potencijal metala poprima stacionarnu vrijednost, pri kojoj su brzine stvaranja i asimilacije elektrona iste. Razlika između stvarnog, t.j. stacionarni, potencijal i njegova ravnotežna vrijednost, naziva se polarizacija (prenapon) elektrode,. Polarizacija karakterizira stupanj do kojeg je sustav uklonjen iz ravnoteže i određuje brzinu prijelaza komponenti preko granice faze u skladu sa zakonima elektrokemijske kinetike.

Sa stajališta klasične termodinamike u sustavu u jednom ili drugom smjeru odvijaju se procesi redukcije mangana iz troske silicijem otopljenim u željezu:

2 (MnO) + = 2 + (SiO 2) H = -590 kJ/mol

i samo otapalo (oksidacija mangana sa željeznim oksidom u troski

(MnO) + = + (FeO) =. H = 128 kJ/mol

Sa stajališta formalne kinetike, brzina prve reakcije, određena, na primjer, promjenom sadržaja silicija u metalu daleko od ravnoteže u kinetičkom režimu, trebala bi ovisiti o umnošku koncentracija manganovog oksida u troske i silicija u metalu u određenim stupnjevima. U difuzijskom načinu, brzina reakcije trebala bi linearno ovisiti o koncentraciji komponente čija je difuzija otežana. Slično se može zaključiti i za drugu reakciju.

Konstanta ravnoteže reakcije, izražena kroz aktivnosti

je funkcija samo temperature.

Omjer ravnotežnih koncentracija mangana u troski i metalu

naziva se koeficijent raspodjele mangana, koji, nasuprot tome, ovisi o sastavu faza i služi kao kvantitativna karakteristika raspodjele ovog elementa između troske i metala.

2.6.2 Model procesa

U simulacijskom modelu razmatraju se tri elektrodne polureakcije koje se mogu dogoditi između taline oksida CaO - MnO - FeO - SiO 2 - Al 2 O 3 i tekućeg željeza koje sadrži Mn i Si kao nečistoće. Napravljena je pretpostavka o difuzijskom režimu njihova strujanja. Uzima se u obzir inhibicija difuzije Fe 2+ čestica u trosku, silicija u metalu, mangana u obje faze. Opći sustav jednadžbi koji opisuju model ima oblik

gdje υ ј - brzina polureakcije elektrode, η j- polarizacija, i J- gustoća granične difuzijske struje, D j- koeficijent difuzije, β - konvektivna konstanta, C j- koncentracija.

Program simulacijskog modela omogućuje rješavanje sustava jednadžbi (18.4) - (18.8), koji omogućuje da se utvrdi kako se volumna koncentracija komponenti i brzina njihovog prijelaza mijenja s vremenom kada metal stupi u interakciju s troskom. Prikazuju se rezultati izračuna. Informacije primljene sa zaslona monitora uključuju grafički prikaz promjena koncentracija glavnih komponenti, njihovih trenutnih vrijednosti, kao i vrijednosti konstanti temperature i konvekcije (slika 8).

Blok dijagram programa za simulacijski model interakcije metala i troske prikazan je na slici 7. Program radi u ciklusu koji se zaustavlja tek nakon navedenog vremena simulacije (cca 10 minuta).

Slika 7 - Blok dijagram programa simulacijskog modela

2.6.3 Postupak rada

Slika generirana simulacijskim programom prikazana je na slici 8 (desna ploča). U gornjem dijelu panela prikazane su odabrane numeričke vrijednosti izmjerenih vrijednosti, na grafikonu su prikazane sve vrijednosti dobivene tijekom simulacije procesa. U oznakama komponenti taline metala i troske koriste se dodatni znakovi usvojeni u literaturi o metalurškim temama. Četvrtaste zagrade označavaju pripadnost komponente metalnoj talini, a okrugle zagrade - troski. Simboli komponenti koriste se samo za crtanje i ne smiju se uzimati u obzir pri tumačenju vrijednosti. Tijekom rada modela, u svakom trenutku, prikazuje se samo vrijednost jedne od izmjerenih vrijednosti. Nakon 6 sekundi nestaje i pojavljuje se sljedeća vrijednost. Tijekom tog vremenskog razdoblja potrebno je imati vremena za zapisivanje sljedeće vrijednosti. Da biste uštedjeli vrijeme, preporuča se ne pisati fiksne brojeve, na primjer, vodeću jedinicu u vrijednosti temperature.

Slika 8. Slika ekrana monitora pri izvođenju posla br. 18 u različitim fazama procesa.

Četiri do pet minuta nakon početka instalacije u trosku dodajte zagrijani manganov oksid, što se ostvaruje istovremenim pritiskom tipke Alt i numeričke tipke na glavnoj tipkovnici s brojem vaše instalacije. Redoslijed obrade rezultata:

1. Unesite rezultate ručnog bilježenja informacija u datoteku proračunske tablice.

2. Izračunajte brzine procesa prijelaza elemenata kroz sučelje i logaritme tih vrijednosti prije i nakon dodavanja manganovog oksida u trosku s masom taline metala 1400 kg.

3. Konstruirajte na zasebnim listovima grafikone ovisnosti temperature u odnosu na vrijeme, brzine prijelaza mangana u odnosu na vrijeme, logaritma brzine prijelaza silicija naspram logaritma koncentracije silicija u metalu.

4. Metodom najmanjih kvadrata procijenite kinetičke karakteristike procesa prijelaza silicija.

Rezultati testa:

1. Ispravno oblikovane karte, navedene u prethodnom odjeljku, na posebnom listu proračunskih tablica sa svim potrebnim potpisima i oznakama.

2. Vrijednosti redoslijeda reakcije oksidacije silicija prije i nakon uvođenja manganovog oksida s naznakom grešaka.

3. Zaključci o radu.

Kontrolna pitanja

1. Zašto postoji potreba za modeliranjem procesa proizvodnje čelika?

2. Kakva je priroda interakcije metala sa troskom i kako se ona očituje?

3. Koji se potencijal naziva stacionarnim?

4. Koji se potencijal naziva ravnotežnim?

5. Što se naziva polarizacija elektroda (prenapon)?

6. Kako se naziva koeficijent raspodjele mangana između metala i troske?

7. Što određuje konstantu raspodjele mangana između metala i troske?

8. Koji čimbenici utječu na brzinu prijelaza mangana iz metala u trosku u difuzijskom načinu rada?

Bibliografija

1. Linchevsky, B.V. Tehnika metalurškog eksperimenta [Tekst] / B.V. Linchevsky. - M .: Metalurgija, 1992 .-- 240 str.

2. Arsentiev, P.P. Fizikalno-kemijske metode istraživanja metalurških procesa [Tekst]: udžbenik za sveučilišta / P.P. Arsentijev, V.V. Yakovlev, M.G. Krašeninnikov, L.A. Pronin i drugi - M .: Metalurgija, 1988 .-- 511 str.

3. Popel, S.I. Interakcija rastaljenog metala s plinom i troskom [Tekst]: studijski vodič / S.I. Popel, Yu.P. Nikitin, L.A. Barmin i drugi - Sverdlovsk: ur. UPI im. CM. Kirov, 1975, - 184 str.

4. Popel, S.I. Teorija metalurških procesa [Tekst]: udžbenik / S.I. Popel, A.I. Sotnikov, V.N. Boronenkov. - M .: Metalurgija, 1986 .-- 463 str.

5. Lepinskikh, B.M. Transportna svojstva taline metala i troske [Tekst]: Priručnik / B.M. Lepinskikh, A.A. Belousov / Pod. izd. Vatolina N.A. - M .: Metalurgija, 1995 .-- 649 str.

6. Belay, G.E. Organizacija metalurškog eksperimenta [Tekst]: udžbenik / G.E. Belay, V.V. Dembovski, O.V. Sotsenko. - M .: Kemija, 1982 .-- 228 str.

7. Panfilov, A.M. Proračun termodinamičkih svojstava pri visokim temperaturama [Elektronski izvor]: nastavno pomagalo za studente metalurških i fizičko-tehničkih fakulteta svih oblika obrazovanja / A.M. Panfilov, N.S. Semenova - Jekaterinburg: USTU-UPI, 2009.-- 33 str.

8. Panfilov, A.M. Termodinamički izračuni u Excel proračunskim tablicama [Elektronski izvor]: smjernice za studente metalurških i fizičko-tehničkih fakulteta svih oblika obrazovanja / A.M. Panfilov, N.S. Semenova - Jekaterinburg: USTUUPI, 2009.-- 31 str.

9. Kratki priručnik fizikalnih i kemijskih veličina / Pod. izd. A.A. Ravdel i A.M. Ponomarjov. L.: Kemija, 1983 .-- 232 str.

E.A. Kazachkov Proračuni iz teorije metalurških procesa (Dokument)

Goldstein N.L. Kratki tečaj Teorija metalurških procesa (Dokument)

Dildin A.N., Sokolova E.V. Teorija metalurških procesa (dokument)

V.A.Krivandin Filimonov Yu.P. Teorija projektiranja i proračuni metalurških peći, svezak 1 (Dokument)

Dudnikov I.A. Osnove teorije metalurških procesa (dokument)

Šaroglazov B.A., Farafontov M.F., Klementjev V.V. ICE: teorija, modeliranje i izračun tijekova rada (dokument)

Lukanin V.N., Morozov K. Α., Khachiyan A.S. i dr. Teorija tijeka rada (dokument)

Glinkov G.M., Makovski V.A. Sustav upravljanja procesima u crnoj metalurgiji (Dokument)

Gikhman I.I., Skorokhod A.V. Uvod u teoriju slučajnih procesa (dokument)

Konovalov A.V., Nerovny V.M., Kurkin A.S., Teorija procesa zavarivanja. Sveučilišni udžbenik (dokument)

n1.doc

FGOU VPO

SIBIRSKO FEDERALNO SVEUČILIŠTE

INSTITUT ZA OBOJENE METALE

I MATERIJALNA ZNANOST

TEORIJA METALURŠKIH PROCESA

PREDAVANJA ZA STUDENTE SPECIJALNOSTI

INŽENJER-FIZIČAR

KRASNOYARSK 2008

UDK 669.541

BBK 24.5

Recenzent
Odobren kao vodič za učenje
I.I.Kopach
C 55 Teorija metalurških procesa: Udžbenik. Priručnik za specijalnost "Inženjer-fizičar" / SFU. Krasnojarsk, 2008.-- 46 str.

ISBN 5-8150-0043-4
U priručniku se iznose teorijske odredbe o glavnim procesima metalurške proizvodnje, kao što su: disocijacija, redoks procesi, kemijski i fizikalni načini rafiniranja, metalurške proizvodne troske i sulfidna metalurgija.
Sibirsko federalno sveučilište, 2008

UVOD

1. 
   DISOCIJACIJA KEMIJSKIH SPOJEVA
2. 
   SASTAV I SVOJSTVA PLINSKE FAZE NA VISOKIM TEMPERATURAMA.
3. 
   OKSIDACIONO-REDUKCIJSKI PROCESI.
   1. 
      Redukcija vodika
   2. 
      Redukcija čvrstim ugljikom
   3. 
      Oporavak s CO plinom
   4. 
      Oporaba metala

4. RAfiniranje metala

4.1. Pirometalurške metode rafiniranja

4.2. Fizičke metode rafiniranja

1. 
   Podržavanje
2. 
   Kristalizacija
3. 
   Vakuumsko rafiniranje

5. OBRADA SUlfIDNIH MATERIJALA.

1. 
   Separacijsko topljenje.
2. 
   Pretvaranje matira.

6. METALURŠKE TROSTE.

1. 
   Struktura taline troske

U E D E N I E

Teorija metalurških procesa je fizikalna kemija koja opisuje ponašanje kemijski reagirajućih sustava na visokim temperaturama, u rasponu od 800 do 2500 K i više.

Ubrzani napredak čovječanstva započeo je nakon što su ljudi naučili koristiti metale. Razina razvoja zemlje i danas uvelike je određena razinom razvoja metalurške, kemijske i rudarske industrije. Trenutačno su putevi ekstenzivnog razvoja praktički iscrpljeni i pitanje intenzivnog razvoja svih grana proizvodnje, pa tako i metalurgije, izbilo je u prvi plan. Posljednjih deset godina obilježili su kvalitativno novi pristupi svima proizvodnih procesa, to:

1. 
   ušteda energije i resursa,
2. 
   dubinska prerada sirovina i industrijskog otpada,
3. 
   korištenje najnovijih znanstvenih dostignuća u proizvodnji,
4. 
   korištenje mikro- i nanotehnologije,
5. 
   automatizacija i informatizacija proizvodnih procesa,
6. 
   minimiziranje štetnih učinaka na okoliš.

Navedeni (i mnogi drugi) zahtjevi postavljaju visoke zahtjeve za razinu temeljne i posebne izobrazbe suvremenog inženjera.

Predloženi udžbenik iz teorije metalurških procesa pokušaj je da se disciplina prikaže na prvoj, najnižoj razini složenosti, t.j. bez matematičkih dokaza, uz minimalno opravdanje početnih pozicija i analizu rezultata. Priručnik se sastoji od 6 poglavlja, koja pokrivaju gotovo cijeli proces dobivanja metala iz ruda i koncentrata.

Najprije se prisjetimo visokopećnog procesa taljenja sirovog željeza iz željezne rude ili koncentrata željezne rude poznatog iz školskog tečaja kemije. U visokoj peći postoje tri faze:

1. 
   plinovita faza, koja se sastoji od plinova CO, CO2, metalnih i oksidnih para,
2. 
   faza troske koja se sastoji od rastaljenih oksida CaO, SiO 2, Al 2 O 3, FeO, MnO itd.
3. 
   metalna faza koja se sastoji od tekućeg željeza i nečistoća otopljenih u njemu, kao što su ugljik, mangan, silicij, fosfor, sumpor itd.

Sve tri faze međusobno djeluju kemijski i fizički. Željezov oksid se reducira u fazi troske i prelazi u metalnu fazu. Kisik otopljen u fazi troske prelazi u metalnu fazu i u njoj oksidira nečistoće. Kapljice oksida plutaju u metalnoj fazi, a kapi metala talože se u fazi troske. Prijelaz komponenti iz jedne faze u drugu povezan je s njihovim prijenosom preko granica faza, stoga inženjer  metalurg radi s višekomponentnim, heterogenim, kemijski reaktivnim sustavima.

Trenutno metalurgija prima oko 70 metala, koji se obično dijele na obojene i željezne. Potonji uključuju samo 4 metala: željezo, mangan, vanadij i krom. Skupina obojenih metala je brojnija, pa se dijeli na sljedeće podskupine.

1. 
   Teški: bakar, olovo, cink, nikal, kositar, živa, ukupno 18 elemenata.
2. 
   Laki metali: aluminij, magnezij, titan, silicij, alkalni i zemnoalkalni metali, ukupno 12 elemenata.
3. 
   Plemeniti: zlato, srebro, platina itd., Postoji samo 8 elemenata, ime su dobili zbog nedostatka afiniteta za kisik, stoga su u prirodi u slobodnom (neoksidiranom) stanju.
4. 
   Rijetki metali: vatrostalni - 5 elemenata, rijetke zemlje - 16 elemenata i radioaktivni - 16 elemenata.

Prema načinu proizvodnje, postupci za dobivanje metala dijele se u tri skupine:

pirometalurški,

hidrometalurški i

elektrometalurškim procesima.

Prvi od njih nastaju na temperaturama reda 1000 - 2500 K, dok su komponente u rastaljenom i otopljenom stanju.

Potonji se javljaju u vodenim, rjeđe organskim, otapalima, na temperaturama od 300-600 K. Mnogi hidrometalurški procesi se događaju i pri povišenim tlakovima, t.j. u autoklavima.

Elektrometalurški procesi odvijaju se na elektrodama i u vodenim otopinama i u rastaljenoj soli pri različitim temperaturama. Na primjer, elektroliza glinice u taljevini kriolit-aluminij teče pri 1230 K, a elektroliza platine iz vodenog elektrolita - pri 330 K.

Sirovine za proizvodnju mnogih metala su prije svega oksidirane rude iz kojih se dobivaju aluminij, željezo, krom, mangan, titan, dijelom bakar, nikal, olovo. Metali kao što su bakar, olovo, nikal, kobalt i plemeniti metali dobivaju se iz manje uobičajenih sulfidnih ruda. Magnezij, kalcij i alkalni metali dobivaju se iz kloridnih ruda (iz voda mora i jezera).

Metalurška proizvodnja štetno djeluje na okoliš i to:

1. 
   emisije reakcijskih plinova kao što su CO, SO 2, SO 3, Cl, CS 2 i mnogi drugi plinovi,
2. 
   mahovina i čestice tekućine različitih veličina i sastava,
3. 
   ispuštanje velikih količina industrijskih voda koje onečišćuju vodna tijela, uključujući opskrbu pitkom vodom.
4. 
   veliko ispuštanje viška energije male vrijednosti koja se može koristiti za grijanje staklenika i sl.

Ovi čimbenici imaju negativan utjecaj. Prije svega, za radnike poduzeća, kao i za obližnje gradove i mjesta. Stoga je jedan od najvažnijih zadataka inženjera organizirati i planirati proizvodnju na način da se štetni utjecaji na okoliš svedu na najmanju moguću mjeru. Ekološki problemi treba biti na prvom mjestu ne samo u društvenoj proizvodnji, već iu osobnom samoograničavanju svake osobe, u obliku potpunog ili djelomičnog odbijanja osobnog prijevoza, prekomjerne potrošnje energetskih resursa itd.

Gruba procjena pokazuje da osoba putuje na posao javni prijevoz, troši otprilike red veličine manje goriva i kisika, u usporedbi s ljubiteljima udobnosti koji putuju sami u automobilu s zapreminom motora od nekoliko litara. Budućnost čovječanstva, kao misleće zajednice, je na putu svjesnog samoograničavanja u sferi potrošnje dobara, usluga i, u konačnici, energetskih resursa.

Federalna agencija za obrazovanje

GOU VPO "Ural State Technical University - UPI"

prijepodne Panfilov

Obrazovno elektroničko tekstualno izdanje

Priredio Zavod za teoriju metalurških procesa

Znanstvena urednica: prof., doc. kem. M.A. Spiridonov

Metodičke upute za izvođenje laboratorijskih radova iz disciplina "Fizikokemija metalurških sustava i procesa", "Teorija metalurških procesa" za studente svih oblika izobrazbe metalurških specijalnosti.

Pravila organizacije rada u radionici "Teorija metalurških procesa" Zavoda za TMP (specijalizirana publika

MT-431 nazvan po O.A. Esina). Opisuje se metodologija i postupak izvođenja laboratorijskih radova, daju se zahtjevi za sadržaj i izradu izvješća o laboratorijskom radu u skladu s važećim GOST-om i preporuke za njihovu provedbu.

© GOU VPO USTU-UPI, 2008

Jekaterinburg

Uvod ................................................. ................................................................ ................................................................ 4

1 Organizacija rada u laboratorijskoj radionici iz teorije metalurških procesa ............. 4

1.1 Priprema za laboratorijski rad ................................................... ................................................................ .. 5 1.2 Preporuke za obradu rezultata mjerenja i izradu izvješća ................................ 5

1.3.1 Konstrukcija grafikona ........................................................ ................................................................. ................... 5

1.3.2 Izglađivanje eksperimentalnih podataka ........................................ ................................... 7

1.3.5 Numerička diferencijacija funkcije zadane skupom diskretnih točaka ................ 8

aproksimacija nekog skupa podataka ........................................................ .................................... 9

1.3.7 Predstavljanje rezultata ................................................ ................................................................. ........ 10

2 Opis laboratorijskog rada ................................................. ................................................................. .............jedanaest

2.1 Proučavanje kinetike visokotemperaturne oksidacije željeza (Rad br. 13) ......................... 12

2.1.1 Opće zakonitosti oksidacije željeza ........................................ ................................................. 12 2.1.2 Opis instalacije i postupak za provođenje eksperimenata ................................................... ..... 14

2.1.3 Obrada i prezentacija rezultata mjerenja ........................................ ................... 15

Kontrolna pitanja ................................................................ ................................................................ ........................ 17

2.2. Proučavanje temperaturne ovisnosti električne vodljivosti oksidnih talina

(Rad br. 14) ................................................ ................................................................. ............................................... devetnaest

2.2.1 Opći podaci o prirodi električne vodljivosti troske ................................... 19

2.2.2 Opis postupka ugradnje i mjerenja ........................................ .. ................................ 21

2.2.3 Redoslijed obavljanja posla ........................................ ................................................... ..... 23

2.2.4 Obrada i prezentacija rezultata mjerenja ........................................ ................... 24

Kontrolna pitanja ................................................................ ................................................................ ........................ 25

2.3 Proučavanje kinetike odsumporavanja metala troskom na simulacijskom modelu (Rad br.

15) ............................................................................................................................................................ 26

2.3.1 Opći podaci o kinetici odsumporavanja metala troskom ................................... ..... 26

2.3.2 Matematički model procesa ................................................... .................................................... 29

2.3.3 Redoslijed rada ................................................. ................................................................. ........... trideset

2.3.4 Obrada i prezentacija rezultata mjerenja ........................................ ................... 31

Kontrolna pitanja ................................................................ ................................................................ ........................ 32

2.4 Termografska studija procesa disocijacije prirodnih karbonata (Rad br. 16) 33

2.4.1 Opće zakonitosti disocijacije karbonata ........................................ ........................ 33

2.4.2 Instalacijski dijagram i radni postupak ......................................... ........................ 39

2.4.3 Obrada i prezentacija rezultata mjerenja ........................................ ................... 39

Kontrolna pitanja ................................................................ ................................................................ ........................ 41

2.5 Studija temperaturne ovisnosti viskoznosti oksidnih talina (Rad br. 17) ............. 42

2.5.1 Priroda viskoznog otpora oksidnih talina ........................................ ................... 42

2.5.2 Opis instalacije i postupak mjerenja viskoznosti ................................ ......................... 43

2.5.3 Redoslijed rada ................................................. ................................................................. ........... 45

2.5.4 Obrada i prezentacija rezultata mjerenja ........................................ .................... 45 Testna pitanja ................................ ................................................................. .................................................... 46

2.6 Redukcija mangana iz taline oksida u čelik (Rad br. 18)

2.6.1 Opće zakonitosti elektrokemijskog međudjelovanja metala i troske ................... 47

2.6.2 Model procesa ................................................. ................................................................ ........................ 49

2.6.3 Redoslijed rada ................................................. ................................................................. ........... 50

Kontrolna pitanja ................................................................ ................................................................ ........................ 52 Literatura ................................. ................................................. ................................................. .... 53

STP USTU-UPI 1-96	Enterprise standard. Opći zahtjevi i pravila za izradu diplomskih i predmetnih projekata (radova).
GOST R 1.5-2002	GSS. Standardi. Opći zahtjevi za konstrukciju, prezentaciju, dizajn, sadržaj i označavanje.
GOST 2.105-95	ESKD. Opći zahtjevi za tekstualne dokumente.
GOST 2.106-96	ESKD. Tekstualni dokumenti.
GOST 6.30 2003	USD. Jedinstveni sustav organizacijske i administrativne dokumentacije. Zahtjevi za papirologiju.
GOST 7.32-2001	SIBID. Izvješće o istraživanju.
GOST 7.54-88	SIBID. Prikaz brojčanih podataka o svojstvima tvari i materijala u znanstvenim i tehničkim dokumentima. Opći zahtjevi.
GOST 8.417-2002	GSOEE. Jedinice za količine

Kratice i kratice

	Državni standard bivšeg SSSR-a ili međudržavni standard (trenutačno).
	Standard koji je usvojio Državni komitet Ruske Federacije za standardizaciju i mjeriteljstvo (Gosstandart Rusije) ili Državni komitet Ruske Federacije za stambenu i građevinsku politiku (Gosstroy Rusije).
	Državni sustav standardizacije.
	Državni sustav za osiguranje ujednačenosti mjerenja.
	Informacijska tehnologija
	Metoda najmanjeg kvadrata
	Osobno računalo
	Enterprise standard
	Teorija metalurških procesa

Uvod

Izvođenje laboratorijskih radova za proučavanje svojstava u sustavu metal-troska i procesa koji se odvijaju u metalurškim jedinicama, omogućuje vam bolje razumijevanje sposobnosti fizikalno-kemijske metode analize i stjecanje vještina u njezinoj praktičnoj primjeni. Dodatno, student se upoznaje s provedbom nekih metoda eksperimentalnog i modelnog istraživanja pojedinih fizikalno-kemijskih svojstava i metalurških procesa općenito, stječe vještine obrade, analize i prezentacije eksperimentalnih informacija.

1 Organizacija rada u laboratorijskoj radionici iz teorije metalurških procesa

U laboratorijskoj radionici o teoriji metalurških procesa glavna je stvar računalno prikupljanje eksperimentalnih informacija. To određuje niz značajki organizacije rada:

Svaki učenik dobiva individualni zadatak, izvodi pokus u cijelosti ili njegov određeni dio i obrađuje primljene informacije. Rezultat rada uključuje dobivene numeričke karakteristike proučavane pojave i pogreške u njihovom određivanju, grafikone koji ilustriraju identificirane značajke, te zaključke dobivene iz cjelokupnog skupa informacija. Razlika između kvantitativnih rezultata rada, navedenih u studentskim izvještajima, u odnosu na kontrolne ocjene ne smije biti veća od 5%.

Glavne opcije za prezentiranje rezultata su obrada eksperimentalnih podataka, crtanje grafikona i formuliranje zaključaka u Microsoft.Excel ili OpenOffice.Calc proračunskim tablicama.

Uz dopuštenje nastavnika, privremeno je dopušteno prezentirati rukom pisani izvještaj s potrebnim ilustracijama i grafikonima izrađenim na milimetarskom papiru.

Izvještaj o obavljenom laboratorijskom radu dostavlja se nastavniku koji vodi laboratorijsku praksu najkasnije na radni dan koji prethodi sljedećem laboratorijskom radu. Redoslijed prijenosa (e-mailom, za vrijeme odmora bilo kojem nastavniku ili laborantu koji trenutno vodi nastavu) određuje nastavnik.

Studenti koji nisu na vrijeme podnijeli izvješće o dosadašnjem radu i nisu položili kolokvij (testiranje) ne smiju na sljedeći laboratorijski rad.

Laboratorijski rad smiju obavljati samo studenti koji su u laboratorijskoj praksi prošli uvodni poduka o mjerama sigurnosti rada i potpisali uputni list.

Rad s grijaćim i mjernim električnim uređajima, s kemijskim staklenim posuđem i reagensima obavlja se u skladu sa sigurnosnim uputama u laboratoriju.

Nakon obavljenog rada student sređuje radno mjesto i predaje ga laboratorijskom asistentu.

1.1 Priprema za laboratorijski rad

Glavni izvori u pripremi za nastavu su ovaj priručnik, udžbenici i nastavna sredstva po preporuci predavača, bilješke s predavanja.

Pripremajući se za laboratorijski rad, student tijekom tjedna koji prethodi nastavnom satu mora pročitati i razumjeti gradivo vezano uz pojavu koja se proučava, razumjeti dijagrame dane u priručniku u projektiranju instalacije i mjernoj tehnici i obradi njihovih rezultata. Ako se pojave poteškoće, potrebno je koristiti preporučenu literaturu i konzultacije predavača i nastavnika koji provode laboratorijske studije.

Spremnost učenika za izvođenje rada kontrolira nastavnik individualnom anketom svakog učenika, ili provođenjem računalnog testiranja. Nedovoljno pripremljen učenik dužan je tijekom sata proučiti gradivo vezano uz ovaj rad, a eksperimentalni dio rada izvesti u dodatnom satu nakon ponovne provjere. Vrijeme i postupak izvođenja ponovljene nastave uređuje se posebnim rasporedom.

1.2 Preporuke za obradu rezultata mjerenja i izradu izvješća

Prema GOST 7.54-88, eksperimentalne numeričke podatke treba prikazati u obliku tablica s naslovom. Tablice uzoraka daju se za svaki laboratorij.

Prilikom obrade rezultata mjerenja potrebno je koristiti statističku obradu: primijeniti izravnavanje eksperimentalnih podataka, koristiti metodu najmanjih kvadrata pri ocjenjivanju parametara ovisnosti itd. te je imperativ procijeniti pogrešku dobivenih vrijednosti. Za obavljanje ove obrade u proračunskim tablicama predviđene su posebne statističke funkcije. Potreban skup funkcija dostupan je i u kalkulatorima dizajniranim za znanstvene (inženjerske) izračune.

1.3.1 Ucrtavanje

Prilikom izvođenja eksperimenata, u pravilu se istodobno fiksiraju vrijednosti nekoliko parametara. Analizirajući njihov odnos, može se donijeti zaključak o promatranom fenomenu. Vizualni prikaz numeričkih podataka iznimno je jednostavan za analizu njihovog odnosa – zbog čega je crtanje grafikona tako važan korak u radu s informacijama. Imajte na umu da među fiksnim parametrima uvijek postoji barem jedna nezavisna varijabla - vrijednost čija se vrijednost mijenja sama (vrijeme) ili koju postavlja eksperimentator. Ostali parametri određeni su vrijednostima nezavisnih varijabli. Prilikom izrade grafikona trebate slijediti neka pravila:

Vrijednost nezavisne varijable iscrtava se na apscisi (horizontalna os), a vrijednost funkcije na ordinati (vertikalna os).

Ljestvice duž osi treba odabrati tako da se područje grafa koristi što je moguće informativnije - tako da ima manje praznih područja na kojima nema eksperimentalnih točaka i linija funkcionalnih ovisnosti. Da biste ispunili ovaj zahtjev, često morate navesti vrijednost različitu od nule na početku koordinatne osi. U tom slučaju svi eksperimentalni rezultati moraju biti prikazani na grafikonu.

Vrijednosti duž osi bi u pravilu trebale biti višekratnici nekog cijelog broja (1, 2, 4, 5) i ravnomjerno raspoređene. Kategorički je neprihvatljivo navođenje rezultata specifičnih mjerenja na osi. Jedinice mjerila koje odaberete ne smiju biti premale ili prevelike (ne smiju sadržavati više vodećih ili završnih nula). Da biste osigurali ovaj zahtjev, trebali biste koristiti faktor skale oblika 10 X, koji je izvučen u oznaci osi.

Linija funkcionalne ovisnosti treba biti ravna ili glatka krivulja. Dopušteno je spojiti eksperimentalne točke isprekidanom linijom samo u fazi preliminarne analize.

Mnogi od ovih zahtjeva bit će automatski ispunjeni prilikom crtanja grafikona s proračunskim tablicama, ali obično ne svi i ne u potpunosti, tako da gotovo uvijek morate prilagoditi rezultirajući prikaz.

Proračunske tablice imaju posebnu uslugu - Čarobnjak za grafikone (Glavni izbornik: Umetni grafikon). Najjednostavniji način za pristup je da prvo odaberete područje ćelija koje uključuje i argument i funkciju (nekoliko funkcija) i aktivirate gumb "Čarobnjak za grafikone" na standardnoj ploči pomoću miša.

Tako ćete dobiti nacrt grafikona s kojim još trebate raditi, budući da automatski odabir mnogih zadanih parametara grafikona najvjerojatnije neće osigurati ispunjenje svih zahtjeva.

Prije svega provjerite veličinu brojeva na osi i slova u oznakama osi i oznakama funkcija u legendi. Poželjno je da veličina fonta bude svugdje ista, ne manje od 10 i ne više od 14 bodova, ali ćete morati postaviti vrijednost za svaku oznaku posebno. Da biste to učinili, pomaknite pokazivač preko objekta od interesa (os, oznaka, legenda) i pritisnite desnu tipku miša. U kontekstnom izborniku koji se pojavi odaberite "Format (element)" i u novom izborniku na komadu papira s oznakom "Font" odaberite željenu vrijednost. Prilikom oblikovanja osi, trebali biste dodatno pogledati i, eventualno, promijeniti vrijednosti na listovima s oznakama "Scale" i "Broj". Ako ne razumijete do kakvih promjena će dovesti predloženi izbor, nemojte se bojati isprobati bilo koju opciju, jer uvijek možete odbaciti napravljene promjene pritiskom na Ctrl + Z, ili odabirom stavke glavnog izbornika "Uredi" - Poništi, ili klikom na gumb "Poništi" na standardnoj alatnoj traci.

Ako ima puno točaka, a širenje je malo i linija izgleda dovoljno glatko, tada se točke mogu povezati linijama. Da biste to učinili, pomaknite pokazivač preko točke na grafikonu i pritisnite desnu tipku miša. U kontekstnom izborniku koji se pojavi odaberite stavku "Formatiranje niza podataka". U novom prozoru, na komadu papira s oznakom "Pogled" treba odabrati odgovarajuću boju i debljinu linije, a ujedno provjeriti boju, veličinu i oblik točkica. Tako se konstruiraju ovisnosti koje aproksimiraju eksperimentalne podatke. Ako se aproksimacija izvodi ravnom linijom, tada su dovoljne dvije točke na rubovima raspona argumenta. Ne preporučuje se korištenje opcije "izglađena krivulja" ugrađene u proračunske tablice zbog nemogućnosti podešavanja parametara zaglađivanja.

1.3.2 Izglađivanje eksperimentalnih podataka

Eksperimentalne podatke dobivene na visokotemperaturnim eksperimentalnim instalacijama karakterizira velika vrijednost slučajne pogreške mjerenja. To je uglavnom zbog elektromagnetskih smetnji od rada snažnog uređaja za grijanje. Statistička obrada rezultata može značajno smanjiti slučajnu pogrešku. Poznato je da je za slučajnu varijablu distribuiranu prema normalnom zakonu pogreška aritmetičke sredine određena iz N vrijednosti u N½ puta manja od pogreške jednog mjerenja. Kod velikog broja mjerenja, kada je dopušteno pretpostaviti da slučajni raspršivanje podataka na malom segmentu značajno premašuje redovitu promjenu vrijednosti, učinkovita tehnika izglađivanja je dodijeliti sljedeću vrijednost izmjerene vrijednosti aritmetičkoj sredini. izračunato iz nekoliko vrijednosti u simetričnom intervalu oko njega. Matematički, to je predstavljeno formulom:

(1.1)

i vrlo je lako implementirati u proračunske tablice. Ovdje y i je rezultat mjerenja, i Y i je izglađena vrijednost koja se koristi umjesto toga.

Eksperimentalne podatke dobivene korištenjem digitalnih sustava za prikupljanje podataka karakterizira slučajna pogreška, čija se distribucija značajno razlikuje od normalnog zakona. U ovom slučaju može biti učinkovitije koristiti medijan umjesto aritmetičke sredine. U ovom slučaju, izmjerenoj vrijednosti u sredini intervala dodjeljuje se vrijednost izmjerene vrijednosti za koju se pokazalo da je najbliža aritmetičkoj sredini. Čini se da mala razlika u algoritmu može vrlo značajno promijeniti rezultat. Primjerice, u varijanti procjene medijana neki eksperimentalni rezultati mogu se pokazati potpuno neiskorištenima, najvjerojatnije upravo oni koji stvarno jesu

"Iskakanje" vrijednosti s posebno velikom pogreškom.

1.3.5 Numerička diferencijacija funkcije zadane skupom diskretnih točaka

Potreba za takvom operacijom javlja se prilično često pri obradi eksperimentalnih točaka. Na primjer, razlikovanjem ovisnosti koncentracije o vremenu, utvrđuje se ovisnost brzine procesa o vremenu i o koncentraciji reagensa, što zauzvrat omogućuje procjenu redoslijeda reakcije. Operacija numeričke diferencijacije funkcije zadane skupom njezinih vrijednosti ( y) koji odgovara odgovarajućem skupu vrijednosti argumenata ( x), temelji se na približnoj zamjeni diferencijala funkcije omjerom njezine konačne promjene i konačne promjene u argumentu:

(1.2)

Numerička diferencijacija osjetljiva je na pogreške uzrokovane netočnostima u izvornim podacima, odbacivanjem članova niza itd., te se stoga treba provoditi s oprezom. Kako bi se poboljšala točnost procjene derivacije (), pokušavaju prvo izgladiti eksperimentalne podatke, barem na malom segmentu, a tek onda izvesti diferencijaciju. Kao rezultat toga, u najjednostavnijem slučaju za ekvidistantne čvorove (vrijednosti argumenta se međusobno razlikuju za istu vrijednost x), dobivaju se sljedeće formule: za derivaciju u prvom ( x 1) točka:

za derivaciju u svim ostalim točkama ( x), osim zadnjeg:

za izvedenicu u potonjem ( x) točka:

Ako postoji puno eksperimentalnih podataka i dopušteno je zanemariti nekoliko ekstremnih točaka, možete koristiti jače formule za izglađivanje, na primjer, za 5 točaka:

ili 7 bodova:

Za neravnomjeran raspored čvorova, ograničavamo se na činjenicu da preporučujemo korištenje modificirane formule (1.3) u obliku

(1.8)

i ne računajte derivaciju na početnoj i krajnjoj točki.

Dakle, da biste implementirali numeričku diferencijaciju, morate smjestiti prikladne formule u ćelije slobodnog stupca. Na primjer, nejednako raspoređene vrijednosti argumenata nalaze se u stupcu "A" u ćelijama od 2 do 25, a vrijednosti funkcije su u stupcu "B" u odgovarajućim ćelijama. Vrijednosti izvedenica trebale bi se staviti u stupac "C". Zatim u ćeliju "C3" trebate unijeti formulu (5) u obliku:

= (B4 - B2) / (A4 - A2)

i kopirajte (razvucite) na sve ćelije u rasponu C4: C24.

1.3.6 Određivanje metodom najmanjih kvadrata koeficijenata polinoma,

aproksimirajući neki skup podataka

Kada se brojčani podaci prikazuju grafički, često je potrebno povući crtu duž eksperimentalnih točaka, otkrivajući značajke dobivene ovisnosti. To je učinjeno radi bolje percepcije informacija i olakšavanja daljnje analize podataka koji imaju nešto raspršenosti zbog pogreške mjerenja. Često se na temelju teorijske analize proučavanog fenomena unaprijed zna kakav bi oblik trebao imati ova crta. Na primjer, poznato je da ovisnost brzine kemijskog procesa ( v) iz temperature mora biti eksponencijalna, a eksponencijalni eksponent predstavlja inverznu temperaturu u apsolutnoj skali:

To znači da na grafu u koordinatama ln v- 1 / T treba biti ravna linija,

čiji nagib karakterizira energiju aktivacije ( E) postupak. U pravilu se kroz eksperimentalne točke može povući nekoliko ravnih linija s različitim nagibom. U određenom smislu, najbolja od njih bit će ravna crta s koeficijentima određenim metodom najmanjih kvadrata.

U općem slučaju, metoda najmanjih kvadrata se koristi za pronalaženje koeficijenata koji aproksimiraju ovisnost y (x 1 , x 2 ,…x n) polinom oblika

gdje b i m 1 …m n Konstantni su koeficijenti i x 1 …x n- skup neovisnih argumenata. To jest, u općem slučaju, metoda se koristi za aproksimaciju funkcije nekoliko varijabli, ali je također primjenjiva za opisivanje složene funkcije jedne varijable x... U ovom slučaju obično se vjeruje da

a aproksimirajući polinom ima oblik

Prilikom odabira stupnja aproksimirajućeg polinoma n imajte na umu da on nužno mora biti manji od broja izmjerenih vrijednosti x i y... U gotovo svim slučajevima ne smije biti više od 4, rijetko 5.

Ova metoda je toliko važna da Excel proračunske tablice imaju najmanje četiri opcije za dobivanje vrijednosti željenih koeficijenata. Preporučujemo korištenje funkcije LINEST () ako radite u Excel proračunskim tablicama s Microsoft Officeom ili LINEST () funkcije u proračunskim tablicama Calc s OpenOfficeom. Prikazane su na popisu statističkih funkcija, pripadaju klasi tzv. matričnih funkcija i s tim u vezi imaju niz značajki aplikacije. Prvo, ne unosi se u jednu ćeliju, već izravno u raspon (pravokutna površina) ćelija, budući da funkcija vraća više vrijednosti. Veličina horizontalne površine određena je brojem koeficijenata aproksimirajućeg polinoma (u ovom primjeru postoje dva od njih: ln v 0 i E / R), a okomito se može istaknuti od jednog do pet redaka, ovisno o tome koliko je statističkih informacija potrebno za vašu analizu.

1.3.7 Predstavljanje rezultata

U znanstveno-tehničkom dokumentu, pri prikazivanju brojčanih podataka, treba dati ocjenu njihove pouzdanosti i istaknuti slučajne i sustavne pogreške. Navedene pogreške podataka trebaju biti prikazane u skladu s GOST 8.207–76.

Prilikom statističke obrade grupe rezultata promatranja potrebno je izvršiti sljedeće operacije: isključiti poznate sustavne pogreške iz rezultata promatranja;

Izračunati aritmetičku sredinu korigiranih rezultata promatranja, uzetih kao rezultat mjerenja; izračunati procjenu standardne devijacije rezultata mjerenja;

Izračunati granice pouzdanosti slučajne pogreške (slučajne komponente pogreške) mjernog rezultata;

Izračunati granice neisključene sustavne pogreške (neisključene ostatke sustavne pogreške) rezultata mjerenja; izračunati granice pouzdanosti pogreške mjernog rezultata.

Za određivanje granica pouzdanosti pogreške mjernog rezultata, vjerojatnost povjerenja R uzeti jednako 0,95. Uz simetričnu pogrešku povjerenja, rezultati mjerenja su prikazani u obliku:

gdje je rezultat mjerenja, ∆ je granica pogreške rezultata mjerenja, R Je li razina povjerenja. Brojčana vrijednost rezultata mjerenja mora završavati znamenkom iste znamenke kao i vrijednost pogreške ∆.

2 Opis laboratorijskog rada

U prvom dijelu svakog od odjeljaka posvećenih specifičnom laboratorijskom radu daju se informacije o sastavu i strukturi faza, mehanizmu procesa koji se odvijaju unutar faze ili na granicama njezina sučelja sa susjednim fazama, minimumu potrebnom za razumijevanje bit fenomena koji se proučava u djelu. Ako navedene informacije nisu dovoljne, pogledajte bilješke s predavanja i preporučenu literaturu. Bez razumijevanja prvog dijela odjeljka nemoguće je zamisliti što se događa u sustavu koji se proučava tijekom rada, formulirati i razumjeti zaključke na temelju dobivenih rezultata.

Sljedeći dio svakog odjeljka posvećen je hardverskoj ili softverskoj implementaciji stvarne instalacije ili računalnog modela. Pruža informacije o korištenom hardveru i korištenim algoritmima. Bez razumijevanja ovog odjeljka nemoguće je procijeniti izvore pogreške i koje radnje treba poduzeti kako bi se njihov utjecaj smanjio.

Posljednji dio opisuje postupak izvođenja mjerenja i obrade njihovih rezultata. Sva ova pitanja predaju se na kolokvij prije rada, odnosno kompjuterskog testiranja.

2.1 Proučavanje kinetike visokotemperaturne oksidacije željeza (Rad br. 13)

2.1.1 Opći zakoni oksidacije željeza

Prema principu slijeda transformacija A.A. Bajkova, na površini željeza tijekom njegove visokotemperaturne oksidacije atmosferskim kisikom nastaju svi oksidi koji su u tim uvjetima termodinamički stabilni. Na temperaturama iznad 572 °C kamenac se sastoji od tri sloja: FeO wustita, Fe 3 O 4 magnetita, Fe 2 O 3 hematita. svojstva poluvodiča. To znači da u FeO kationskoj podrešetki postoji značajna koncentracija slobodnih mjesta željeznog željeza, a elektroneutralnost je osigurana zbog pojave elektronskih „rupa“, a to su čestice feri željeza. Anionska podrešetka wustita, koja se sastoji od negativno nabijenih iona O 2–, praktički je bez defekata, prisutnost slobodnih mjesta u kationskoj podrešetki značajno povećava difuzijsku mobilnost Fe 2+ čestica kroz wustit i smanjuje njegova zaštitna svojstva.

Međusloj magnetita je oksid stehiometrijskog sastava, koji ima nisku koncentraciju defekata u kristalnoj rešetki i, kao rezultat, ima povećana zaštitna svojstva. Njegova relativna debljina je u prosjeku 4%.

Vanjski sloj kamenca - hematit ima n-tip vodljivosti. Prisutnost slobodnih mjesta za kisik u anionskoj podrešetki olakšava difuziju čestica kisika kroz nju, u usporedbi s kationima željeza. Relativna debljina sloja Fe 2 O 3 ne prelazi 1% .

Na temperaturama ispod 572 °C, wustit je termodinamički nestabilan, stoga se ljestvica sastoji od dva sloja: magnetita Fe 3 O 4 (90% debljine) i hematita Fe 2 O 3 (10%).

Stvaranje kontinuiranog zaštitnog filma kamenca na površini željeza dovodi do njegovog odvajanja od atmosfere zraka. Daljnja oksidacija metala nastaje zbog difuzije reagensa kroz oksidni film. Razmatrani heterogeni proces sastoji se od sljedećih faza: opskrba kisikom iz volumena plinske faze do granice s oksidom molekularnom ili konvektivnom difuzijom; adsorpcija O2 na površini oksida; ionizacija atoma kisika s stvaranjem O 2– aniona; difuzija aniona kisika u oksidnoj fazi na granicu s metalom; ionizacija atoma željeza i njihov prijelaz u kamenac u obliku kationa; difuzija kationa željeza u oksidu do granice s plinom; kristalno-kemijski čin stvaranja novih dijelova oksidne faze.

Difuzijski način oksidacije metala ostvaruje se ako je najinhibiraniji stupanj transport Fe 2+ ili O 2– čestica kroz kamenac. Molekularni kisik se relativno brzo dovodi iz plinovite faze. U slučaju kinetičkog režima, ograničavajući stupnjevi su faze adsorpcije ili ionizacije čestica, kao i čin kristalno-kemijske transformacije.

Izvođenje kinetičke jednadžbe procesa oksidacije željeza za slučaj troslojne skale prilično je glomazno. Može se značajno pojednostaviti, bez mijenjanja konačnih zaključaka, ako se skala smatra homogenom po sastavu i uzme se u obzir samo difuzija Fe 2+ kationa kroz nju.

Označimo sa D koeficijent difuzije Fe 2+ čestica u skali, k- konstanta brzine oksidacije željeza, C 1 i S 2 ravnotežne koncentracije kationa željeza na granici s metalom i zrakom, h- debljina oksidnog filma, S Je površina uzorka, je gustoća oksida, M- njegovu molarnu masu. Zatim, u skladu sa zakonima formalne kinetike, specifična brzina kemijskog čina interakcije željeza s kisikom po jedinici površine uzorka ( v r) određuje se omjerom:

U stacionarnom stanju jednaka je gustoći difuzijskog toka Fe 2+ čestica.

Uzimajući u obzir da je ukupna brzina heterogenog procesa oksidacije proporcionalna brzini rasta njegove mase

(13.3)

može se isključiti C 2 iz jednadžbi (13.1) i (13.2) i dobiti ovisnost mase skale o vremenu:

(13.4)

Iz posljednje relacije se vidi da se kinetički način procesa ostvaruje u pravilu u početnom trenutku oksidacije, kada je debljina oksidnog filma mala, a njegov difuzijski otpor se može zanemariti. Rast sloja kamenca usporava difuziju reagensa, a način procesa se s vremenom mijenja u difuziju.

Rigorozniji pristup, koji je razvio Wagner u ionsko-elektronskoj teoriji visokotemperaturne oksidacije metala, omogućuje kvantitativno izračunavanje konstante brzine paraboličkog zakona rasta filma koristeći podatke neovisnih eksperimenata o električnoj vodljivosti oksida :

gdje je ∆ G- promjena Gibbsove energije za reakciju oksidacije metala, M- molarnu masu oksida, - njegovu električnu vodljivost, t i- udio ionske vodljivosti, z- valenca metala, F- Faradayeva konstanta.

Prilikom proučavanja kinetike stvaranja vrlo tankih ( h < 5·10 –9 м) пленок необходимо учитывать также скорость переноса электронов через слой оксида путем туннельного эффекта (теория Хауффе и Ильшнера) и ионов металла под действием электрического поля (теория Мотта и Кабреры). В этом случае окисление металлов сопровождается большим самоторможением во времени при замедленности стадии переноса электронов, чему соответствует логарифмический закон роста пленок h = K Ln ( a τ+ B), kao i kubični h 3 = KΤ (oksidi su poluvodiči str-tip) ili inverzno logaritamsko 1 / h = C K Ln (τ) ( n- vrsta vodljivosti) kada je stupanj prijenosa metalnih iona sporiji.

2.1.2 Opis instalacije i postupak provođenja pokusa

Kinetika oksidacije željeza proučava se gravimetrijskom metodom koja omogućuje bilježenje promjene mase uzorka s vremenom tijekom pokusa. Shema instalacije prikazana je na slici 1.

Slika 1 - Shema eksperimentalne postavke:

1 - ispitani uzorak željeza; 2 - električna otporna peć; 3 - mehanoelektrični pretvarač É 2D1; 4 - osobno računalo s ADC pločom.

Uzorak metala (1), obješen na nikromski lanac na gredu mehanoelektričnog pretvarača E 2D1 (3), stavlja se u vertikalnu cjevastu elektrootpornu peć (2). Izlazni signal E 2D1, proporcionalan promjeni mase uzorka, dovodi se na ADC ploču računala kao dio instalacije. Konstantnost temperature u peći održava se automatskim regulatorom, a željena temperatura pokusa se postavlja odgovarajućim kotačićem na instrument tabli peći prema uputama nastavnika (800 - 900°C).

Na temelju rezultata rada utvrđuje se konstanta brzine oksidacijske reakcije željeza i koeficijent difuzije njegovih iona u oksidnom filmu te po mogućnosti energije aktivacije kemijske reakcije i difuzije. Grafički ilustrirajte ovisnost promjene mase uzorka i brzine oksidacijskog procesa o vremenu.

2.1.3 Obrada i prezentacija rezultata mjerenja

Mehanički-električni pretvarač je konstruiran na način da se dio mase mjerenog objekta kompenzira spiralnom oprugom. Njegova veličina nije poznata, ali mora ostati konstantna tijekom mjerenja. Kako proizlazi iz opisa mjerne tehnike, točno vrijeme (0) početka procesa oksidacije nije poznato, jer se ne zna kada će uzorak dobiti temperaturu dovoljnu za razvoj procesa oksidacije. Sve do trenutka kada uzorak zapravo počne oksidirati, njegova masa je jednaka masi matičnog metala ( m 0). Činjenica da ne mjerimo cijelu masu, već samo njezin nekompenzirani dio, ne mijenja bit stvari. Razlika između trenutne mase uzorka ( m) i početna masa metala predstavlja masu mjerila, stoga formulu (13.4) za stvarne eksperimentalne uvjete treba prikazati u obliku:

(13.6)

u kojem m- izmjerena vrijednost preostalog nekompenziranog dijela mase uzorka, m 0- isto prije početka procesa oksidacije na niskoj temperaturi uzorka. Iz ovog odnosa može se vidjeti da eksperimentalnu ovisnost mase uzorka o vremenu treba opisati jednadžbom oblika:

, (13.7)

čiji se koeficijenti prema dobivenim rezultatima mjerenja mogu pronaći metodom najmanjih kvadrata. To je ilustrirano tipičnim grafikonom na Sl. Točke su rezultati mjerenja, pravac se dobiva aproksimacijom podataka jednadžbom 13.7

Točke označene križićima su izvan granica i ne bi se trebale uzeti u obzir pri izračunu koeficijenata jednadžbe 13.7 metodom najmanjih kvadrata.

Uspoređujući formule (13.6) i (13.7), lako je pronađene koeficijente povezati s njihovim određujućim fizikalno-kemijskim vrijednostima:

(13.8)

U navedenom primjeru, vrijednost m0 - vrijednost na ordinati na = 0, ispala je 18,1 mg.

Koristeći ove vrijednosti, vrijednosti površine uzorka dobivene u pripremi za eksperiment ( S) i gustoća wustita posuđena iz literature (= 5,7 g/cm 3) može se

procijeniti i omjer koeficijenta difuzije i konstante brzine procesa oksidacije:

(13.13)

Ovaj omjer karakterizira debljinu filma kamenca pri kojoj je konstanta brzine difuzije jednaka konstanti brzine kemijske reakcije oksidacije metala, što odgovara definiciji strogo miješanog reakcijskog načina.

Na temelju rezultata rada, sve vrijednosti treba odrediti pomoću formula (13.7, 13.11 - 13.13): b 0 , b 1 , b 2 , m 0, 0 i D /K... Da biste ilustrirali rezultate, trebali biste dati graf ovisnosti m-. Uz eksperimentalne vrijednosti, poželjno je dati i aproksimirajuću krivulju.

Na temelju rezultata mjerenja potrebno je popuniti sljedeću tablicu:

Tablica 1. Rezultati proučavanja procesa oksidacije željeza.

U tablici se prva dva stupca popunjavaju nakon otvaranja datoteke s podacima, a ostali se izračunavaju. Zaglađivanje se izvodi na 5 točaka. Pri određivanju koeficijenata aproksimiranog polinoma istovremeno se koriste prvi, treći i četvrti stupac. Posljednji stupac treba sadržavati rezultate aproksimacije polinomom (13.7) korištenjem koeficijenata pronađenih metodom najmanjih kvadrata. Grafikon se gradi prema prvom, trećem i petom stupcu.

Ako rad izvodi više učenika, tada svaki od njih provodi pokus na svojoj temperaturi. Zajednička obrada rezultata procjene debljine sloja ljuske u strogo miješanom načinu () omogućuje procjenu razlike između aktivacijskih energija difuzije i kemijske reakcije. Doista, očita formula vrijedi ovdje:

(13.14)

Slična obrada koeficijenata b 2 omogućuje procjenu aktivacijske energije difuzije. Ovdje vrijedi formula:

(13.15)

Ako su mjerenja provedena na dvije temperature, tada se procjene provode izravno prema formulama (13.4) i (13.15), ako su vrijednosti temperature više od dvije, za funkcije treba primijeniti metodu najmanjih kvadrata ln () – 1/T i ln (b 2) – 1/T. Rezultirajuće vrijednosti dane su u sažetoj tablici i razmotrene u zaključcima.

Redoslijed obrade rezultata rada

2. Izgradite graf ovisnosti na zasebnom listu m-, vizualno identificirati i ukloniti skočne vrijednosti.

3. Izravnajte izmjerene vrijednosti težine.

4. Izračunajte kvadrate promjene mase

5. Nađite koeficijente metodom najmanjih kvadrata b 0 , b 1 , b 2 jednadžbe koje aproksimiraju ovisnost promjene mase tijekom vremena.

6. Izračunajte procjenu mase na početku mjerenja u skladu s aproksimacijskom jednadžbom

7. Analizirajte rezultate aproksimacije pomoću sortiranja i isključite netočne vrijednosti

8. Rezultate aproksimacije prikazati na grafu ovisnosti m – .

9. Izračunajte karakteristike sustava i procesa: m 0 , 0 , D /K .

Rezultati testa:

a. U ćeliji "A1" - površina uzorka, u susjednoj ćeliji "B1" mjerne jedinice;

b. U ćeliji "A2" - masa izvornog uzorka, u ćeliji "B2" - mjerne jedinice;

c. U ćeliji "A3" - temperatura eksperimenta, u ćeliji "B3" - mjerne jedinice;

d. U ćeliji "A4" - debljina sloja ljestvice u strogo miješanom načinu, u ćeliji "B4" - mjerne jedinice;

e. Počevši od ćelije "A10", zaključci o radu trebaju biti jasno formulirani.

U ćelijama A6-A7 trebaju biti reference na ćelije na drugim listovima knjige proračunskih tablica na kojima su izvršeni izračuni da bi se dobio prikazani rezultat, a ne same numeričke vrijednosti! Ako ovaj zahtjev nije ispunjen, program za provjeru prikazuje poruku "Pogreška u prezentaciji informacija".

2. Ispravno oblikovan graf ovisnosti m- dobiveno eksperimentalno (točke) i aproksimirano polinomom (crtom), na posebnom listu proračunskih tablica sa svim potrebnim potpisima i oznakama.

Kontrolna pitanja

1. Kakva je struktura kamenca dobivenog na željezu tijekom njegove visokotemperaturne oksidacije na zraku?

2. Zašto pojava wustitne faze u ljestvici dovodi do naglog povećanja brzine oksidacije željeza?

3. Koje su faze procesa heterogene oksidacije željeza?

4. Koja je razlika između difuzijskog načina oksidacije željeza i kinetičkog?

5. Koji su redoslijed i metodologija rada?

6. Kako prepoznati način procesa oksidacije?

2.2 Studija temperaturne ovisnosti specifične električne vodljivosti oksidnih talina (Rad br. 14)

2.2.1 Opći podaci o prirodi električne vodljivosti troske

Proučavanje ovisnosti električne vodljivosti troske o njihovom sastavu i temperaturi od velike je važnosti za metalurgiju kako u teoretskom, tako i u primijenjenom smislu. Vrijednost električne vodljivosti može imati značajan utjecaj na brzinu najvažnijih reakcija između metala i troske u procesima proizvodnje čelika, na produktivnost metalurških jedinica, posebno u tehnologijama elektrotroske ili lučnih peći za taljenje sintetičke troske, gdje je brzina oslobađanje topline ovisi o količini električne struje koja prolazi kroz talinu. Osim toga, električna vodljivost, kao strukturno osjetljivo svojstvo, daje neizravne informacije o strukturi taline, koncentraciji i vrsti nabijenih čestica.

Prema konceptima strukture oksidnih talina, koje je formulirala, posebno, znanstvena škola profesora O. A. Esina, nenabijene čestice ne mogu biti prisutne u njima. Istodobno, ioni u talini se jako razlikuju po veličini i strukturi. Osnovni oksidni elementi prisutni su kao jednostavni ioni, na primjer, Na +, Ca 2+, Mg 2+, Fe 2+, O 2-. Naprotiv, elementi visoke valencije, koji tvore kisele (kiseline) okside, kao što su SiO 2, TiO 2, B 2 O 3, u obliku iona imaju tako veliko elektrostatičko polje da ne mogu biti u talini kao jednostavni Si 4+ ioni, Ti 4+, B 3+. Oni se toliko približavaju anionima kisika da s njima stvaraju kovalentne veze i prisutni su u talini u obliku složenih aniona od kojih su najjednostavniji npr. SiO 4 4, TiO 4 4-, BO 3 3-, BO 4 5-. Složeni anioni imaju sposobnost kompliciranja svoje strukture, ujedinjujući se u dvo- i trodimenzionalne strukture. Na primjer, dva silicij-kisika tetraedra (SiO 4 4-) mogu se spojiti na vrhovima, tvoreći najjednostavniji linearni lanac (Si 2 O 7 6-). Time se oslobađa jedan ion kisika:

SiO44- + SiO44- = Si2O76- + O2-.

Detaljnije se ova pitanja mogu naći, na primjer, u obrazovnoj literaturi.

Električni otpor R konvencionalni linearni vodiči mogu se odrediti iz omjera

gdje je otpor, L- dužina, S Je površina poprečnog presjeka vodiča. Količina se naziva specifična električna vodljivost tvari. Iz formule (14.1) proizlazi da

Jedinica električne vodljivosti izražava se u Ohm –1 m –1 = S / m (S - siemens). Specifična električna vodljivost karakterizira električnu vodljivost volumena taline zatvorene između dvije paralelne elektrode površine 1 m 2 i koje se nalaze na udaljenosti od 1 m jedna od druge.

U općenitijem slučaju (nehomogeno električno polje), električna vodljivost se definira kao koeficijent proporcionalnosti između gustoće struje i u vodiču i gradijentu električnog potencijala:

Pojava električne vodljivosti povezana je s prijenosom naboja u tvari pod djelovanjem električnog polja. U metalima u prijenosu električne energije sudjeluju elektroni vodljivog pojasa čija je koncentracija praktički neovisna o temperaturi. S porastom temperature dolazi do smanjenja specifične električne vodljivosti metala, jer koncentracija "slobodnih" elektrona ostaje konstantna, a usporavajući učinak toplinskog gibanja iona kristalne rešetke na njih raste.

U poluvodičima, nositelji električnog naboja su kvazi-slobodni elektroni u vodljivom pojasu ili slobodna mjesta u valentnom energetskom pojasu (elektronske rupe), nastaju zbog toplinski aktiviranih prijelaza elektrona s donorskih razina u vodljivu vrpcu poluvodiča. S porastom temperature povećava se vjerojatnost takvih aktiviranih prijelaza, prema tome povećava se koncentracija nositelja električne struje i specifična električna vodljivost.

U elektrolitima, koji uključuju i taline oksida, u prijenosu električne energije u pravilu sudjeluju ioni: Na +, Ca 2+, Mg 2+, SiO 4 4–, BO 2 - i drugi. Svaki od iona ј -. razred može doprinijeti ukupnoj vrijednosti gustoće električne struje u skladu s poznatom relacijom

gdje je djelomična specifična električna vodljivost; D j , C j , z j- koeficijent difuzije, koncentracija i naboj iona ј -th razred; F- Faradayeva konstanta; T- temperatura; R

Očito, zbroj količina i j jednaka je ukupnoj gustoći struje i povezana s kretanjem svih iona, a vodljivost cijele taline je zbroj parcijalnih vodljivosti.

Kretanje iona u elektrolitima je aktivacijski proces. To znači da se pod djelovanjem električnog polja ne kreću svi ioni, već samo najaktivniji od njih, posjedujući određeni višak energije u usporedbi s prosječnom razinom. Taj višak energije, nazvan aktivacijska energija električne vodljivosti, nužan je da se prevladaju sile interakcije danog iona s okolinom, kao i da se formira praznina (šupljina) u koju on prelazi. Broj aktivnih čestica, sukladno Boltzmannovom zakonu, raste sa

eksponencijalno povećanje temperature. Tako ... Slijediti-

stoga, u skladu s (14.5), temperaturnu ovisnost specifične električne vodljivosti treba opisati zbrojem eksponencijala. Međutim, poznato je da s povećanjem veličine čestica značajno raste i njihova aktivacijska energija. Stoga se u odnosu (14.5) u pravilu zanemaruje doprinos velikih niskomobilnih iona, a za ostalo se usrednjavaju parcijalne vrijednosti.

Kao rezultat, temperaturna ovisnost specifične električne vodljivosti oksidnih talina poprima sljedeći oblik:

(14.6)

što se dobro slaže s eksperimentalnim podacima.

Tipične vrijednosti za metalurške troske koje sadrže okside CaO, SiO 2, MgO, Al 2 O 3 su u rasponu od 0,1 - 1,0 S cm –1 u blizini temperature likvidusa, što je mnogo niže od električne vodljivosti tekućih metala (10 5 –10 7 S cm –1). Energija aktivacije električne vodljivosti gotovo je neovisna o temperaturi u bazičnim troskama, ali se može blago smanjiti s porastom temperature u kiselim talinama, zbog njihove depolimerizacije. Obično se vrijednost nalazi u rasponu od 40-200 kJ / mol, ovisno o sastavu taline.

Pri povišenom sadržaju (preko 10%) željeznih oksida (FeO, Fe 2 O 3) ili drugih oksida prijelaznih metala (npr. MnO, V 2 O 3, Cr 2 O 3), karakter električne vodljivosti troske se mijenja, budući da se osim ionske vodljivosti u njima pojavljuje značajan udio elektronske vodljivosti. Elektronička komponenta vodljivosti u takvim talinama nastaje zbog kretanja elektrona ili elektronskih "rupa" prema relejnom mehanizmu od kationa prijelaznog metala s nižom valentnošću na kation s višom valentnošću kroz R-orbitale iona kisika smještene između ovih čestica.

Vrlo visoka pokretljivost elektrona u kombinacijama Me 2+ - O 2– - Me 3+, unatoč njihovoj relativno niskoj koncentraciji, naglo povećava električnu vodljivost troske. Dakle, maksimalna vrijednost æ za čisto željezne taline FeO - Fe 2 O 3 može biti

10 2 S · cm –1, dok je ipak ostalo mnogo manje metala.

2.2.2 Opis postupka ugradnje i mjerenja

U ovom radu određena je specifična električna vodljivost rastaljenog natrijevog tetraborata Na 2 O 2B 2 O 3 u temperaturnom rasponu 700 - 800 °C. Kako bi se uklonile komplikacije povezane s prisutnošću otpora sučelja metal - elektrolit, proučavanje električne vodljivosti mora se provesti u uvjetima kada je otpor sučelja zanemariv. To se može postići korištenjem izmjenične struje dovoljno visoke frekvencije (≈ 10 kHz) umjesto istosmjerne struje.

Električna shema instalacije prikazana je na slici 2.

Slika 2. Shema električnog kruga instalacije za mjerenje električne vodljivosti troske:

ZG - generator zvučne frekvencije; PC - osobno računalo sa zvučnom karticom; Yach otopina i Yach troska - elektrokemijske ćelije koje sadrže vodenu otopinu KCl ili troske; R et - referentni otpor poznate vrijednosti.

Izmjenična struja iz generatora audio frekvencije dovodi se u ćeliju koja sadrži trosku i s njom povezan referentni otpor poznate vrijednosti. PC zvučna kartica mjeri pad napona na ćeliji i referentni otpor. Budući da je struja koja teče kroz R et i Yach ista

(14.7)

Program za laboratorijsku instalaciju izračunava, prikazuje na ekranu monitora i upisuje u datoteku vrijednost omjera ( r) vrijednosti amplitude izmjenične struje na izlazu generatora zvuka ( U hg) i na mjernoj ćeliji ( U bar):

Znajući to, možete odrediti otpor stanice

gdje je stanična konstanta.

Za utvrđivanje Kćelije u eksperimentalnoj postavci, koristi se pomoćna ćelija, slična onoj koja se istražuje u smislu geometrijskih parametara. Obje elektrokemijske ćelije su korundski čamci s elektrolitom. U njima su dvije cilindrične metalne elektrode istog presjeka i duljine, koje se nalaze na istoj udaljenosti jedna od druge, izostavljene kako bi se osigurao konstantan omjer (L / S) eff.

Ispitana ćelija sadrži taljevinu Na 2 O 2B 2 O 3 i stavlja se u peć za grijanje na temperaturu od 700 - 800 °C. Pomoćna ćelija je na sobnoj temperaturi i napunjena je s 0,1 N vodenom otopinom KCl, čija je električna vodljivost 0,0112 S cm –1. Poznavanje vodljivosti otopine i određivanje (vidi formulu 14.9) električnog otpora

pomoćna ćelija (

2.2.3 Radni nalog

A. Rad pomoću mjernog sustava u stvarnom vremenu

Prije početka mjerenja, peć se mora prethodno zagrijati na temperaturu od 850 ° C. Redoslijed radova na instalaciji je sljedeći:

1. Nakon što izvršite postupak inicijalizacije u skladu s uputama na ekranu monitora, isključite pećnicu, stavite prekidač "1 - referentni otpor" u položaj "1 - Hi" i slijedite daljnje upute.

2. Nakon što se pojavi indikacija "Switch 2 - to the" solution "položaj, izvršite ga i dok se ne pojavi indikacija" Switch 2 - to "MELT" položaj, zabilježite vrijednosti omjera otpora koje se pojavljuju svakih 5 sekundi.

3. Slijedite drugu uputu i promatrajte promjenu temperature. Čim temperatura postane manja od 800 ° C, naredba s tipkovnice "Xs" trebala bi uključiti izlaz grafa i svakih 5 sekundi zabilježiti vrijednosti temperature i omjere otpora.

4. Nakon što se talina ohladi na temperaturu ispod 650 °C, potrebno je inicijalizirati mjerenja za drugog studenta koji radi na ovoj instalaciji. Prebacite "1 - referentni otpor" u položaj "2 - Lo" i od tog trenutka drugi učenik počinje bilježiti temperaturne vrijednosti i omjere otpora svakih 5 sekundi.

5. Kada se talina ohladi na temperaturu od 500 °C ili je vrijednost omjera otpora blizu 6, mjerenje treba prekinuti slanjem naredbe “Xe” s tipkovnice. Od ovog trenutka drugi učenik mora prebaciti prekidač 2 u položaj 'rješenje' i zapisati deset vrijednosti omjera otpora.

B. Rad s podacima koji su prethodno upisani u datoteku

Nakon aktiviranja programa, na ekranu se pojavljuje poruka o vrijednosti referentnog otpora i nekoliko vrijednosti omjera otpora ( r) kalibracijske ćelije. Nakon usrednjavanja, ovi podaci će vam omogućiti da pronađete konstantu postavke.

Nakon toga, svakih nekoliko sekundi, na zaslonu se pojavljuju omjeri temperature i otpora za mjernu ćeliju. Ova informacija je prikazana na grafikonu.

Program automatski prekida rad i sve rezultate šalje na nastavnikovo računalo.

2.2.4 Obrada i prezentacija rezultata mjerenja

Na temelju rezultata mjerenja ispunite tablicu sa sljedećim naslovom:

Tablica 1. Temperaturna ovisnost električne vodljivosti taline Na 2 O · 2B 2 O 3

U tablici se prva dva stupca popunjavaju nakon otvaranja datoteke s podacima, a ostali se izračunavaju. Treba ih koristiti za crtanje ovisnosti ln () - 10 3 / T i korištenje metode najmanjih kvadrata (funkcija LINEST u OpenOffice.Calc) za određivanje vrijednosti energije aktivacije. Grafikon bi trebao prikazati približnu ravnu liniju. Također biste trebali napraviti grafikon vodljivosti u odnosu na temperaturu. Redoslijed obrade rezultata

1. Unesite zapise o rezultatima mjerenja u datoteku proračunske tablice.

2. Izračunajte prosječnu vrijednost omjera otpora za kalibracijsku ćeliju.

3. Izračunajte konstantu podešavanja.

4. Izgradite graf ovisnosti r – t, vizualno identificirati i ukloniti skočne vrijednosti. Ako ih ima puno, primijenite sortiranje.

5. Izračunajte otpor mjerne ćelije, vodljivost taline oksida pri različitim temperaturama, logaritam vodljivosti i inverznu apsolutnu temperaturu

b 0 , b 1 jednadžbe koja aproksimira ovisnost logaritma električne vodljivosti o recipročnoj temperaturi, te izračunati energiju aktivacije.

7. Konstruirajte graf ovisnosti logaritma električne vodljivosti o recipročnoj temperaturi na posebnom listu i dajte aproksimirajuću ovisnost Rezultati testa:

1. U knjizi proračunskih tablica koja je poslana na pregled, na prvoj stranici pod naslovom "Rezultati" treba navesti sljedeće informacije:

a. U ćeliji "A1" - početna temperatura, u ćeliji "B1" - mjerne jedinice;

c. U ćeliji "A3" - aktivacijska energija električne vodljivosti, u ćeliji "B3" - mjerne jedinice;

d. U ćeliji "A4" - predeksponencijalni faktor u formuli za temperaturnu ovisnost električne vodljivosti, u ćeliji "B4" - mjerne jedinice;

e. Počevši od ćelije "A5", zaključci o radu trebaju biti jasno formulirani.

U ćelijama A1-A4 trebaju biti reference na ćelije na drugim listovima knjige proračunskih tablica na kojima su izvršeni izračuni za dobivanje prikazanog rezultata, a ne same numeričke vrijednosti! Ako ovaj zahtjev nije ispunjen, program za provjeru prikazuje poruku "Pogreška u prezentaciji informacija".

2. Ispravno izrađen graf ovisnosti logaritma električne vodljivosti o recipročnoj temperaturi, dobiven iz eksperimentalnih podataka (točke) i aproksimiran polinomom (crtom), na posebnom listu proračunskih tablica sa svim potrebnim potpisima i oznakama.

Kontrolna pitanja

1. Što se zove električna vodljivost?

2. Koje čestice određuju električnu vodljivost troske?

3. Kakva je narav temperaturne ovisnosti električne vodljivosti metala i oksidnih talina?

4. Što određuje konstantu stanice i kako je odrediti?

5. Zašto trebate koristiti izmjeničnu struju za određivanje?

6. Kako energija aktivacije električne vodljivosti ovisi o temperaturi?

7. Koji se senzori i uređaji koriste u laboratorijskoj instalaciji. Koje fizičke veličine dopuštaju registrirati?

8. Koje grafove (u kojim koordinatama) treba prikazati na temelju rezultata rada?

9. Koje fizičke i kemijske vrijednosti treba dobiti nakon obrade primarnih podataka?

10. Odlučite koja se mjerenja provode prije eksperimenta, koje vrijednosti se bilježe tijekom eksperimenta, koji se podaci odnose na primarne informacije, kakvoj se obradi podvrgavaju i koje se informacije dobivaju u ovom slučaju.

2.3 Proučavanje kinetike odsumporavanja metala troskom na simulacijskom modelu (Rad br. 15)

2.3.1 Opći podaci o kinetici odsumporavanja metala troskom

Nečistoće sumpora u čeliku, u količinama većim od 0,005 mas. %, značajno smanjuju njegova mehanička, električna, antikorozivna i druga svojstva, pogoršavaju zavarljivost metala, dovode do pojave crvene i hladnokrhkosti. Stoga je proces odsumporavanja čelika, posebno učinkovitog odvijanja troske, od velike važnosti za visokokvalitetnu metalurgiju.

Proučavanje kinetičkih zakona reakcije, identifikacija njezina mehanizma i načina toka neophodna je za učinkovitu kontrolu brzine odsumporavanja, budući da u realnim uvjetima metalurških jedinica obično se ne postiže ravnotežna raspodjela sumpora između metala i troske.

Za razliku od većine drugih nečistoća u čeliku, prijelaz sumpora iz metala u trosku je redukcijski proces, a ne oksidativni 1. [S] + 2e = (S 2–).

To znači da je za kontinuirani tijek katodnog procesa, koji dovodi do nakupljanja pozitivnih naboja na metalu, neophodan istovremeni prijelaz drugih čestica, sposobnih da doniraju elektrone metalnoj fazi. Takvi popratni anodni procesi mogu biti oksidacija aniona kisika troske ili čestica željeza, ugljika, mangana, silicija i drugih metalnih nečistoća, ovisno o sastavu čelika.

2. (O 2–) = [O] + 2e,

3. = (Fe 2+) + 2e,

4. [C] + (O 2–) = CO + 2e, 5. = (Mn 2+) + 2e.

Uzeti zajedno, katodni i bilo koji jedan anodni proces omogućavaju zapisivanje stehiometrijske jednadžbe reakcije odsumporavanja u sljedećem obliku, na primjer:

1-2. (CaO) + [S] = (CaS) + [O], H = -240 kJ/mol

1-3. + [S] + (CaO) = (FeO) + (CaS). H = -485 kJ/mol

Odgovarajući izrazi za konstante ravnoteže su

(15.1)

Očito se odabrani procesi i slično mogu odvijati istovremeno. Iz relacije (15.1) proizlazi da je stupanj odsumporavanja metala pri konstantnoj temperaturi, t.j. konstantna vrijednost konstante ravnoteže, raste s porastom koncentracije slobodnog iona kisika (O 2-) u oksidnoj talini. Doista, rast faktora u nazivniku mora se nadoknaditi smanjenjem drugog faktora kako bi odgovarao nepromijenjenoj vrijednosti konstante ravnoteže. Imajte na umu da se sadržaj slobodnih iona kisika povećava korištenjem troske s visokom bazom, bogatom kalcijevim oksidom. Analizirajući relaciju (15.2), možemo zaključiti da bi sadržaj željeznih iona (Fe 2+) u oksidnoj talini trebao biti minimalan, tj. troske trebaju sadržavati minimalnu količinu željeznih oksida. Prisutnost deoksidatora (Mn, Si, Al, C) u metalu također povećava potpunost odsumporavanja čelika zbog smanjenja sadržaja (Fe 2+) i [O].

Reakcija 1-2 je popraćena apsorpcijom topline (∆H> 0), stoga će se, kako se proces odvija, temperatura u metalurškoj jedinici opadati. Naprotiv, reakcija 1-3 je popraćena oslobađanjem topline (∆H<0) и, если она имеет определяющее значение, температура в агрегате будет повышаться.

U kinetičkom opisu odsumporavanja treba uzeti u obzir sljedeće korake procesa:

Isporuka čestica sumpora iz mase metala do granične površine sa troskom, što se ostvaruje najprije konvektivnom difuzijom, a neposredno u blizini sučelja metal-troska - molekularnom difuzijom; elektrokemijski čin dodavanja elektrona atomima sumpora i stvaranje aniona S 2–; što je adsorpcijsko-kemijski čin, uklanjanje sumpornih aniona u volumen troske, zbog molekularne, a zatim konvektivne difuzije.

Slične faze karakteristične su i za anodne stupnjeve u kojima sudjeluju atomi Fe, Mn, Si ili O 2– anioni. Svaka od faza pridonosi ukupnoj otpornosti procesa odsumporavanja. Pokretačka sila strujanja čestica kroz određeni broj zadanih otpora je razlika njihovih elektrokemijskih potencijala u neravnotežnom sustavu metal-troska ili razlika stvarnog i ravnotežnog elektrodnog potencijala na granici, koja je tome proporcionalna, tzv. prenapona .

Brzina procesa koji se sastoji od niza uzastopnih faza određena je doprinosom faze s najvećim otporom - ograničavajući pozornica. Ovisno o mehanizmu faze ograničavanja brzine, govorimo o difuzijskom ili kinetičkom načinu reakcije. Ako stupnjevi s različitim mehanizmima protoka imaju usporedive otpore, onda govore o mješovitom načinu reakcije. Otpor svakog stupnja značajno ovisi o prirodi i svojstvima sustava, koncentraciji reagensa, intenzitetu miješanja faza i temperaturi. Tako je, na primjer, brzina elektrokemijskog čina redukcije sumpora određena vrijednošću struje izmjene

(15.3)

gdje V- temperaturna funkcija, C[S] i C(S 2–) - koncentracija sumpora u metalu i troski, α - koeficijent prijenosa.

Brzina stupnja isporuke sumpora do granice faze određena je graničnom difuzijskom strujom ovih čestica

gdje D[S] je koeficijent difuzije sumpora, β je konvektivna konstanta određena intenzitetom konvekcije u talini, proporcionalna je kvadratnom korijenu linearne brzine konvektivnih strujanja u tekućini.

Dostupni eksperimentalni podaci pokazuju da se u normalnim uvjetima konvekcije taline elektrokemijski čin pražnjenja sumpornih iona odvija relativno brzo, t.j. Odsumporavanje se uglavnom inhibira difuzijom čestica u metalu ili trosku. Međutim, s povećanjem koncentracije sumpora u metalu, poteškoće u difuziji se smanjuju i način procesa se može promijeniti u kinetički. Tome također olakšava dodavanje ugljika željezu, jer pražnjenje iona kisika na granici ugljični metal - troska događa se uz značajnu kinetičku inhibiciju.

Treba imati na umu da elektrokemijski koncept interakcije metala s elektrolitima omogućuje razjasniti mehanizam procesa, detaljno razumjeti pojave koje se događaju. Istodobno, jednostavne jednadžbe formalne kinetike u potpunosti zadržavaju svoju valjanost. Konkretno, za grubu analizu eksperimentalnih rezultata dobivenih sa značajnim pogreškama, jednadžba za brzinu reakcije 1-3 može se napisati u najjednostavnijem obliku:

gdje k f i k r - konstante brzine naprijed i obrnuto. Ovaj odnos je zadovoljen ako se otopine sumpora u željezu i kalcijevog sulfida i wustita u troski mogu smatrati beskonačno razrijeđenim, a redoslijed reakcija za te reagense blizu jedinice. Sadržaj preostalih reagensa razmatrane reakcije je toliko visok da svo vrijeme interakcije ostaje praktički konstantno i njihove koncentracije mogu se uključiti u konstante k f i k r

S druge strane, ako je proces odsumporavanja daleko od ravnoteže, tada se brzina obrnute reakcije može zanemariti. Tada bi brzina odsumporavanja trebala biti proporcionalna koncentraciji sumpora u metalu. Ova verzija opisa eksperimentalnih podataka može se provjeriti ispitivanjem odnosa između logaritma brzine odsumporavanja i logaritma koncentracije sumpora u metalu. Ako je ovaj odnos linearan, a nagib ovisnosti treba biti blizak jedinici, onda je to argument u korist difuzijskog načina procesa.

2.3.2 Matematički model procesa

Mogućnost nekoliko anodnih stupnjeva uvelike komplicira matematički opis procesa odsumporavanja čelika koji sadrži mnogo nečistoća. S tim u vezi, u model su uvedena neka pojednostavljenja, posebice kinetička

Za polureakcije prijelaza željeza i kisika, u vezi s usvojenim ograničenjem kontrole difuzije, omjeri izgledaju puno jednostavnije:

(15.7)

U skladu s uvjetom elektroneutralnosti u odsutnosti struje iz vanjskog izvora, odnos između struja za pojedinačne polureakcije elektroda izražava se jednostavnim odnosom:

Razlike u prenaponima elektroda () određene su omjerima odgovarajućih proizvoda aktivnosti i konstanti ravnoteže za reakcije 1-2 i 1-3:

Vremenski derivat koncentracije sumpora u metalu određen je strujom prve polureakcije elektrode u skladu s jednadžbom:

(15.12)

Ovdje i 1 , i 2 - gustoća struje elektrodnih procesa, η 1, η 2 - njihova polarizacija, i n - ograničavajuće struje difuzije čestica ј - te sorte, i o je struja izmjene kinetičkog stupnja, C[s] je koncentracija sumpora u metalu, α je koeficijent prijenosa, P, K p je umnožak aktivnosti i konstante ravnoteže reakcije odsumporavanja, S- područje sučelja metal-troska, V Ja je volumen metala, T-temperatura, F- Faradayeva konstanta, R Je univerzalna plinska konstanta.

U skladu sa zakonima elektrokemijske kinetike, izraz (15.6) uzima u obzir inhibiciju difuzije iona željeza u trosku, budući da, sudeći prema eksperimentalnim podacima, stupanj pražnjenja-ionizacije ovih čestica nije ograničavajući. Izraz (15.5) je usporavanje difuzije čestica sumpora u trosku i metal, kao i usporavanje ionizacije sumpora na granici.

Kombinirajući izraze (15.6 - 15.12), moguće je numeričkim metodama dobiti ovisnost koncentracije sumpora u metalu o vremenu za odabrane uvjete.

U modelu su korišteni sljedeći parametri:

3)
Struja ionske izmjene sumpora:

4) Konstanta ravnoteže reakcije odsumporavanja ( DO R):

5) Omjer površine sučelja i volumena metala

7) Konvektivna konstanta (β):

Model omogućuje analizu utjecaja navedenih čimbenika na brzinu i potpunost odsumporavanja, kao i procjenu doprinosa difuzijske i kinetičke inhibicije ukupnoj otpornosti procesa.

2.3.3 Postupak rada

Slika generirana simulacijskim programom prikazana je na Sl. ... U gornjem dijelu panela prikazane su odabrane numeričke vrijednosti izmjerenih vrijednosti, na grafikonu su prikazane sve vrijednosti dobivene tijekom simulacije procesa. U oznakama komponenti taline metala i troske koriste se dodatni znakovi usvojeni u literaturi o metalurškim temama. Četvrtaste zagrade označavaju pripadnost komponente metalnoj talini, a okrugle zagrade - troski. Simboli komponenti koriste se samo za crtanje i ne smiju se uzimati u obzir pri tumačenju vrijednosti. Tijekom rada modela, u svakom trenutku, prikazuje se samo vrijednost jedne od izmjerenih vrijednosti. Nakon 6 sekundi nestaje i pojavljuje se sljedeća vrijednost. Tijekom tog vremenskog razdoblja potrebno je imati vremena za zapisivanje sljedeće vrijednosti. Da biste uštedjeli vrijeme, preporuča se ne pisati fiksne brojeve, na primjer, vodeću jedinicu u vrijednosti temperature.

Pet minuta nakon početka mjerenja po satu u gornjem desnom kutu panela za postavljanje, istovremenim pritiskom na tipke i [Br.], gdje je br. broj podešavanja, pojačajte brzinu miješanja faze.

2.3.4 Obrada i prezentacija rezultata mjerenja

Tablicu rezultata mjerenja generiranih simulacijskim programom treba dopuniti sljedećim izračunatim stupcima:

Tablica 1. Rezultati statističke obrade eksperimentalnih podataka

U tablici u prvom stupcu izračunajte vrijeme od početka procesa u minutama.

Daljnja obrada vrši se nakon grafičke konstrukcije – u prvoj fazi obrade treba nacrtati graf temperature u odnosu na vrijeme i procijeniti raspon podataka kada prijelaz sumpora prati uglavnom prijelaz željeza. U ovom rasponu razlikuju se dva područja s istim brzinama miješanja, a koeficijenti aproksimirajućih polinoma nalaze se metodom najmanjih kvadrata:

što slijedi iz jednadžbe (15.5) pod navedenim uvjetima. Uspoređujući dobivene vrijednosti koeficijenata, izvode se zaključci o načinu odvijanja procesa i stupnju približavanja sustava stanju ravnoteže. Imajte na umu da u jednadžbi (15.13) nema presjeka.

Za ilustraciju rezultata pokusa ucrtani su grafikoni ovisnosti koncentracije sumpora o vremenu i brzine odsumporavanja o koncentraciji kalcijevog sulfida u troski.

Redoslijed obrade rezultata

2. Izračunajte brzinu procesa odsumporavanja iz koncentracije sumpora u metalu, logaritama brzine i koncentracije sumpora.

3. Konstruirajte na zasebnim listovima grafikone ovisnosti temperature u jedinici u odnosu na vrijeme, mase troske u odnosu na vrijeme, brzine i vremena odsumporavanja, te logaritma brzine odsumporavanja prema logaritmu koncentracije sumpora.

4. Metodom najmanjih kvadrata procijenite odvojeno za različite brzine miješanja kinetičke karakteristike procesa odsumporavanja u skladu s jednadžbom () i redoslijed reakcije u smislu koncentracije sumpora.

Rezultati testa:

1. Ispravno dizajnirani grafikoni ovisnosti brzine procesa odsumporavanja i logaritma ove vrijednosti o vremenu, na posebnom listu tablica sa svim potrebnim potpisima.

2. Vrijednosti kinetičkih karakteristika procesa odsumporavanja u svim varijantama procesa s naznakom dimenzija (i grešaka).

3. Zaključci o radu.

Kontrolna pitanja

1. Koji su uvjeti potrebni za najpotpunije odsumporavanje metala troskom?

2. Koji anodni procesi mogu pratiti uklanjanje sumpora?

3. Koje su faze procesa prijelaza sumpora preko grane?

4. U kojim slučajevima se provodi difuzijski ili kinetički način odsumporavanja?

5. Koji je redoslijed rada?

2.4 Termografska studija procesa disocijacije prirodnih karbonata (Rad br. 16)

2.4.1 Opći zakoni disocijacije karbonata

Termogram je vremenska ovisnost temperature uzorka. Termografska metoda za proučavanje procesa toplinske razgradnje tvari postala je široko rasprostranjena nakon što su otkrivene karakteristične značajke takvih ovisnosti: "temperaturna zaustavljanja" i "područja nagnutih temperatura".

1.4

Slika 3. Ilustracija termograma:

isprekidana linija - termogram hipotetskog referentnog uzorka u kojem ne dolazi do disocijacije; puna linija je pravi uzorak s dvostupanjskom disocijacijom.

To su karakteristični dijelovi ovisnosti, unutar kojih neko vrijeme () temperatura ili ostaje konstantna (T = const), ili raste za malu količinu (T) konstantnom brzinom (T /). Pomoću numeričke ili grafičke diferencijacije moguće je s dobrom točnošću odrediti trenutke vremena i temperature početka i kraja temperaturnog zaustavljanja.

U predloženom laboratorijskom radu takva se ovisnost dobiva kontinuiranim zagrijavanjem prirodnog kalcitnog materijala čija je glavna komponenta kalcijev karbonat. Stijena koja se sastoji uglavnom od kalcita naziva se vapnenac. Vapnenac se u velikim količinama koristi u metalurgiji.

Kao rezultat kalcinacije (toplinske obrade) vapnenca endotermnom reakcijom

CaCO 3 = CaO + CO 2

dobiti vapno (CaO) - neophodnu komponentu taline troske. Proces se provodi na temperaturama ispod tališta i vapnenca i vapna. Poznato je da su karbonati i iz njih nastali oksidi međusobno praktički netopivi, pa je produkt reakcije nova čvrsta faza i plin. Izraz za konstantu ravnoteže, u općem slučaju, ima oblik:

Ovdje a- aktivnost čvrstih reagensa, - parcijalni tlak plinovitog reakcijskog produkta. U metalurgiji se također široko koristi još jedna stijena nazvana dolomit. Uglavnom se sastoji od istoimenog minerala, koji je dvostruka sol ugljične kiseline CaMg (CO 3) 2.

Kalcit, kao i svaki prirodni mineral, uz glavnu komponentu, sadrži razne nečistoće, čija količina i sastav ovise o nalazištu prirodnih minerala, pa čak i o određenom rudarskom mjestu. Raznolikost spojeva nečistoća je tolika da ih je potrebno klasificirati prema nekoj bitnoj osobini u ovom ili onom slučaju. Za termodinamičku analizu bitna značajka je sposobnost nečistoća da tvore otopine s reagensima. Pretpostavit ćemo da u mineralu nema nečistoća koje u proučavanom rasponu uvjeta (tlak i temperatura) ulaze u bilo kakve kemijske reakcije međusobno ili s glavnom komponentom ili produktom njegova raspadanja. U praksi ovaj uvjet nije u potpunosti ispunjen, budući da, na primjer, u kalcitu mogu biti prisutni karbonati drugih metala, ali sa stajališta daljnje analize, uzimanje u obzir ovih reakcija neće dati nove informacije, ali će nepotrebno zakomplicirati analiza.

Sve ostale nečistoće možemo podijeliti u tri skupine:

1. Nečistoće koje tvore otopinu s kalcijevim karbonatom. Takve se nečistoće, naravno, moraju uzeti u obzir u termodinamičkoj analizi i, najvjerojatnije, u kinetičkoj analizi procesa.

2. Nečistoće koje se otapaju u produktu reakcije - oksidu. Rješenje pitanja obračuna nečistoća ove vrste ovisi o tome koliko se brzo otapaju u čvrstom reakcijskom produktu i usko povezanom pitanju disperzije inkluzija ove vrste nečistoća. Ako su inkluzije relativno velike veličine i njihovo otapanje se odvija sporo, onda ih ne treba uzimati u obzir u termodinamičkoj analizi.

3. Nečistoće netopive u izvornom karbonatu i produktu njegovog raspadanja. Te nečistoće ne treba uzimati u obzir u termodinamičkoj analizi, kao da uopće ne postoje. U nekim slučajevima mogu utjecati na kinetiku procesa.

U najjednostavnijoj (grubo) verziji analize, dopušteno je kombinirati sve nečistoće iste vrste i smatrati ih nekom generaliziranom komponentom. Na temelju toga razlikujemo tri komponente: B1, B2 i B3. Također treba raspravljati o plinskoj fazi razmatranog termodinamičkog sustava. U laboratorijskom radu proces disocijacije se provodi u otvorenoj instalaciji koja komunicira s atmosferom prostorije. U tom je slučaju ukupni tlak u termodinamičkom sustavu konstantan i jednak jednoj atmosferi, a u plinskoj fazi se nalazi plinoviti produkt reakcije - ugljični dioksid (CO2) i komponente zračnog okoliša, pojednostavljeno - kisik i dušik. Potonji ne stupaju u interakciju s ostalim komponentama sustava, stoga se u razmatranom slučaju kisik i dušik ne razlikuju i u nastavku ćemo ih zvati neutralna plinovita komponenta B.

Temperaturna zaustavljanja i mjesta imaju termodinamičko objašnjenje. S poznatim sastavom faza, temperatura zaustavljanja može se predvidjeti termodinamičkim metodama. Može se riješiti i inverzni problem - poznatim temperaturama može se odrediti sastav faza. Predviđeno je u ovoj studiji.

Temperaturna zaustavljanja i platforme mogu se implementirati samo ako su ispunjeni određeni zahtjevi za kinetiku procesa. Prirodno je očekivati ​​da se radi o zahtjevima za praktički ravnotežnim faznim sastavima na mjestu reakcije i zanemarivim gradijentima u difuzijskim slojevima. Usklađenost s takvim uvjetima je moguća ako se brzina procesa ne kontrolira unutarnjim čimbenicima (otpor na difuziju i otpornost same kemijske reakcije), već vanjski čimbenici - brzinom dovoda topline na mjesto reakcije. Uz osnovne načine heterogene reakcije definirane u fizikalnoj kemiji: kinetički i difuzijski, ovaj se proces naziva toplinskim.

Imajte na umu da se toplinski režim procesa disocijacije u čvrstoj fazi pokazao mogućim zbog osobitosti reakcije, koja zahtijeva dovod velike količine topline, a istodobno nema faza opskrbe početnim materijalima na mjesto reakcije (budući da dolazi do razgradnje jedne tvari) i uklanjanje krutog produkta reakcije iz graničnog odvajanja faza (budući da se ova granica pomiče). Ostaju samo dvije faze povezane s difuzijom: uklanjanje CO2 kroz plinovitu fazu (očito s vrlo malim otporom) i difuzija CO2 kroz oksid, što je uvelike olakšano pucanjem oksida koji ispunjava volumen koji je prethodno zauzimao isparljivi ugljični monoksid.

Razmotrimo termodinamički sustav na temperaturama ispod temperaturnog graničnika. Prvo, pretpostavimo da u karbonatu nema nečistoća prve i druge vrste. Uzet ćemo u obzir moguću prisutnost nečistoće treće vrste, ali samo kako bismo pokazali da se to ne može učiniti. Pretpostavimo da je uzorak istraživanog praškastog kalcita sastavljen od identičnih sfernih čestica polumjera r 0. Granicu termodinamičkog sustava povlačimo na određenoj udaljenosti od površine jedne od čestica kalcita, koja je mala u odnosu na njezin polumjer, te tako u sustav uključujemo određeni volumen plinske faze.

Sustav koji se razmatra sadrži 5 tvari: CaO, CaCO3, B3, CO2, B, a neke od njih sudjeluju u jednoj reakciji. Te su tvari raspoređene u četiri faze: CaO, CaCO3, B3, plinovita faza, od kojih je svaka karakterizirana svojim inherentnim vrijednostima različitih svojstava i odvojena je od ostalih faza vidljivim (barem pod mikroskopom) sučeljem. Činjenica da je faza B3 predstavljena, najvjerojatnije, mnoštvom dispergiranih čestica neće promijeniti analizu - sve su čestice praktički identične po svojstvima i mogu se smatrati jednom fazom. Vanjski tlak je konstantan, pa postoji samo jedna vanjska varijabla - temperatura. Dakle, svi pojmovi za izračun broja stupnjeva slobode ( S) definirani su: S = (5 – 1) + 1 – 4 = 1.

Dobivena vrijednost znači da kada se temperatura (jedan parametar) promijeni, sustav će prijeći iz jednog ravnotežnog stanja u drugo, a broj i priroda faza se neće mijenjati. Promijenit će se parametri stanja sustava: temperatura i ravnotežni tlak ugljičnog dioksida i neutralnog plina B ( T , P CO2 , P B).

Strogo govoreći, ovo što je rečeno ne vrijedi za bilo koje temperature ispod temperaturnog zaustavljanja, već samo za interval kada je reakcija, koja se u početku odvija u kinetičkom režimu, prešla u toplinski režim i zaista se može govoriti o blizini parametre sustava na ravnotežne. Na nižim temperaturama sustav nije značajno ravnotežan, ali to se ne odražava na prirodu ovisnosti temperature uzorka o vremenu.

Od samog početka eksperimenta – na sobnoj temperaturi sustav je u stanju ravnoteže, ali samo zato što u njemu nema tvari koje bi mogle stupiti u interakciju. To se odnosi na kalcijev oksid koji bi u tim uvjetima (parcijalni tlak ugljičnog dioksida u atmosferi je oko 310 –4 atm, ravnotežni tlak 10 –23 atm) mogao karbonizirati. Prema jednadžbi izoterme za reakciju, napisanoj uzimajući u obzir izraz za konstantu ravnoteže (16.1) pri aktivnostima kondenziranih tvari jednakim jedinici:

promjena Gibbsove energije je pozitivna, što znači da bi se reakcija trebala odvijati u suprotnom smjeru, ali to je nemoguće jer sustavu u početku nedostaje kalcijev oksid.

S povećanjem temperature raste elastičnost disocijacije (ravnotežni tlak CO2 nad karbonatom) kako slijedi iz izobarne jednadžbe:

budući da je toplinski učinak reakcije veći od nule.

Tek pri temperaturi od oko 520 C reakcija disocijacije će postati termodinamički moguća, ali će ona započeti sa značajnim vremenskim odgodom (period inkubacije) potrebnim za nukleaciju oksidne faze. U početku će se reakcija odvijati u kinetičkom modusu, ali će se zbog autokatalize otpor kinetičke faze prilično brzo smanjiti tako da će reakcija prijeći u toplinski način. Od tog trenutka počinje vrijediti gore navedena termodinamička analiza, a temperatura uzorka će početi zaostajati za temperaturom hipotetskog referentnog uzorka, u kojem ne dolazi do disocijacije (vidi sliku 3).

Razmatrana termodinamička analiza ostat će važeća do trenutka kada elastičnost disocijacije dosegne 1 atm. U tom slučaju ugljični dioksid se kontinuirano oslobađa na površini uzorka pod tlakom od 1 atm. On istiskuje zrak, a novi dijelovi ga zamjenjuju iz uzorka. Tlak ugljičnog dioksida ne može porasti više od jedne atmosfere, budući da plin slobodno izlazi u okolnu atmosferu.

Sustav se iz temelja mijenja, jer u plinskoj fazi oko uzorka nema zraka, a u sustavu je jedna komponenta manje. Broj stupnjeva slobode u takvom sustavu sa = (4 - 1) + 1 - 4 = 0

ispada da je jednaka nuli, a dok se u njemu održava ravnoteža, nikakvi parametri stanja, uključujući temperaturu, ne mogu se promijeniti.

Sada napominjemo da svi zaključci (izračun broja stupnjeva slobode itd.) ostaju valjani ako ne uzmemo u obzir komponentu B3, koja za jedan povećava i broj tvari i broj faza, što je međusobno kompenzirano.

Pojavljuje se temperaturno zaustavljanje kada se sva ulazna toplina potroši samo za proces disocijacije. Sustav radi kao vrlo dobar regulator temperature, kada mala slučajna promjena u njemu dovodi do suprotne promjene brzine disocijacije, čime se temperatura vraća na prethodnu vrijednost. Visoka kvaliteta regulacije objašnjava se činjenicom da je takav sustav praktički inercijalan.

Kako se proces disocijacije razvija, reakcijska fronta se pomiče dublje u uzorak, dok se površina interakcije smanjuje, a debljina čvrstog reakcijskog produkta povećava, što otežava difuziju ugljičnog dioksida s mjesta reakcije na površinu uzorka. Počevši od određenog vremena, toplinski režim procesa prelazi u mješoviti, a zatim u difuzijski. Već u mješovitom načinu rada sustav će postati značajno neravnotežan, a zaključci dobiveni termodinamičkom analizom će izgubiti praktično značenje.

Zbog smanjenja brzine procesa disocijacije, potrebna količina topline će se toliko smanjiti da će se dio dolaznog toplinskog toka ponovno početi trošiti na zagrijavanje sustava. Od ovog trenutka zaustavljanje temperature prestaje, iako će se proces disocijacije i dalje nastaviti do potpunog raspadanja karbonata.

Lako je pogoditi da se za razmatrani najjednostavniji slučaj vrijednost temperature zaustavljanja može naći iz jednadžbe

Termodinamički proračun prema ovoj jednadžbi pomoću TDHT baze podataka daje temperaturu od 883 °C za čisti kalcit, i 834 °C za čisti aragonit.

Sada zakomplicirajmo analizu. Tijekom disocijacije kalcita koji sadrži nečistoće 1. i 2. vrste, kada se aktivnosti karbonata i oksida ne mogu smatrati jednakima jedinici, odgovarajući uvjet postaje složeniji:

Ako pretpostavimo da je sadržaj nečistoća mali i da se dobivene otopine mogu smatrati beskonačno razrijeđenim, onda se posljednja jednadžba može zapisati kao:

gdje je molarni udio odgovarajuće nečistoće.

Ako se dobije nagnuti temperaturni jastučić i obje temperature ( T 2 > T 1) iznad granične temperature za čisti kalcijev karbonat - K P (T 1)> 1 i K P (T 2)> 1, onda je razumno pretpostaviti da nečistoće druge vrste nema, ili nemaju vremena za otapanje () i procijeniti koncentraciju nečistoća 1. vrste na početku

a na kraju temperaturnog zaustavljanja

Nečistoća prve vrste trebala bi se u određenoj mjeri nakupljati u otopini CaCO3 - B1 kako se pomiče reakcijska fronta. U ovom slučaju, nagib platforme izražava se omjerom:

gdje je 1 udio komponente B1 koja se vraća u izvornu fazu kada je izolirana u čistom obliku; V S- molarni volumen kalcita; v C- brzina disocijacije karbonata; - toplinski učinak reakcije disocijacije na temperaturi zaustavljanja; r 0 je početni polumjer čestice kalcita.

Koristeći referentne podatke, ova se formula može koristiti za izračun v C- brzina rješenja

komponenta renija B1 u kalcitu.

2.4.2 Shema ugradnje i radni postupak

Rad proučava disocijaciju kalcijevog karbonata i dolomita različitih frakcija.

Eksperimentalna postavka prikazana je na slici 4.

Slika 4 - Instalacijski dijagram za proučavanje termograma disocijacije karbonata:

1 - korundna cijev, 2 - karbonat, 3 - termoelement, 4 - peć,

5 - autotransformator, 6 - osobno računalo s ADC pločom

Korundna cijev (1) s termoelementom (3) i ispitnim uzorkom kalcijevog karbonata (2) ugrađuje se u peć (4) zagrijanu na 1200 K. Termogram uzorka promatra se na zaslonu monitora osobnog računala. Nakon prolaska kroz izotermni dio, ponovite pokus s drugom karbonatnom frakcijom. Prilikom ispitivanja dolomita zagrijavanje se provodi dok se ne otkriju dva temperaturna zaustavljanja.

Dobiveni termogrami prikazani su na grafikonu "temperatura - vrijeme". Radi lakše usporedbe, svi termogrami trebaju biti prikazani na jednom grafikonu. Po njemu se utvrđuje temperatura intenzivnog razvoja procesa, te se uspoređuje s onom koja je pronađena iz termodinamičke analize. Izvode se zaključci o utjecaju temperature, prirode karbonata, stupnja njegove disperzije na prirodu termograma.

2.4.3 Obrada i prezentacija rezultata mjerenja

Na temelju rezultata rada potrebno je popuniti sljedeću tablicu:

Tablica 1. Rezultati istraživanja procesa disocijacije kalcijevog karbonata (dolomita)

Prva dva stupca se popunjavaju vrijednostima kada otvorite podatkovnu datoteku, a posljednje treba izračunati. Zaglađivanje se izvodi u pet točaka, numeričko diferenciranje izglađenih podataka vrši se uz dodatno zaglađivanje, također u pet točaka. Na temelju rezultata rada potrebno je izraditi dva odvojena dijagrama ovisnosti: t- i d t/ d - t .

Dobivena vrijednost zaustavljanja temperature ( T s) treba usporediti s karakterističnom vrijednošću za čisti kalcit. Ako je promatrana vrijednost veća, tada je moguće približno procijeniti minimalni sadržaj prve vrste nečistoće prema jednadžbi (16.7), uz pretpostavku da nema nečistoća druge vrste. Uoči li se suprotan odnos, onda možemo zaključiti da nečistoće druge vrste imaju glavni učinak i procijeniti njihov minimalni sadržaj uz uvjet da nema nečistoća prve vrste. Jednadžba (16.6) implicira da u potonjem slučaju

Poželjno je izračunati vrijednost konstante ravnoteže koristeći TDHT bazu podataka prema metodi opisanoj u priručniku. U ekstremnom slučaju, možete koristiti jednadžbu koja aproksimira ovisnost promjene Gibbsove energije u reakciji disocijacije kalcijevog karbonata s temperaturom:

G 0 = B 0 + B jedan · T + B 2 T 2 ,

uzimajući vrijednosti koeficijenata jednakima: B 0 = 177820, J/mol; B 1 = -162,61, J/ (mol K), B 3 = 0,00765, J · mol -1 · K -2.

Bilješka ... Ako u kolegiju "Fizikalna kemija" studenti nisu upoznati s bazom podataka TDHT i nisu izvršili odgovarajuće proračune u praktičnoj nastavi, onda se treba poslužiti Shvartsman-Temkin jednadžbe i podataka iz priručnika.

Redoslijed obrade rezultata

1. Unesite rezultate ručnog bilježenja informacija u datoteku proračunske tablice.

2. Izvršite temperaturno izravnavanje.

3. Izgradite graf temperature u odnosu na vrijeme na zasebnom listu.

4. Izvršite vremensku diferencijaciju temperaturnih vrijednosti uz glačanje u 5 točaka.

5. Konstruirajte na posebnom listu graf ovisnosti derivacije temperature tijekom vremena od temperature, odredite karakteristike mjesta.

Rezultati testa:

1. U knjizi proračunskih tablica koja je poslana na pregled, na prvoj stranici pod naslovom "Rezultati" treba navesti sljedeće informacije:

a. U ćeliji "A1" - vrijednost zaustavljanja temperature (prosjek za nagnutu platformu), u ćeliji "B1" - mjerne jedinice;

b. U ćeliji "A2" - trajanje zaustavljanja temperature, u ćeliji "B2" - mjerne jedinice;

c. U ćeliji "A3" - nagib platforme, u ćeliji "B3" - mjerne jedinice;

d. U ćeliji "A4" - vrsta nečistoće ili "0" ako prisutnost nečistoća nije otkrivena;

e. U ćeliji "A5" - molni udio nečistoće;

f. Počevši od ćelije "A7", zaključci o radu trebaju biti jasno formulirani.

U ćelijama A1, A3 i A5 trebaju biti reference na ćelije na drugim listovima knjige proračunskih tablica na kojima su izvršeni izračuni za dobivanje prikazanog rezultata, a ne same numeričke vrijednosti! Ako ovaj zahtjev nije ispunjen, program za provjeru prikazuje poruku "Pogreška u prezentaciji informacija".

2. Ispravno oblikovani grafikoni ovisnosti temperature i vremena, derivacije temperature u odnosu na vrijeme u odnosu na temperaturu i derivacije temperature u odnosu na vrijeme na zasebnim listovima proračunskih tablica sa svim potrebnim potpisima i oznakama.

3. Vrijednosti procjena zaustavnih temperatura i njihovog trajanja.

4. Zaključci o radu.

Kontrolna pitanja

1. Što određuje temperaturu početka disocijacije karbonata u zraku?

2. Zašto raste elastičnost disocijacije karbonita s porastom temperature?

3. Koliki je broj stupnjeva slobode sustava u kojem je uspostavljena ravnoteža između tvari CaO, CO 2, CaCO 3?

4. Kako će se promijeniti priroda termograma ako produkt disocijacije tvori čvrste otopine s izvornom tvari?

5. Koji režim heterogene reakcije disocijacije karbonata odgovara izotermnom presjeku termograma?

6. Kako će se promijeniti izgled termograma tijekom disocijacije polidisperznog karbonata?

7. Koja je razlika između termograma dobivenih pri ukupnom tlaku od 101,3 kPa i 50 kPa?

2.5 Studija temperaturne ovisnosti viskoznosti oksidnih talina (Rad br. 17)

2.5.1 Priroda viskoznog otpora oksidnih talina

Viskoznost je jedna od najvažnijih fizikalno-kemijskih karakteristika taline troske. Ima značajan utjecaj na difuzijsku pokretljivost iona, a time i na kinetiku interakcije metala i troske, brzinu procesa prijenosa topline i mase u metalurškim jedinicama. Proučavanje temperaturne ovisnosti viskoznosti daje neizravne informacije o strukturnim transformacijama u talinama oksida, promjenama parametara kompleksnih aniona. Sastav, a time i vrijednost viskoznosti, ovisi o namjeni troske. Tako, na primjer, kako bi se intenzivirali difuzijski stupnjevi redoks interakcije metala i troske (desulfurizacija, defosforizacija itd.), sastav troske je odabran tako da je njezina viskoznost niska. Naprotiv, kako bi se spriječio prijenos vodika ili dušika u čelik kroz trosku, iz plinske faze se uvodi troska povećane viskoznosti.

Jedna od kvantitativnih karakteristika viskoznosti može biti koeficijent dinamičke viskoznosti (η), koji je definiran kao koeficijent proporcionalnosti u Newtonovom zakonu unutarnjeg trenja

gdje F Je sila unutarnjeg trenja između dva susjedna sloja tekućine, grad υ – gradijent brzine, S- površina dodirne površine slojeva. Mjerna jedinica dinamičke viskoznosti u SI: [η] = N · s / m 2 = Pa · s.

Poznato je da je strujanje tekućine niz skokova čestica u susjedni stabilan položaj. Proces ima aktivacijski karakter. Da bi došlo do skakanja, čestica mora imati dovoljnu količinu energije u usporedbi sa svojom prosječnom vrijednošću. Višak energije potreban je za prekid kemijskih veza čestice koja se kreće i stvaranje praznine (šupljine) u volumenu taline u koju ona prelazi. S porastom temperature raste prosječna energija čestica i veći broj njih može sudjelovati u strujanju, što dovodi do smanjenja viskoznosti. Broj takvih "aktivnih" čestica raste s temperaturom prema eksponencijalnom Boltzmannovom zakonu raspodjele. Sukladno tome, ovisnost koeficijenta viskoznosti o temperaturi ima eksponencijalni oblik

gdje je η 0 koeficijent koji malo ovisi o temperaturi, Eη je energija aktivacije viskoznog strujanja. Karakterizira minimalnu zalihu kinetičke energije mola aktivnih čestica sposobnih sudjelovati u protoku.

Struktura oksidnih talina ima značajan utjecaj na koeficijent viskoznosti. Za razliku od gibanja iona pod djelovanjem električnog polja, u viskoznom strujanju sve se čestice tekućine gibaju u smjeru gibanja uzastopno. Najinhibiranija faza je kretanje velikih čestica koje daju najveći doprinos vrijednosti η. Kao rezultat, ispada da je energija aktivacije viskoznog strujanja veća od one za električnu vodljivost ( E η > E).

U kiselim troskama koje sadrže okside Si, P, B, koncentracija velikih kompleksnih aniona u obliku lanaca, prstenova, tetraedara i drugih prostornih struktura (npr.

itd.). Prisutnost velikih čestica povećava viskoznost taline, jer njihovo premještanje zahtijeva više energije od malih.

Dodatak bazičnih oksida (CaO, MgO, MnO) dovodi do povećanja koncentracije jednostavnih kationa (Ca 2+, Mg 2+, Mn 2+) u talini. Uvedeni anioni O 2– potiču depolimerizaciju taline; razgradnja kompleksnih aniona, npr.

Kao rezultat toga, viskoznost troske se smanjuje.

Ovisno o temperaturi i sastavu, viskoznost metalurške troske može varirati u prilično širokom rasponu (0,01 - 1 Pa · s). Ove su vrijednosti za redove veličine veće od viskoznosti tekućih metala, što je posljedica prisutnosti relativno velikih jedinica protoka u troske.

Smanjena eksponencijalna ovisnost η na T(17.2) dobro opisuje eksperimentalne podatke za osnovne troske koje sadrže manje od 35 mol. % SiO 2. U takvim talinama energija aktivacije viskoznog strujanja Eη je konstantan i mali (45 - 80 kJ / mol). Kako temperatura pada, η se neznatno mijenja i počinje intenzivno rasti tek tijekom skrućivanja.

U kiselim troskama s visokom koncentracijom komponenata za kompleksiranje, energija aktivacije može se smanjiti s povećanjem temperature: E η = E 0 / T, što je uzrokovano smanjenjem složenih aniona pri zagrijavanju. U ovom slučaju, eksperimentalni podaci su linearizirani u koordinatama « lnη - 1 / T 2 ".

2.5.2 Opis instalacije i metode mjerenja viskoznosti

Za mjerenje indeksa viskoznosti koristi se rotacijski viskozimetar (slika 5). Uređaj i princip rada ovog uređaja je sljedeći. Ispitna tekućina (2) stavlja se u cilindrični lončić (1), u koji je uronjeno vreteno (4), obješeno na elastičnu vrpcu (5). Tijekom pokusa, moment s elektromotora (9) se prenosi na disk (7), s njega preko strune na vreteno.

Viskoznost taline oksida ocjenjuje se po kutu zavoja strune, koji se određuje skalom (8). Kada se vreteno okreće, viskozni otpor tekućine stvara kočni moment sila koje uvijaju strunu sve dok trenutak elastične deformacije strune ne postane jednak momentu sila viskoznog otpora. U tom će slučaju brzine vrtnje diska i vretena biti iste. U skladu s tim stanjem, kut zavoja strune (∆φ) može se izmjeriti uspoređivanjem položaja strelice (10) u odnosu na ljestvicu: početni - prije uključivanja elektromotora i stabilan - nakon uključivanja. Očito je da je kut zavoja strune ∆φ veći što je viskoznost tekućine η veća. Ako deformacije strune ne prelaze granične (što odgovara izvedivosti Hookeovog zakona), tada je vrijednost ∆φ proporcionalna η i možemo napisati:

Koeficijent jednadžbe k, nazvana konstanta viskozimetra, ovisi o dimenzijama lončića i vretena, kao i o elastičnim svojstvima strune. Sa smanjenjem promjera strune povećava se osjetljivost viskozimetra.

Slika 5 - Shema instalacije za mjerenje viskoznosti:

1 - lončić, 2 - ispitana talina, 3 - glava vretena,

4 - vreteno, 5 - struna, 6 - gornji dio instalacije, 7 - disk,

8 - vaga, 9 - elektromotor, 10 - strelica, 11 - pećnica, 12 - transformator,

13 - uređaj za kontrolu temperature, 14 - termoelement.

Odrediti konstantu viskozimetra k u lončić se stavlja tekućina poznate viskoznosti – otopina kolofonija u transformatorskom ulju. U tom slučaju u eksperimentu na sobnoj temperaturi određuje se ∆φ0. Zatim, znajući viskozitet (η0) referentne tekućine na danoj temperaturi, izračunajte k prema formuli:

Pronađena vrijednost k koristi se za izračunavanje koeficijenta viskoznosti oksidne taline.

2.5.3 Postupak rada

Za upoznavanje viskoznih svojstava metalurške troske u ovom laboratorijskom radu proučava se talina Na 2 O 2B 2 O 3. Mjerenja se provode u temperaturnom rasponu od 850–750 o C. Nakon postizanja početne temperature (850 o C), igla viskozimetra se postavlja na nulu. Zatim uključuju elektromotor i fiksiraju stacionarni kut uvijanja strune ∆φ t . Bez isključivanja viskozimetra, ponovite mjerenje ∆φ t na drugim temperaturama. Eksperiment se prekida kada kut zavoja strune počne prelaziti 720°.

2.5.4 Obrada i prezentacija rezultata mjerenja

Prema rezultatima mjerenja ispunite sljedeću tablicu.

Tablica 1. Temperaturna ovisnost viskoznosti

U tablici su prva dva stupca ispunjena prema rezultatima ručnog snimanja očitanja temperature na zaslonu monitora i kuta uvijanja niti na skali viskozimetra. Ostali stupci se izračunavaju.

Da bi se provjerila izvedivost eksponencijalnog zakona promjene koeficijenta viskoznosti s temperaturom (17.2), crta se graf u koordinatama "Ln (η) - 10 3 / T". Energija aktivacije nalazi se pomoću funkcije LINEST () (OpenOffice.Calc) ili LINEST () (MicrosoftOffice.Exel) primjenom na peti i šesti stupac tablice.

U zaključcima se uspoređuju dobiveni podaci η i E η s onima poznatim za metalurške troske, te se raspravlja o prirodi temperaturne ovisnosti viskoznosti i njezinoj povezanosti sa strukturnim promjenama u talini.

Redoslijed obrade rezultata

1. Izvršite mjerenja na kalibracijskoj ćeliji i izračunajte konstantu podešavanja

2. Unesite rezultate ručnog bilježenja informacija u datoteku proračunske tablice.

3. Izračunajte vrijednosti viskoziteta.

4. Konstruirajte graf viskoznosti u odnosu na temperaturu na zasebnom listu.

5. Izračunajte log viskozitet i recipročnu apsolutnu temperaturu za cijeli skup mjerenja.

6. Nađite koeficijente metodom najmanjih kvadrata b 0 , b 1 jednadžbe koja aproksimira ovisnost logaritma viskoznosti o recipročnoj temperaturi, te izračunati energiju aktivacije.

7. Konstruirajte graf ovisnosti logaritma viskoznosti o recipročnoj temperaturi na zasebnom listu i dajte aproksimirajuću ovisnost Rezultati testa:

1. U knjizi proračunskih tablica koja je poslana na pregled, na prvoj stranici pod naslovom "Rezultati" treba navesti sljedeće informacije:

a. U ćeliji "A1" - početna temperatura, u ćeliji "B1" - mjerne jedinice;

b. U ćeliji "A2" - konačna temperatura, u ćeliji "B2" - mjerne jedinice;

c. U ćeliji "A3" - energija aktivacije viskoznog toka pri niskim temperaturama, u ćeliji "B3" - mjerne jedinice;

d. U ćeliji "A4" - predeksponencijalni faktor u formuli za temperaturnu ovisnost električne vodljivosti pri niskim temperaturama, u ćeliji "B4" - mjerne jedinice;

e. U ćeliji "A5" - energija aktivacije viskoznog toka pri visokim temperaturama, u ćeliji "B5" - mjerne jedinice;

f. U ćeliji "A6" - predeksponencijalni faktor u formuli za temperaturnu ovisnost električne vodljivosti pri visokim temperaturama, u ćeliji "B6" - mjerne jedinice;

g. Počevši od ćelije "A7", zaključci o radu trebaju biti jasno formulirani.

U ćelijama A1-A6 trebaju biti reference na ćelije na drugim listovima knjige proračunskih tablica na kojima su izvršeni izračuni da bi se dobio prikazani rezultat, a ne same numeričke vrijednosti! Ako ovaj zahtjev nije ispunjen, program za provjeru prikazuje poruku "Pogreška u prezentaciji informacija".

2. Ispravno oblikovani grafovi viskoznosti u odnosu na temperaturu i logaritam viskoznosti prema recipročnoj temperaturi, dobiveni iz eksperimentalnih podataka (točke) i aproksimirani polinomom (crtom), na zasebnim listovima proračunskih tablica sa svim potrebnim oznakama. Kontrolna pitanja

1. U kojem su obliku komponente oksidne taline, koje se sastoje od CaO, Na 2 O, SiO 2, B 2 O 3, Al 2 O 3?

2. Što se zove koeficijent viskoznosti?

3. Kako će se promijeniti temperaturna ovisnost viskoznosti troske pri dodavanju bazičnih oksida u nju?

4. U kojim jedinicama se mjeri viskoznost?

5. Kako se određuje konstanta viskozimetra?

6. Što određuje energiju aktivacije viskoznog strujanja?

7. Koji je razlog pada viskoznosti s porastom temperature?

8. Kako se izračunava energija aktivacije viskoznog strujanja?

2.6 Redukcija mangana iz taline oksida u čelik

(Djelo br. 18)

2.6.1 Opći zakoni elektrokemijske interakcije metala i troske

Procesi interakcije tekućeg metala s rastaljenom troskom od velike su tehničke važnosti i odvijaju se u mnogim metalurškim postrojenjima. Produktivnost ovih jedinica, kao i kvaliteta gotovog metala, uvelike je određena brzinom i potpunošću prijelaza određenih elemenata preko granice faze.

Istodobna pojava značajnog broja fizikalnih i kemijskih procesa u različitim fazama, visoke temperature, prisutnost hidrodinamičkih i toplinskih tokova otežavaju eksperimentalno proučavanje procesa međudjelovanja faza u industrijskim i laboratorijskim uvjetima. Takvi složeni sustavi istražuju se pomoću modela koji odražavaju pojedinačne, ali najznačajnije aspekte predmeta koji se razmatra. U ovom radu matematički model procesa koji se odvijaju na granici metal - troska omogućuje analizu promjene volumnih koncentracija komponenti i brzine njihovog prijelaza kroz graničnu površinu u funkciji vremena.

Redukcija mangana iz taline oksida događa se elektrokemijskom polureakcijom:

(Mn 2+) + 2e =

Popratni procesi moraju biti oksidacijski procesi. Očito, ovo bi mogao biti proces oksidacije željeza.

= (Fe2 +) + 2e

ili nečistoće u sastavu čelika, kao što je silicij. Budući da četveronabijeni silicijevi ion ne može biti u troski, ovaj proces je popraćen stvaranjem silicij-kisik tetraedra u skladu s elektrokemijskom polureakcijom:

4 (O 2-) = (SiO 4 4-) + 4e

Neovisan tok samo jedne od zadanih elektrodnih polureakcija je nemoguć, jer to dovodi do nakupljanja naboja u električnom dvostrukom sloju na sučelju, što sprječava prijelaz tvari.

Ravnotežno stanje za svaki od njih karakterizira ravnotežni elektrodni potencijal ()

gdje je standardni potencijal, su aktivnosti oksidiranog i reduciranog oblika tvari, z- broj elektrona koji sudjeluju u elektrodnom procesu, R- univerzalna plinska konstanta, F- Faradayeva konstanta, T- temperatura.

Redukcija mangana iz troske u metal ostvaruje se kao rezultat zajedničkog nastupa najmanje dvije elektrodne polureakcije. Njihove su brzine postavljene tako da nema nakupljanja naboja na sučelju. U ovom slučaju, potencijal metala poprima stacionarnu vrijednost, pri kojoj su brzine stvaranja i asimilacije elektrona iste. Razlika između stvarnog, t.j. stacionarni, potencijal i njegova ravnotežna vrijednost, naziva se polarizacija (prenapon) elektrode,. Polarizacija karakterizira stupanj do kojeg je sustav uklonjen iz ravnoteže i određuje brzinu prijelaza komponenti preko granice faze u skladu sa zakonima elektrokemijske kinetike.

Sa stajališta klasične termodinamike u sustavu u jednom ili drugom smjeru odvijaju se procesi redukcije mangana iz troske silicijem otopljenim u željezu:

2 (MnO) + = 2 + (SiO 2) H = -590 kJ/mol

i samo otapalo (oksidacija mangana sa željeznim oksidom u troski

(MnO) + = + (FeO) =. H = 128 kJ/mol

Sa stajališta formalne kinetike, brzina prve reakcije, određena, na primjer, promjenom sadržaja silicija u metalu daleko od ravnoteže u kinetičkom režimu, trebala bi ovisiti o umnošku koncentracija manganovog oksida u troske i silicija u metalu u određenim stupnjevima. U difuzijskom načinu, brzina reakcije trebala bi linearno ovisiti o koncentraciji komponente čija je difuzija otežana. Slično se može zaključiti i za drugu reakciju.

Konstanta ravnoteže reakcije, izražena kroz aktivnosti

je funkcija samo temperature.

Omjer ravnotežnih koncentracija mangana u troski i metalu

naziva se koeficijent raspodjele mangana, koji, nasuprot tome, ovisi o sastavu faza i služi kao kvantitativna karakteristika raspodjele ovog elementa između troske i metala.

2.6.2 Model procesa

U simulacijskom modelu razmatraju se tri elektrodne polureakcije koje se mogu dogoditi između taline oksida CaO - MnO - FeO - SiO 2 - Al 2 O 3 i tekućeg željeza koje sadrži Mn i Si kao nečistoće. Napravljena je pretpostavka o difuzijskom režimu njihova strujanja. Uzima se u obzir inhibicija difuzije Fe 2+ čestica u trosku, silicija u metalu, mangana u obje faze. Opći sustav jednadžbi koji opisuju model ima oblik

gdje υ ј - brzina polureakcije elektrode, η j- polarizacija, i J- gustoća granične difuzijske struje, D j- koeficijent difuzije, β - konvektivna konstanta, C j- koncentracija.

Program simulacijskog modela omogućuje rješavanje sustava jednadžbi (18.4) - (18.8), koji omogućuje da se utvrdi kako se volumna koncentracija komponenti i brzina njihovog prijelaza mijenja s vremenom kada metal stupi u interakciju s troskom. Prikazuju se rezultati izračuna. Informacije primljene sa zaslona monitora uključuju grafički prikaz promjena koncentracija glavnih komponenti, njihovih trenutnih vrijednosti, kao i vrijednosti konstanti temperature i konvekcije (slika 8).

Blok dijagram programa za simulacijski model interakcije metala i troske prikazan je na slici 7. Program radi u ciklusu koji se zaustavlja tek nakon navedenog vremena simulacije (cca 10 minuta).

Slika 7 - Blok dijagram programa simulacijskog modela

2.6.3 Postupak rada

Slika generirana simulacijskim programom prikazana je na slici 8 (desna ploča). U gornjem dijelu panela prikazane su odabrane numeričke vrijednosti izmjerenih vrijednosti, na grafikonu su prikazane sve vrijednosti dobivene tijekom simulacije procesa. U oznakama komponenti taline metala i troske koriste se dodatni znakovi usvojeni u literaturi o metalurškim temama. Četvrtaste zagrade označavaju pripadnost komponente metalnoj talini, a okrugle zagrade - troski. Simboli komponenti koriste se samo za crtanje i ne smiju se uzimati u obzir pri tumačenju vrijednosti. Tijekom rada modela, u svakom trenutku, prikazuje se samo vrijednost jedne od izmjerenih vrijednosti. Nakon 6 sekundi nestaje i pojavljuje se sljedeća vrijednost. Tijekom tog vremenskog razdoblja potrebno je imati vremena za zapisivanje sljedeće vrijednosti. Da biste uštedjeli vrijeme, preporuča se ne pisati fiksne brojeve, na primjer, vodeću jedinicu u vrijednosti temperature.

Slika 8. Slika ekrana monitora pri izvođenju posla br. 18 u različitim fazama procesa.

Četiri do pet minuta nakon početka instalacije u trosku dodajte zagrijani manganov oksid, što se ostvaruje istovremenim pritiskom tipke Alt i numeričke tipke na glavnoj tipkovnici s brojem vaše instalacije. Redoslijed obrade rezultata:

1. Unesite rezultate ručnog bilježenja informacija u datoteku proračunske tablice.

2. Izračunajte brzine procesa prijelaza elemenata kroz sučelje i logaritme tih vrijednosti prije i nakon dodavanja manganovog oksida u trosku s masom taline metala 1400 kg.

3. Konstruirajte na zasebnim listovima grafikone ovisnosti temperature u odnosu na vrijeme, brzine prijelaza mangana u odnosu na vrijeme, logaritma brzine prijelaza silicija naspram logaritma koncentracije silicija u metalu.

4. Metodom najmanjih kvadrata procijenite kinetičke karakteristike procesa prijelaza silicija.

Rezultati testa:

1. Ispravno oblikovane karte, navedene u prethodnom odjeljku, na posebnom listu proračunskih tablica sa svim potrebnim potpisima i oznakama.

2. Vrijednosti redoslijeda reakcije oksidacije silicija prije i nakon uvođenja manganovog oksida s naznakom grešaka.

3. Zaključci o radu.

Kontrolna pitanja

1. Zašto postoji potreba za modeliranjem procesa proizvodnje čelika?

2. Kakva je priroda interakcije metala sa troskom i kako se ona očituje?

3. Koji se potencijal naziva stacionarnim?

4. Koji se potencijal naziva ravnotežnim?

5. Što se naziva polarizacija elektroda (prenapon)?

6. Kako se naziva koeficijent raspodjele mangana između metala i troske?

7. Što određuje konstantu raspodjele mangana između metala i troske?

8. Koji čimbenici utječu na brzinu prijelaza mangana iz metala u trosku u difuzijskom načinu rada?

Bibliografija

1. Linchevsky, B.V. Tehnika metalurškog eksperimenta [Tekst] / B.V. Linchevsky. - M .: Metalurgija, 1992 .-- 240 str.

2. Arsentiev, P.P. Fizikalno-kemijske metode istraživanja metalurških procesa [Tekst]: udžbenik za sveučilišta / P.P. Arsentijev, V.V. Yakovlev, M.G. Krašeninnikov, L.A. Pronin i drugi - M .: Metalurgija, 1988 .-- 511 str.

3. Popel, S.I. Interakcija rastaljenog metala s plinom i troskom [Tekst]: studijski vodič / S.I. Popel, Yu.P. Nikitin, L.A. Barmin i drugi - Sverdlovsk: ur. UPI im. CM. Kirov, 1975, - 184 str.

4. Popel, S.I. Teorija metalurških procesa [Tekst]: udžbenik / S.I. Popel, A.I. Sotnikov, V.N. Boronenkov. - M .: Metalurgija, 1986 .-- 463 str.

5. Lepinskikh, B.M. Transportna svojstva taline metala i troske [Tekst]: Priručnik / B.M. Lepinskikh, A.A. Belousov / Pod. izd. Vatolina N.A. - M .: Metalurgija, 1995 .-- 649 str.

6. Belay, G.E. Organizacija metalurškog eksperimenta [Tekst]: udžbenik / G.E. Belay, V.V. Dembovski, O.V. Sotsenko. - M .: Kemija, 1982 .-- 228 str.

7. Panfilov, A.M. Proračun termodinamičkih svojstava pri visokim temperaturama [Elektronski izvor]: nastavno pomagalo za studente metalurških i fizičko-tehničkih fakulteta svih oblika obrazovanja / A.M. Panfilov, N.S. Semenova - Jekaterinburg: USTU-UPI, 2009.-- 33 str.

8. Panfilov, A.M. Termodinamički proračuni u Excel tablicama [Elektronički izvor]: smjernice za studente metalurških i fizičko-tehničkih fakulteta svih oblika obrazovanja / A.M. Panfilov, N.S. Semenova - Jekaterinburg: USTUUPI, 2009.-- 31 str.

9. Kratki priručnik fizikalnih i kemijskih veličina / Pod. izd. A.A. Ravdel i A.M. Ponomarjov. L.: Kemija, 1983 .-- 232 str.

Da biste suzili rezultate pretraživanja, možete precizirati svoj upit navođenjem polja za pretraživanje. Popis polja je prikazan gore. Na primjer:

Možete pretraživati ​​po nekoliko polja istovremeno:

Logički operatori

Zadani operator je I.
Operater I znači da dokument mora odgovarati svim elementima u grupi:

Istraživanje i razvoj

Operater ILI znači da dokument mora odgovarati jednoj od vrijednosti u grupi:

studija ILI razvoj

Operater NE isključuje dokumente koji sadrže ovaj element:

studija NE razvoj

Vrsta pretraživanja

Prilikom pisanja zahtjeva možete odrediti način na koji će se fraza tražiti. Podržane su četiri metode: pretraživanje s morfologijom, bez morfologije, traženje prefiksa, traženje izraza.
Prema zadanim postavkama, pretraživanje se izvodi uzimajući u obzir morfologiju.
Za pretraživanje bez morfologije, samo stavite znak dolara ispred riječi u frazi:

$ studija $ razvoj

Da biste tražili prefiks, morate staviti zvjezdicu nakon zahtjeva:

studija *

Da biste tražili izraz, morate upit staviti u dvostruke navodnike:

" istraživanje i razvoj "

Traži po sinonimima

Da biste uključili sinonime riječi u rezultate pretraživanja, stavite hash " # "ispred riječi ili prije izraza u zagradama.
Kada se primijeni na jednu riječ, za nju će se pronaći do tri sinonima.
Kada se primijeni na izraz u zagradama, sinonim će se dodati svakoj riječi ako se pronađe.
Ne može se kombinirati s pretraživanjem bez morfologije, pretraživanjem po prefiksu ili pretraživanjem po frazi.

# studija

Grupiranje

Da biste grupirali izraze za pretraživanje, morate koristiti zagrade. To vam omogućuje da kontrolirate booleovu logiku zahtjeva.
Na primjer, trebate napraviti zahtjev: pronaći dokumente čiji je autor Ivanov ili Petrov, a naslov sadrži riječi istraživanje ili razvoj:

Približno pretraživanje riječi

Za približna pretraga morate staviti tildu " ~ "na kraju riječi iz fraze. Na primjer:

brom ~

Pretraživanje će pronaći riječi kao što su "brom", "rum", "prom" itd.
Možete dodatno odrediti maksimalni iznos moguće izmjene: 0, 1 ili 2. Na primjer:

brom ~1

Prema zadanim postavkama, dopuštena su 2 uređivanja.

Kriterij blizine

Za pretraživanje po blizini, morate staviti tildu " ~ "na kraju izraza. Na primjer, da biste pronašli dokumente s riječima istraživanje i razvoj unutar 2 riječi, upotrijebite sljedeći upit:

" Istraživanje i razvoj "~2

Relevantnost izraza

Koristiti " ^ „na kraju izraza, a zatim naznačite razinu relevantnosti ovog izraza u odnosu na ostale.
Što je viša razina, to je izraz relevantniji.
Na primjer, u ovom izrazu riječ "istraživanje" je četiri puta relevantnija od riječi "razvoj":

studija ^4 razvoj

Prema zadanim postavkama, razina je 1. Dopuštene vrijednosti su pozitivan realni broj.

Intervalna pretraga

Da biste označili interval u kojem treba biti vrijednost polja, navedite granične vrijednosti u zagradama, odvojene operatorom DO.
Provest će se leksikografsko sortiranje.

Takav će upit vratiti rezultate s autorom u rasponu od Ivanova do Petrova, ali Ivanov i Petrov neće biti uključeni u rezultat.
Za uključivanje vrijednosti u interval koristite uglaste zagrade. Koristite vitičaste zagrade da biste isključili vrijednost.