Agenția Federală pentru Educație

GOU VPO „Statul Ural Universitate tehnica- UPI"

A.M. Panfilov

Ediție de text electronic educațional

Întocmit de Departamentul de Teoria Proceselor Metalurgice

Editor științific: Prof., Dr. chimic. Științe M.A. Spiridonov

Orientări pentru lucrul de laborator la disciplinele „Chimia fizică a sistemelor și proceselor metalurgice”, „Teoria proceselor metalurgice” pentru studenții de toate formele de învățământ la specialitățile metalurgice.

Regulile de organizare a muncii în atelierul „Teoria proceselor metalurgice” al Departamentului de TMP (publicul de specialitate

Mt-431 im. O.A. Da). Sunt descrise metodologia și procedura pentru efectuarea lucrărilor de laborator, cerințele pentru conținutul și proiectarea rapoartelor privind activitatea de laborator în conformitate cu GOST-urile actuale și recomandări pentru implementarea acestora.

© GOU VPO USTU-UPI, 2008

Ekaterinburg

Introducere ................................................ . ................................................ .. ............................................... 4

1 Organizarea lucrului într-un atelier de laborator privind teoria proceselor metalurgice ............... 4

1.1 Pregătirea pentru munca de laborator................................................. . .............................................. 5 1.2 Recomandări privind prelucrarea rezultatelor măsurătorilor și pregătirea unui raport ................................................ ... 5

1.3.1 Trasare ............................................................. ............ ................................................ ........... ................... 5

1.3.2 Netezirea datelor experimentale............................................. ............................. ................................. ..... 7

1.3.5 Diferențierea numerică a unei funcții definite printr-o mulțime de puncte discrete.................................. 8

aproximarea unor seturi de date ................................................. ............ ................................................. 9

1.3.7 Prezentarea rezultatelor.................................................. ........................................................ ....... ....... 10

2 Descrierea lucrărilor de laborator.................................................. ........................................................ ....... ............. unsprezece

2.1 Studiul cineticii oxidării fierului la temperatură înaltă (Lucrarea nr. 13) ................................ .............. 12

2.1.1 Modele generale de oxidare a fierului .......................................... ............................. ................................. .................... 12 2.1.2 Descrierea configurației și a procedurii de realizare a experimentelor .............. .. ............................................... ... .. 14

2.1.3 Prelucrarea și prezentarea rezultatelor măsurătorilor ............................................... ................. ................... 15

Întrebări de control................................................. ................................................. . .............. 17

2.2 Studiul dependenței de temperatură a conductibilității electrice a topiturii de oxid

(Lucrarea nr. 14) ............................................. ................................................... .. .......................................... nouăsprezece

2.2.1 Informații generale despre natura conductibilității electrice a zgurii ................................... .......................... 19

2.2.2 Descrierea procedurii de configurare și de măsurare.................................. ....... ................................. 21

2.2.3 Cum se face treaba................................................ .......................................................... ......... ..... 23

2.2.4 Prelucrarea și prezentarea rezultatelor măsurătorilor........................................... ...................... ................... 24

Întrebări de control................................................. ................................................. . .............. 25

2.3 Studiul cineticii desulfurării metalelor prin zgură pe un model de simulare (Lucrarea nr.

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

2.3.1 Informații generale despre cinetica desulfurării metalelor prin zgură ..................................... ......................... ..... 26

2.3.2 Modelul matematic al procesului............................................. ............................................................. .. 29

2.3.3 Procedura de lucru ............................................. ................ ................................. ................ ...... treizeci

2.3.4 Prelucrarea și prezentarea rezultatelor măsurătorilor ............................................... ................. ................... 31

Întrebări de control................................................. ................................................. . .............. 32

2.4 Studiul termografic al proceselor de disociere a carbonaților naturali (Lucrarea nr. 16) 33

2.4.1 Modele generale de disociere a carbonatului .......................................... .................... ...................... 33

2.4.2 Schema de instalare și metoda de lucru ........................................ .............................................. 39

2.4.3 Prelucrarea și prezentarea rezultatelor măsurătorilor ............................................... ................. ................... 39

Întrebări de control................................................. ................................................. . .............. 41

2.5 Studierea dependenței de temperatură a vâscozității topiturii de oxid (Lucrarea nr. 17) .............. 42

2.5.1 Natura rezistenței vâscoase a topiturii de oxid .................................. ........ ................ 42

2.5.2 Descrierea procedurii de configurare și de măsurare a vâscozității ............................. ........................ ................. 43

2.5.3 Procedura de lucru ............................................. ................ ................................. ................ ...... 45

2.5.4 Prelucrarea și prezentarea rezultatelor măsurătorilor ............................................... ................. ................... 45 Întrebări de securitate ........... ....................... ................................. .......................................................... ............. 46

2.6 Recuperarea manganului din topitura de oxid în oțel (Lucrarea nr. 18)

2.6.1 Legile generale ale interacțiunii electrochimice a metalului și zgurii ............... 47

2.6.2 Modelul procesului............................................. ................. ................................ ............................................. 49

2.6.3 Procedura de lucru ................................................ ................. ................................ ................. ...... 50

Întrebări de control................................................. ................................................. . .............................. 52 Referințe .................. ............................ ................................ .......................................................... .......................... ..... 53

STP USTU-UPI 1-96	Standard de întreprindere. Cerințe generaleși reguli de înregistrare a proiectelor (lucrărilor) de diplomă și curs.
GOST R 1.5-2002	GSS. Standarde. Cerințe generale pentru construcție, prezentare, proiectare, conținut și desemnare.
GOST 2.105-95	ESKD. Cerințe generale pentru documentele text.
GOST 2.106-96	ESKD. Documente text.
GOST 6.30 2003	USD. Sistem unificat de documentație organizatorică și administrativă. Cerințe de documentare.
GOST 7.32-2001	SIBID. Raport de cercetare.
GOST 7,54-88	SIBID. Reprezentarea datelor numerice privind proprietățile substanțelor și materialelor în documente științifice și tehnice. Cerințe generale.
GOST 8.417-2002	GSOEI. Unități

Denumiri și abrevieri

	Standard de stat fostul standard URSS sau interstatal (în prezent).
	Standard adoptat Comitetul de Stat Federația Rusă pentru Standardizare și Metrologie (Gosstandart al Rusiei) sau Comitetul de Stat al Federației Ruse pentru Politica Locuințelor și Construcțiilor (Gosstroy al Rusiei).
	Sistemul de stat standardizare.
	Sistem de stat pentru asigurarea uniformității măsurătorilor.
	Tehnologia de informație
	Metoda celor mai mici pătrate
	Calculator personal
	Standard de întreprindere
	Teoria proceselor metalurgice

Introducere

Efectuarea lucrărilor de laborator pentru a studia proprietățile sistemului metal-zgură și procesele care au loc în unitățile metalurgice vă permite să înțelegeți mai bine capacitățile metodei fizico-chimice de analiză și să obțineți abilități în aplicarea sa practică. În plus, studentul se familiarizează cu implementarea unor metode de cercetare experimentală și model a proprietăților fizice și chimice individuale și a proceselor metalurgice în general, dobândește abilitățile de prelucrare, analiză și prezentare a informațiilor experimentale.

1 Organizarea lucrărilor într-un atelier de laborator de teoria proceselor metalurgice

În atelierul de laborator despre teoria proceselor metalurgice, principalul lucru este colecția computerizată a informațiilor experimentale. Aceasta determină o serie de caracteristici ale organizării muncii:

Fiecare elev primește sarcina individuală, realizează întregul experiment sau o parte specificată a acestuia și prelucrează informațiile primite. Rezultatul lucrării include caracteristicile numerice obținute ale fenomenului studiat și erorile în determinarea acestora, grafice care ilustrează caracteristicile identificate și concluziile obținute din întregul set de informații. Discrepanța dintre rezultatele cantitative ale lucrărilor date în rapoartele studenților, în comparație cu estimările de control, nu trebuie să depășească 5%.

Principala opțiune de prezentare a rezultatelor este prelucrarea datelor experimentale, trasarea graficelor și formularea concluziilor în foile de calcul Microsoft.Excel sau OpenOffice.Calc.

Cu permisiunea profesorului, este permisă temporar depunerea unui raport de mână cu ilustrațiile necesare și graficele realizate pe hârtie milimetrată.

Un raport cu privire la lucrările de laborator finalizate se înaintează profesorului care conduce atelierul de laborator cel târziu în ziua lucrătoare care precedă următoarea lucrare de laborator. Ordinea de transmisie (conform e-mail, în timpul unei pauze la orice profesor sau asistent de laborator care predă în prezent cursuri) este determinată de profesor.

Studenții care nu au depus la timp un raport asupra lucrărilor anterioare și nu au promovat colocviul (testarea) nu au voie la următoarea lucrare de laborator.

Numai studenții care au promovat un briefing introductiv privind măsurile de lucru în siguranță într-un atelier de laborator și au semnat fișa de informare au dreptul să efectueze lucrări de laborator.

Lucrările cu aparate electrice de încălzire și măsurare, cu sticlă chimică și reactivi se efectuează în conformitate cu instrucțiunile de siguranță din laborator.

După finalizarea lucrării, studentul pune în ordine locul de muncă și îl predă asistentului de laborator.

1.1 Pregătirea pentru laborator

Principalele surse de pregătire pentru lecție sunt acest manual, manualele și materialele didactice recomandate de lector, note de curs.

Pregătindu-se pentru lucrul de laborator, elevul în săptămâna anterioară lecției trebuie să citească și să înțeleagă materialul legat de fenomenul studiat, să înțeleagă schemele din manual în proiectarea instalației și tehnica de măsurare și prelucrarea rezultatelor acestora. În caz de dificultăți, este necesar să se folosească literatura recomandată și consultările lectorului și profesorilor care desfășoară orele de laborator.

Pregătirea elevului de a efectua munca este controlată de profesor printr-un sondaj individual al fiecărui elev sau prin efectuarea de teste pe calculator. Un elev insuficient pregătit este obligat să studieze materialul aferent acestei lucrări în timpul lecției și să efectueze partea experimentală a lucrării într-o lecție suplimentară după reverificare. Timpul și procedura de desfășurare a cursurilor repetate este reglementată de un program special.

1.2 Recomandări pentru prelucrarea rezultatelor măsurătorilor și raportare

Conform GOST 7.54-88, datele numerice experimentale ar trebui să fie prezentate sub formă de tabele cu titluri. Pentru fiecare laborator sunt furnizate exemple de tabele.

Atunci când se prelucrează rezultatele măsurătorilor, este necesar să se utilizeze procesarea statistică: se aplică netezirea datelor experimentale, se utilizează metoda celor mai mici pătrate la estimarea parametrilor de dependență etc. și asigurați-vă că evaluați eroarea valorilor obținute. Pentru a efectua o astfel de prelucrare, foile de calcul oferă funcții statistice speciale. Setul necesar de funcții este disponibil și în calculatoarele concepute pentru calcule științifice (de inginerie).

1.3.1 Trasare

La efectuarea experimentelor, de regulă, valorile mai multor parametri sunt fixate simultan. Analizând relația lor, se pot trage concluzii despre fenomenul observat. Reprezentarea vizuală a datelor numerice facilitează foarte mult analiza relației lor - de aceea trasarea este un pas atât de important în lucrul cu informații. Rețineți că printre parametrii fiși există întotdeauna cel puțin o variabilă independentă - o valoare a cărei valoare se modifică de la sine (timp) sau care este stabilită de experimentator. Restul parametrilor sunt determinați de valorile variabilelor independente. Când trasați diagrame, ar trebui să vă ghidați după câteva reguli:

Valoarea variabilei independente este trasată de-a lungul abscisei (axa orizontală), iar valoarea funcției este reprezentată de-a lungul ordonatei (axa verticală).

Scalele de-a lungul axelor trebuie alese astfel încât să utilizeze zona graficului cât mai informativ posibil - astfel încât să fie mai puține zone goale pe care să nu existe puncte experimentale și linii de dependențe funcționale. Pentru a îndeplini această cerință, este adesea necesar să specificați o valoare diferită de zero la originea axei de coordonate. În acest caz, toate rezultatele experimentale trebuie prezentate pe grafic.

Valorile de-a lungul axelor ar trebui, de regulă, să fie multipli ai unui număr întreg (1, 2, 4, 5) și distanțate uniform. Este strict inacceptabil să se indice rezultatele măsurătorilor specifice pe axe. Unitățile de scară alese nu trebuie să fie prea mici sau prea mari (nu trebuie să conțină mai multe zerouri la început sau la final). Pentru a asigura această cerință, ar trebui să utilizați un factor de scară de forma 10 X, care este scos în desemnarea axei.

Linia de dependență funcțională trebuie să fie fie o linie dreaptă, fie o curbă netedă. Este permisă conectarea punctelor experimentale cu o linie întreruptă numai în etapa de analiză preliminară.

Când trasați folosind foi de calcul, multe dintre aceste cerințe vor fi îndeplinite automat, dar de obicei nu toate și nu în întregime, așa că aproape întotdeauna trebuie să ajustați reprezentarea rezultată.

Foile de calcul au un serviciu special - Chart Wizard (meniul principal: Insert Chart). Cel mai simplu mod de a-l accesa este să selectezi mai întâi o zonă de celule care include atât un argument, cât și o funcție (mai multe funcții), și să activezi butonul „Chart Wizard” de pe panoul standard cu mouse-ul.

Acest lucru vă va oferi un șablon de diagramă cu care mai trebuie să lucrați, deoarece selectarea automată a multor opțiuni implicite de diagramă probabil nu va îndeplini toate cerințele dvs.

În primul rând, verificați dimensiunea numerelor de pe axe și a literelor din axe și a etichetelor de funcție din legendă. Este de dorit ca dimensiunea fontului să fie aceeași peste tot, nu mai puțin de 10 și nu mai mult de 14 puncte, dar va trebui să setați separat valoarea pentru fiecare inscripție. Pentru a face acest lucru, plasați cursorul pe obiectul de interes (axă, etichetă, legendă) și apăsați butonul din dreapta al mouse-ului. În meniul contextual care apare, selectați „Format (element)” iar în noul meniu de pe prospect cu eticheta „Font” selectați valoarea dorită. Când formatați axa, ar trebui să priviți și, eventual, să modificați valorile de pe foile cu etichetele „Scală” și „Număr”. Dacă nu înțelegeți la ce modificări va duce alegerea propusă, nu vă fie teamă să încercați orice opțiune, deoarece puteți oricând să renunțați la modificările făcute apăsând tastele Ctrl + Z sau selectând elementul din meniul principal „Editare” - Anulați sau făcând clic pe butonul „Anulați” din bara de instrumente standard.

Dacă există o mulțime de puncte, iar răspândirea este mică și linia arată destul de netedă, atunci punctele pot fi conectate cu linii. Pentru a face acest lucru, deplasați cursorul peste orice punct din grafic și apăsați butonul dreapta al mouse-ului. Selectați „Format Data Series” din meniul contextual care apare. Într-o fereastră nouă pe o bucată de hârtie cu eticheta „Vizualizare”, ar trebui să selectați culoarea și grosimea liniei corespunzătoare și, în același timp, verificați culoarea, dimensiunea și forma punctelor. În acest fel sunt construite dependențe care aproximează datele experimentale. Dacă aproximarea este o linie dreaptă, atunci două puncte sunt suficiente la marginile intervalului argumentului. Utilizarea opțiunii „curba netezită” încorporată în foile de calcul nu este recomandată din cauza incapacității de a ajusta parametrii de netezire.

1.3.2 Netezirea datelor experimentale

Datele experimentale obținute pe setările experimentale de înaltă temperatură sunt caracterizate de o eroare mare de măsurare aleatorie. Acest lucru este determinat în principal de interferența electromagnetică din funcționarea unui dispozitiv puternic de încălzire. Prelucrarea statistică a rezultatelor poate reduce semnificativ eroarea aleatorie. Se știe că pentru o variabilă aleatoare distribuită conform legii normale, eroarea mediei aritmetice, determinată din N valori, în N½ ori mai mică decât eroarea unei singure măsurători. Cu un număr mare de măsurători, atunci când este acceptabil să presupunem că împrăștierea aleatorie a datelor într-un interval mic depășește semnificativ modificarea obișnuită a valorii, o tehnică eficientă de netezire este să atribuiți următoarea valoare a valorii măsurate mediei aritmetice. calculat din mai multe valori din intervalul simetric din jurul acestuia. Din punct de vedere matematic, aceasta este exprimată prin formula:

(1.1)

și este foarte ușor de implementat în foi de calcul. Aici y i este rezultatul măsurării și Y i este valoarea netezită de utilizat în schimb.

Datele experimentale obținute cu ajutorul sistemelor digitale de colectare a informațiilor se caracterizează printr-o eroare aleatorie, a cărei distribuție diferă semnificativ de legea normală. În acest caz, poate fi mai eficient să folosiți mediana în locul mediei aritmetice. În acest caz, valorii măsurate din mijlocul intervalului i se atribuie valoarea valorii măsurate care s-a dovedit a fi cea mai apropiată de media aritmetică. S-ar părea că o mică diferență în algoritm poate schimba semnificativ rezultatul. De exemplu, în versiunea estimării medii, este posibil ca unele rezultate experimentale să nu fie utilizate deloc, cel mai probabil cele care sunt cu adevărat

„popping” valori cu o eroare deosebit de mare.

1.3.5 Diferențierea numerică a unei funcții definită printr-o mulțime de puncte discrete

Necesitatea unei astfel de operații la procesarea punctelor experimentale apare destul de des. De exemplu, prin diferențierea dependenței concentrației de timp se găsește dependența vitezei procesului în timp și de concentrația reactivului, ceea ce, la rândul său, permite estimarea ordinii reacției. Operația de diferențiere numerică a unei funcții definită de un set de valori ale acesteia ( y) corespunzătoare setului corespunzător de valori ale argumentului ( X), se bazează pe înlocuirea aproximativă a diferenţialului unei funcţii cu raportul dintre modificarea sa finală şi modificarea finală a argumentului:

(1.2)

Diferențierea numerică este sensibilă la erorile cauzate de inexactitatea datelor originale, eliminarea membrilor seriei etc. și, prin urmare, trebuie efectuată cu grijă. Pentru a îmbunătăți acuratețea estimării derivatei (), ei încearcă mai întâi să netezească datele experimentale, cel puțin pe un segment mic, și abia apoi efectuează diferențierea. Ca urmare, în cel mai simplu caz, pentru nodurile echidistante (valorile argumentului diferă între ele cu aceeași cantitate x), se obțin următoarele formule: pentru derivata din prima ( X 1) punct:

pentru derivată în toate celelalte puncte ( X), cu excepția ultimului:

pentru derivata din ultimul ( X) punct:

Dacă există suficiente date experimentale și este permis să se neglijeze mai multe puncte extreme, puteți folosi formule de netezire mai puternice, de exemplu, pentru 5 puncte:

sau cu 7 puncte:

Pentru o aranjare neuniformă a nodurilor, ne limităm la a recomanda să folosim formula modificată (1.3) sub forma

(1.8)

și nu calculați derivata la punctele de început și de sfârșit.

Astfel, pentru a implementa diferențierea numerică, este necesar să plasați formule adecvate în celulele unei coloane libere. De exemplu, valorile argumentelor spațiate inegal sunt plasate în coloana „A” în celulele 2 până la 25, iar valorile funcției sunt plasate în coloana „B” în celulele corespunzătoare. Valorile derivatei ar trebui să fie plasate în coloana „C”. Apoi, în celula „C3” ar trebui să introduceți formula (5) sub forma:

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

și copiați (întindeți) în toate celulele din intervalul C4:C24.

1.3.6 Determinarea prin metoda celor mai mici pătrate a coeficienților polinomi,

aproximând un set de date

În reprezentarea grafică a informațiilor numerice, apare adesea necesitatea trasării unei linii de-a lungul punctelor experimentale, care dezvăluie caracteristicile dependenței obținute. Acest lucru se face pentru a percepe mai bine informațiile și pentru a facilita analiza ulterioară a datelor care au o anumită răspândire din cauza erorilor de măsurare. De multe ori, pe baza unei analize teoretice a fenomenului studiat, se știe dinainte ce formă ar trebui să aibă această linie. De exemplu, se știe că dependența vitezei unui proces chimic ( v) la temperatură trebuie să fie exponențial, exponentul reprezentând reciproca temperaturii pe o scară absolută:

Aceasta înseamnă că pe graficul în coordonatele ln v– 1/T ar trebui să aibă o linie dreaptă,

a cărui pantă caracterizează energia de activare ( E) proces. Prin punctele experimentale, de regulă, se pot trasa mai multe linii drepte cu pante diferite. Într-un anumit sens, cea mai bună dintre ele va fi o linie dreaptă cu coeficienți determinați prin metoda celor mai mici pătrate.

În cazul general, metoda celor mai mici pătrate este utilizată pentru a găsi coeficienții dependenței de aproximare y (X 1 , X 2 ,…x n) un polinom de forma

Unde bși m 1 …m n sunt coeficienți constanți și X 1 …x n este un set de argumente independente. Adică, în cazul general, metoda este folosită pentru a aproxima o funcție a mai multor variabile, dar este aplicabilă și pentru a descrie o funcție complexă a unei variabile X. În acest caz, de obicei se presupune că

iar polinomul de aproximare are forma

La alegerea gradului polinomului de aproximare n rețineți că trebuie să fie neapărat mai mic decât numărul de valori măsurate Xși y. În aproape toate cazurile, nu ar trebui să fie mai mult de 4, rareori 5.

Această metodă este atât de importantă încât în ​​foile de calcul Excel există cel puțin patru opțiuni pentru obținerea valorilor coeficienților doriti. Vă recomandăm să utilizați funcția LINEST() dacă lucrați în foi de calcul Excel ca parte a Microsoft Office, sau funcția LINEST() din foile de calcul Calc din OpenOffice. Ele sunt prezentate în lista de funcții statistice, aparțin clasei așa-numitelor funcții matrice și, prin urmare, au o serie de caracteristici de aplicație. În primul rând, este introdus nu într-o singură celulă, ci imediat într-un interval (zonă dreptunghiulară) de celule, deoarece funcția returnează mai multe valori. Mărimea orizontală a regiunii este determinată de numărul de coeficienți ai polinomului de aproximare (sunt doi dintre ei în exemplul luat în considerare: ln v 0 și E/R), iar unul până la cinci rânduri pot fi alocate vertical, în funcție de câte informații statistice sunt necesare pentru analiza dvs.

1.3.7 Prezentarea rezultatelor

Într-un document științific și tehnic, atunci când se prezintă date numerice, trebuie făcută o evaluare a fiabilității acestora și trebuie evidențiate erorile aleatorii și sistematice. Erorile de date date trebuie prezentate în conformitate cu GOST 8.207–76.

La procesarea statistică a unui grup de rezultate de observație, trebuie efectuate următoarele operații: eliminarea erorilor sistematice cunoscute din rezultatele observației;

Calculați media aritmetică a rezultatelor observației corectate, luate ca rezultat al măsurării; calculați o estimare a abaterii standard a rezultatului măsurării;

Calculați limitele de încredere ale erorii aleatoare (componenta aleatorie a erorii) a rezultatului măsurării;

Calculați limitele erorii sistematice neexcluse (reziduurile neexcluse ale erorii sistematice) ale rezultatului măsurării; calculați limitele de încredere ale erorii rezultatului măsurării.

Pentru a determina limitele de încredere ale erorii rezultatului măsurării, probabilitatea de încredere R luați egal cu 0,95. Cu o eroare de încredere simetrică, rezultatele măsurătorilor sunt prezentate sub forma:

unde este rezultatul măsurării, ∆ este limita de eroare a rezultatului măsurării, R este nivelul de încredere. Valoarea numerică a rezultatului măsurării trebuie să se încheie cu o cifră de aceeași cifră cu valoarea erorii ∆.

2 Descrierea lucrărilor de laborator

Prima parte a fiecăreia dintre secțiunile dedicate lucrărilor specifice de laborator oferă informații despre compoziția și structura fazelor, mecanismul proceselor care au loc în interiorul fazei sau la interfețele acesteia cu fazele învecinate, minim necesar pentru înțelegerea esenței fenomen studiat în lucrare. Dacă informațiile furnizate sunt insuficiente, notele de curs și literatura recomandată trebuie consultate. Fără înțelegerea primei părți a secțiunii, este imposibil să ne imaginăm ce se întâmplă în sistemul studiat în cursul lucrării, să formulăm și să înțelegem concluzii pe baza rezultatelor obținute.

Următoarea parte a fiecărei secțiuni este dedicată implementării hardware sau software a unei instalații reale sau a unui model de computer. Oferă informații despre echipamentul utilizat și algoritmii aplicați. Fără înțelegerea acestei secțiuni, este imposibil să se evalueze sursele de eroare și ce acțiuni ar trebui luate pentru a minimiza impactul acestora.

Ultima parte descrie procedura pentru efectuarea măsurătorilor și procesarea rezultatelor acestora. Toate aceste întrebări sunt depuse la colocviul premergător lucrării, sau testarea pe computer.

2.1 Studierea cineticii oxidării fierului la temperatură înaltă (Lucrarea nr. 13)

2.1.1 Modele generale de oxidare a fierului

Conform principiului succesiunii transformărilor A.A. Baikov, toți oxizii care sunt stabili termodinamic în condițiile date se formează pe suprafața fierului în timpul oxidării sale la temperatură înaltă cu oxigenul atmosferic. La temperaturi peste 572 ° C, scara este formată din trei straturi: wustite FeO, magnetit Fe 3 O 4, hematit Fe 2 O 3. Stratul de wustită cel mai apropiat de fier, reprezentând aproximativ 95% din grosimea întregii scale, are proprietățile p-semiconductorilor. Aceasta înseamnă că există o concentrație semnificativă de locuri libere de fier feros în rețeaua cationică a FeO, iar neutralitatea electrică este asigurată de apariția unor „găuri” de electroni, care sunt particule de fier feric. Subrețelele anionice ale wuestitei, care constă din ioni О2– încărcați negativ, este practic lipsită de defecte; prezența locurilor libere în subrețeaua cationică crește semnificativ mobilitatea de difuzie a particulelor de Fe2+ prin wuestită și îi reduce proprietățile protectoare.

Stratul intermediar de magnetit este un oxid de compoziție stoechiometrică, care are o concentrație mică de defecte în rețeaua cristalină și, ca urmare, are proprietăți de protecție sporite. Grosimea sa relativă este în medie de 4%.

Stratul exterior de scară - hematita are o conductivitate de tip n. Prezența locurilor libere de oxigen în subrețeaua anioană facilitează difuzia particulelor de oxigen prin aceasta, în comparație cu cationii de fier. Grosimea relativă a stratului de Fe 2 O 3 nu depășește 1% .

La temperaturi sub 572°C, wustita este termodinamic instabilă, astfel încât scara este formată din două straturi: magnetită Fe 3 O 4 (90% din grosime) și hematită Fe 2 O 3 (10%).

Formarea unei pelicule protectoare continue de calcar pe suprafața fierului duce la separarea acestuia de atmosfera aerului. Oxidarea ulterioară a metalului se efectuează datorită difuzării reactivilor prin filmul de oxid. Procesul considerat eterogen constă în următoarele etape: alimentarea cu oxigen din volumul fazei gazoase până la limita cu oxidul prin difuzie moleculară sau convectivă; Adsorbția O2 pe suprafața oxidului; ionizarea atomilor de oxigen cu formarea de anioni O 2–; difuzia anionilor de oxigen în faza de oxid până la limita cu metalul; ionizarea atomilor de fier și trecerea lor la scară sub formă de cationi; difuzia cationilor de fier în oxid până la limita cu gazul; act cristalochimic de formare a unor noi porțiuni ale fazei de oxid.

Regimul de difuzie al oxidării metalelor se realizează dacă etapa cea mai întârziată este transportul particulelor de Fe 2+ sau O 2– prin scară. Furnizarea de oxigen molecular din faza gazoasă este relativ rapidă. În cazul regimului cinetic, etapele de adsorbție sau ionizare a particulelor, precum și actul de transformare chimică a cristalului sunt limitative.

Derivarea ecuației cinetice pentru procesul de oxidare a fierului pentru cazul unei scale cu trei straturi este destul de greoaie. Ea poate fi simplificată semnificativ fără a modifica concluziile finale, dacă considerăm scara ca fiind omogenă ca compoziție și luăm în considerare difuzia prin ea doar a cationilor Fe 2+.

Notează prin D coeficientul de difuzie al particulelor de Fe 2+ la scară, k este constanta de viteză a oxidării fierului, C 1 și CU 2 concentrații de echilibru ale cationilor de fier la interfața cu metalul și respectiv aerul, h este grosimea peliculei de oxid, S este aria suprafeței probei, este densitatea oxidului, M este masa sa molară. Apoi, în conformitate cu legile cineticii formale, rata specifică a actului chimic de interacțiune a fierului cu oxigenul pe unitatea de suprafață a probei ( vr) este determinată de relația:

În stare staționară, este egală cu densitatea fluxului de difuzie al particulelor de Fe 2+.

Având în vedere că viteza globală a procesului de oxidare eterogen este proporțională cu rata de creștere a masei sale

(13.3)

poate fi exclus C 2 din ecuațiile (13.1) și (13.2) și obțineți dependența masei scalei de timp:

(13.4)

Din ultima relatie se poate observa ca regimul cinetic al procesului se realizeaza, de regula, in momentul initial al oxidarii, cand grosimea peliculei de oxid este mica si rezistenta la difuzie a acestuia poate fi neglijata. Creșterea stratului de scară încetinește difuzia reactivilor, iar modul de proces se schimbă în timp la difuzie.

O abordare mai riguroasă, dezvoltată de Wagner în teoria ion-electron a oxidării metalelor la temperatură înaltă, face posibilă cuantificarea constantă de viteză legea parabolică a creșterii peliculei, folosind datele experimentelor independente privind conductivitatea electrică a oxizilor:

unde ∆ G este modificarea energiei Gibbs pentru reacția de oxidare a metalului, M este masa molară a oxidului, este conductivitatea sa electrică, t i este proporția conductivității ionice, z este valența metalului, F este constanta Faraday.

Când se studiază cinetica formării de foarte subțiri ( 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), precum și cubic h 3 = Kτ (oxizi - semiconductori p-tip) sau logaritmică inversă 1/ h = C K ln(τ) ( n- tip de conductivitate) la încetinirea etapei de transfer al ionilor metalici.

2.1.2 Descrierea configurației și a procedurii de realizare a experimentelor

Cinetica oxidării fierului este studiată prin metoda gravimetrică, care face posibilă înregistrarea modificării masei probei în timp în timpul experimentului. Schema de instalare este prezentată în Figura 1.

Figura 1 - Schema montajului experimental:

1 – proba de fier în studiu; 2 – cuptor cu rezistență electrică; 3 – traductor mecanoelectric E 2D1; 4 - computer personal cu placa ADC.

O probă de metal (1) suspendată pe un lanț de nicrom la culbutorul convertizorului mecanoelectric E 2D1 (3) este plasată într-un cuptor tubular vertical cu rezistență electrică (2). Semnalul de ieșire E 2D1, proporțional cu modificarea masei probei, este alimentat la placa ADC a computerului ca parte a instalării. Constanța temperaturii în cuptor este menținută de un controler automat, temperatura necesară a experimentului este setată de controlerul corespunzător de pe panoul de instrumente al cuptorului, conform instrucțiunilor profesorului (800 - 900 °C).

Conform rezultatelor lucrării, se determină constanta de viteză a reacției de oxidare a fierului și coeficientul de difuzie al ionilor săi în pelicula de oxid și, dacă este posibil, energia de activare a reacției chimice și difuziei. Ilustrați grafic dependența modificării masei probei și a vitezei procesului de oxidare din când în când.

2.1.3 Prelucrarea și prezentarea rezultatelor măsurătorilor

Traductorul mecanoelectric este proiectat astfel încât o parte din masa obiectului de măsurat să fie compensată de un arc spiralat. Valoarea sa este necunoscută, dar ar trebui să rămână constantă în timpul măsurătorilor. După cum rezultă din descrierea procedurii de măsurare, nu se cunoaște momentul exact (0) al începerii procesului de oxidare, deoarece nu se știe când proba va dobândi o temperatură suficientă pentru desfășurarea procesului de oxidare. Până în momentul în care proba începe efectiv să se oxideze, masa sa este egală cu masa metalului original ( m 0). Faptul că nu măsurăm întreaga masă, ci doar partea ei necompensată, nu schimbă esența materiei. Diferența dintre masa actuală a probei ( m) iar masa inițială a metalului reprezintă masa scării, deci formula (13.4) pentru condiții experimentale reale ar trebui prezentată ca:

(13.6)

in care m este valoarea măsurată a părții rămase necompensate din masa eșantionului, m0– la fel înainte de începerea procesului de oxidare la o temperatură scăzută a probei. Din această relație se poate observa că dependența experimentală a masei eșantionului de timp ar trebui descrisă printr-o ecuație de forma:

, (13.7)

ai căror coeficienţi pot fi aflaţi prin metoda celor mai mici pătrate din rezultatele măsurătorilor obţinute. Acest lucru este ilustrat de un grafic tipic din Fig. Punctele sunt rezultatele măsurătorilor, linia se obține prin aproximarea datelor prin ecuația 13.7

Punctele marcate cu cruci sunt valori aberante și nu trebuie luate în considerare la calcularea coeficienților ecuației 13.7 folosind metoda celor mai mici pătrate.

Comparând formulele (13.6) și (13.7) este ușor de conectat coeficienții găsiți cu mărimile fizico-chimice care îi determină:

(13.8)

În exemplul dat, valoarea lui m0 - valoarea de pe axa y la = 0, sa dovedit a fi 18,1 mg.

Folosind aceste valori, obținute în pregătirea experimentului, valoarea suprafeței probei ( S) iar densitatea wustitei împrumutate din literatură (= 5,7 g/cm 3) poate fi

evaluați raportul dintre coeficientul de difuzie și constanta de viteză a procesului de oxidare:

(13.13)

Acest raport caracterizează grosimea filmului la scară la care constanta vitezei de difuzie este egală cu constanta vitezei reacției chimice de oxidare a metalului, care corespunde definiției unui mod de reacție strict mixt.

Pe baza rezultatelor lucrării, toate valorile ar trebui determinate folosind formulele (13.7, 13.11 - 13.13): b 0 , b 1 , b 2 , m 0, 0 și D /K. Pentru a ilustra rezultatele, trebuie dat un grafic al dependenței. m– . Alături de valorile experimentale, este de dorit să se dea o curbă aproximativă.

În funcție de rezultatele măsurătorilor, este necesar să completați următorul tabel:

Tabelul 1. Rezultatele studiului procesului de oxidare a fierului.

În tabel, primele două coloane sunt completate după deschiderea fișierului de date, iar restul sunt calculate. Netezirea se realizează pe 5 puncte. La determinarea coeficienților polinomului de aproximare, prima, a treia și a patra coloană sunt utilizate simultan. Ultima coloană ar trebui să conțină rezultatele aproximării prin polinom (13.7) folosind coeficienții aflați prin metoda celor mai mici pătrate. Graficul este construit pe prima, a treia și a cincea coloană.

Dacă munca este efectuată de mai mulți studenți, atunci fiecare dintre ei efectuează experimentul la temperatura proprie. Prelucrarea în comun a rezultatelor estimării grosimii stratului de scară într-un mod strict mixt () ne permite să estimam diferența dintre energiile de activare ale difuziei și ale reacției chimice. Într-adevăr, formula evidentă este valabilă aici:

(13.14)

Prelucrare similară a coeficienților b 2 face posibilă estimarea energiei de activare a difuziei. Iată formula corectă:

(13.15)

Dacă măsurătorile au fost efectuate la două temperaturi, atunci estimările se fac direct prin formulele (13.4) și (13.15), dacă valorile temperaturii sunt mai mari de două, trebuie aplicată metoda celor mai mici pătrate pentru funcții. ln () – 1/Tși ln (b 2) – 1/T. Valorile obținute sunt date în tabelul final și discutate în concluzii.

Procedura de procesare a rezultatelor muncii

2. Construiți un grafic de dependență pe o foaie separată m– , identificați vizual și eliminați valorile pop-up.

3. Neteziți valorile greutății măsurate.

4. Calculați pătratele variației masei

5. Aflați coeficienții celor mai mici pătrate b 0 , b 1 , b 2 ecuații care aproximează dependența de modificarea masei în timp.

6. Calculați masa estimată la începutul măsurătorilor conform ecuației de aproximare

7. Analizați rezultatele aproximării folosind sortarea și eliminați valorile incorecte

8. Afișați rezultatele aproximării pe graficul dependenței m – .

9. Calculați caracteristicile sistemului și ale procesului: m 0 , 0 , D /K .

Rezultatele testului:

A. În celula „A1” - suprafața probei, în celula adiacentă „B1” unități de măsură;

b. În celula „A2” - masa probei originale, în celula „B2” - unități de măsură;

c. În celula „A3” - temperatura experimentului, în celula „B3” - unități de măsură;

d. În celula „A4” - grosimea stratului de scară într-un mod strict mixt, în celula „B4” - unități de măsură;

e. Pornind de la celula „A10”, concluziile lucrării ar trebui să fie clar articulate.

În celulele A6-A7, ar trebui să existe legături către celule de pe alte foi ale cărții de calcul pe care au fost efectuate calcule pentru a obține rezultatul prezentat, și nu valorile numerice în sine! Dacă această cerință nu este îndeplinită, programul de verificare dă mesajul „Eroare de prezentare a informațiilor”.

2. Graficul de dependență proiectat corespunzător m– , obținut experimental (puncte) și aproximat printr-un polinom (linie), pe o foaie separată de foi de calcul cu toate semnăturile necesare si desemnari.

Întrebări de control

1. Care este structura solmei obținute pe fier în timpul oxidării sale la temperatură înaltă în aer?

2. De ce apariția fazei vustite la scară duce la o creștere bruscă a ratei de oxidare a fierului?

3. Care sunt etapele procesului eterogen de oxidare a fierului?

4. Care este diferența dintre regimul de difuzie al oxidării fierului și cel cinetic?

5. Care este ordinea și metodologia lucrării?

6. Cum se identifică modul procesului de oxidare?

2.2 Studiul dependenței de temperatură a conductivității electrice a topiturii de oxizi (Lucrarea nr. 14)

2.2.1 Informații generale despre natura conductibilității electrice a zgurii

Studiul dependenței conductivității electrice a zgurii de compoziția și temperatura lor este de mare importanță pentru metalurgie, atât în ​​termeni teoretici, cât și aplicați. Valoarea conductibilității electrice poate avea un impact semnificativ asupra vitezei celor mai importante reacții dintre metal și zgură în procesele de producție a oțelului, asupra productivității unităților metalurgice, în special în tehnologiile cu electrozgură sau cuptoare cu arc pentru topirea zgurii sintetice, unde intensitatea degajarea de căldură depinde de mărimea curentului electric trecut prin topitură. În plus, conductivitatea electrică, fiind o proprietate sensibilă structural, oferă informații indirecte despre structura topiturii, concentrația și tipul particulelor încărcate.

Conform ideilor despre structura topiturii de oxid, formulate, în special, scoala stiintifica Profesor O.A. Esin, particulele neîncărcate nu pot fi prezente în ele. În același timp, ionii din topitură diferă foarte mult ca dimensiune și structură. Elementele de oxid de bază sunt prezente sub formă de ioni simpli, de exemplu, Na + , Ca 2+ , Mg 2+ , Fe 2+ , O 2- . Dimpotrivă, elementele cu valență mare, care formează oxizi acizi (acizi), precum SiO 2, TiO 2, B 2 O 3, sub formă de ion, au un câmp electrostatic atât de mare încât nu pot fi în topitură. ca ioni simpli Si 4+, Ti4+, B3+. Ei aduc anionii de oxigen atât de aproape de ei înșiși încât formează legături covalente cu ei și sunt prezenți în topitură sub formă de anioni complecși, dintre care cei mai simpli sunt, de exemplu, SiO 4 4 , TiO 4 4- , BO 3 3- , BO 4 5- . Anionii complecși au capacitatea de a-și complica structura prin combinarea în structuri bidimensionale și tridimensionale. De exemplu, două tetraedre de siliciu-oxigen (SiO 4 4-) se pot conecta la vârfurile lor, formând cel mai simplu lanț liniar (Si 2 O 7 6-). În acest caz, un ion de oxigen este eliberat:

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

Mai multe detalii despre aceste probleme pot fi găsite, de exemplu, în literatura educațională.

Rezistență electrică R conductoarele liniare obișnuite se pot determina din relație

unde este rezistivitatea, L- lungime, S este aria secțiunii transversale a conductorului. Valoarea se numește conductivitate electrică specifică a substanței. Din formula (14.1) rezultă că

Unitatea de unitate de conductivitate electrică se exprimă în Ohm –1 m –1 = Sm/m (Sm – Siemens). Conductivitatea electrică caracterizează conductivitatea electrică a volumului topiturii închise între doi electrozi paraleli cu o suprafață de 1 m 2 și situati la o distanță de 1 m unul de celălalt.

Într-un caz mai general (câmp electric neuniform), conductivitatea electrică este definită ca coeficientul de proporționalitate între densitatea curentului iîntr-un conductor și un gradient de potențial electric:

Apariția conductibilității electrice este asociată cu transferul de sarcini într-o substanță sub influența unui câmp electric. În metale, electronii benzii de conducție participă la transferul de electricitate, a cărei concentrație este practic independentă de temperatură. Odată cu creșterea temperaturii, are loc o scădere a conductibilității electrice a metalelor, deoarece. concentrația de electroni „liberi” rămâne constantă, iar efectul inhibitor asupra acestora al mișcării termice a ionilor rețelei cristaline crește.

În semiconductori, purtătorii de sarcină electrică sunt electroni cvasi-liberi în banda de conducție sau locuri libere în banda de energie de valență (găuri de electroni) care apar din cauza tranzițiilor activate termic ale electronilor de la nivelurile donorului la banda de conducție a semiconductorului. Pe măsură ce temperatura crește, probabilitatea unor astfel de tranziții activate crește, iar concentrația purtătorilor de curent electric și conductivitatea electrică cresc în consecință.

În electroliți, care includ topituri de oxid, de regulă, ionii participă la transferul de energie electrică: Na +, Ca 2+, Mg 2+, SiO 4 4–, BO 2 – și altele. Fiecare dintre ioni ј -clasa poate contribui la valoarea totală a densității curentului electric în conformitate cu relația cunoscută

unde este conductivitatea electrică parțială; D , C ј , z j sunt coeficientul de difuzie, concentrația și sarcina ionului ј -clasa a-a; F este constanta Faraday; T- temperatura; R

Este evident că suma cantităților eu ј egală cu densitatea totală de curent i asociat cu mișcarea tuturor ionilor, iar conductivitatea electrică a întregii topituri este suma conductivităților parțiale.

Mișcarea ionilor în electroliți este un proces de activare. Aceasta înseamnă că nu toți ionii se mișcă sub influența unui câmp electric, ci doar cei mai activi dintre ei, care au un anumit exces de energie față de nivelul mediu. Acest exces de energie, numit energie de activare a conductibilității electrice, este necesar pentru a depăși forțele de interacțiune a unui ion dat cu mediul înconjurător, precum și pentru a forma un loc liber (cavitate) în care acesta trece. Numărul de particule active, în conformitate cu legea lui Boltzmann, crește cu

creșterea exponențială a temperaturii. Asa de . Urma-

Prin urmare, în conformitate cu (14.5), dependența de temperatură a conductibilității electrice trebuie descrisă prin suma exponenților. Se știe, totuși, că odată cu creșterea dimensiunii particulelor, energia lor de activare crește, de asemenea, semnificativ. Prin urmare, în relația (14.5), de regulă, contribuția ionilor mari cu mobilitate redusă este neglijată, iar pentru restul, se face o medie a valorilor parțiale.

Ca rezultat, dependența de temperatură a conductibilității electrice specifice a topiturii de oxid ia următoarea formă:

(14.6)

care este în bun acord cu datele experimentale.

Valorile tipice pentru zgura metalurgică care conțin oxizi de CaO, SiO 2 , MgO, Al 2 O 3 sunt în intervalul 0,1–1,0 S cm–1 în apropierea temperaturii lichidului, care este mult mai mică decât conductivitatea electrică a metalelor lichide (10). 5–10 7 S cm –1). Energia de activare a conductivității electrice este aproape independentă de temperatură în zgura bazică, dar poate scădea ușor odată cu creșterea temperaturii în topiturile acide datorită depolimerizării lor. De obicei, valoarea este în intervalul 40-200 kJ/mol, în funcție de compoziția topiturii.

La conținuturi ridicate (peste 10%) de oxizi de fier (FeO, Fe 2 O 3) sau alți oxizi ai metalelor de tranziție (de exemplu, MnO, V 2 O 3, Cr 2 O 3), natura conductibilității electrice a zgurii modificări, deoarece pe lângă ionică în ele apare o proporție semnificativă a conductivității electronice. Componenta electronică a conductivității în astfel de topituri se datorează mișcării electronilor sau „găurilor” de electroni în funcție de mecanismul releului de la un cation de metal de tranziție cu o valență mai mică la un cation cu o valență mai mare prin R-orbitalii ionului de oxigen situat intre aceste particule.

Mobilitatea foarte mare a electronilor în combinațiile Me 2+ – O 2– – Me 3+, în ciuda concentrației lor relativ scăzute, crește brusc conductivitatea electrică a zgurii. Deci valoarea maximă a æ pentru topiturile de fier pur FeO – Fe 2 O 3 poate fi

10 2 S cm –1 , rămânând însă mult mai puțin decât metalele.

2.2.2 Descrierea procedurii de configurare și măsurare

În această lucrare, conductivitatea electrică specifică a tetraboratului de sodiu topit Na 2 O 2B 2 O 3 este determinată în intervalul de temperatură de 700 - 800 °C. Pentru a elimina complicațiile asociate cu prezența rezistenței interfeței metal-electrolit, studiul conductivității electrice trebuie efectuat în condiții în care rezistența interfeței este neglijabil de mică. Acest lucru poate fi realizat prin utilizarea unui curent alternativ cu o frecvență suficient de mare (≈ 10 kHz) în loc de curent continuu.

Schema circuitului electric al instalației este prezentată în Figura 2.

Figura 2. Schema circuitelor electrice ale instalației de măsurare a conductibilității electrice a zgurii:

ZG - generator de frecvențe audio; PC - un computer personal cu o placă de sunet; Soluție Yach și Yach sl - celule electrochimice care conțin o soluție apoasă de KCl sau respectiv zgură; R floor - rezistența de referință a unei valori cunoscute.

Un curent alternativ de la un generator de frecvență audio este aplicat unei celule care conține zgură și o rezistență de referință de valoare cunoscută conectată în serie cu aceasta. Folosind o placă de sunet pentru PC, se măsoară căderea de tensiune pe celulă și rezistența de referință. Deoarece curentul care curge prin podeaua R și Yach este același

(14.7)

Programul de întreținere a configurației laboratorului calculează, afișează pe ecranul monitorului și scrie într-un fișier valoarea raportului ( r) valorile amplitudinii curentului alternativ la ieșirea generatorului de sunet ( U zg) și pe celula de măsurare ( U celula):

Cunoscând-o, puteți determina rezistența celulei

unde este constanta celulei.

Pentru determinare K celula în configurația experimentală se folosește o celulă auxiliară, similară celei studiate în ceea ce privește parametrii geometrici. Ambele celule electrochimice sunt bărci de corindon cu electrolit. Doi electrozi cilindrici din metal de aceeași secțiune transversală și lungime sunt coborâți în ei, situați la aceeași distanță unul de celălalt, pentru a asigura constanța raportului (L / S) eff.

Celula studiată conține o topitură de Na 2 O · 2В 2 O 3 și este introdusă într-un cuptor de încălzire la o temperatură de 700–800 °C. Celula auxiliară este la temperatura camerei și umplută cu o soluție apoasă 0,1 N de KCl, a cărei conductivitate electrică este de 0,0112 S cm–1. Cunoașterea conductivității electrice a soluției și determinarea (vezi formula 14.9) a rezistenței electrice

celula auxiliara (

2.2.3 Comanda de lucru

A. Funcționare folosind un sistem de măsurare în timp real

Înainte de începerea măsurătorilor, cuptorul trebuie încălzit la o temperatură de 850 °C. Procedura de instalare este următoarea:

1. După finalizarea procedurii de inițializare în conformitate cu instrucțiunile de pe ecranul monitorului, opriți cuptorul, setați comutatorul „1 - rezistență de referință” în poziția „1 - Hi” și urmați instrucțiunile suplimentare.

2. După ce apare indicația „Comutator 2 – în poziția ‘Topit’”, urmați-l și până când apare indicația „Comutator 2 – în poziția „TOPIT””, înregistrați valorile raportului de rezistență care apar la fiecare 5 secunde.

3. Urmați a doua instrucțiune și urmați schimbarea temperaturii. De îndată ce temperatura devine mai mică de 800 °C, comanda de la tastatură „Xs” ar trebui să activeze ieșirea graficului și să înregistreze valorile temperaturii și rapoartele de rezistență la fiecare 5 secunde.

4. După ce topitura este răcită la o temperatură sub 650 °C, măsurătorile trebuie inițializate pentru al doilea student care efectuează lucrări la această instalație. Comutați „1 - rezistență de referință” în poziția „2 - Lo” și din acest moment al doilea elev începe înregistrarea rapoartelor de temperatură și rezistență la fiecare 5 secunde.

5. Când topitura este răcită la o temperatură de 500 °C sau se atinge valoarea raportului de rezistență apropiată de 6, măsurătorile trebuie oprite dând comanda „Xe” de la tastatură. Din acest moment, al doilea elev trebuie să rotească comutatorul 2 în poziția „soluție” și să noteze zece valori ale raportului de rezistență.

C. Lucrul cu date scrise anterior într-un fișier

După activarea programului, pe ecran apare un mesaj despre valoarea rezistenței de referință și sunt afișate succesiv mai multe valori ale raportului rezistențelor ( r) al celulei de calibrare. După efectuarea mediei, aceste date vă vor permite să găsiți constanta de instalare.

După aceea, rapoartele de temperatură și rezistență pentru celula de măsurare apar pe ecran la fiecare câteva secunde. Aceste informații sunt afișate pe un grafic.

Programul se iese automat și trimite toate rezultatele pe computerul profesorului.

2.2.4 Prelucrarea și prezentarea rezultatelor măsurătorilor

Pe baza rezultatelor măsurătorilor, completați tabelul cu următorul titlu:

Tabelul 1. Dependența de temperatură a conductivității electrice a topiturii de Na 2 O 2B 2 O 3

În tabel, primele două coloane sunt completate după deschiderea fișierului de date, iar restul sunt calculate. Pe baza acestora, ar trebui să reprezentați grafic dependența ln() - 10 3 /T și să utilizați metoda celor mai mici pătrate (funcția LINEST în OpenOffice.Calc) pentru a determina valoarea energiei de activare. Pe grafic ar trebui să fie afișată o linie dreaptă aproximativă. De asemenea, ar trebui să reprezentați grafic conductivitatea electrică în funcție de temperatură. Comanda de procesare a rezultatelor

1. Introduceți înregistrările rezultatelor măsurătorilor într-un fișier tabelar.

2. Calculați valoarea medie a raportului de rezistență pentru celula de calibrare.

3. Calculați constanta de setare.

4. Dependența parcelei r – t, identificați vizual și eliminați valorile pop-up. Dacă sunt multe, aplicați sortarea.

5. Calculați rezistența celulei de măsurare, conductivitatea electrică a topiturii de oxid la diferite temperaturi, logaritmul conductivității electrice și temperatura absolută inversă

b 0 , b 1 ecuație care aproximează dependența logaritmului conductivității electrice de temperatura reciprocă și se calculează energia de activare.

7. Trasați pe o foaie separată un grafic al dependenței logaritmului conductivității electrice de temperatura reciprocă și dați o dependență aproximativă Rezultatele testului:

1. Într-o carte de calcul trimisă spre examinare, prima pagină intitulată „Rezultate” trebuie să furnizeze următoarele informații:

A. În celula „A1” - temperatura inițială, în celula „B1” - unități de măsură;

c. În celula „A3” - energia de activare a conductibilității electrice, în celula „B3” - unități de măsură;

d. În celula „A4” - factor pre-exponențial în formula pentru dependența de temperatură a conductibilității electrice, în celula „B4” - unități de măsură;

e. Pornind de la celula „A5”, concluziile lucrării ar trebui să fie clar articulate.

În celulele A1-A4, ar trebui să existe legături către celule de pe alte foi ale cărții de calcul pe care au fost efectuate calcule pentru a obține rezultatul prezentat, și nu valorile numerice în sine! Dacă această cerință nu este îndeplinită, programul de verificare dă mesajul „Eroare de prezentare a informațiilor”.

2. Graficul corect proiectat al dependenței logaritmului conductivității electrice de temperatura reciprocă, obținut din date experimentale (puncte) și aproximat printr-un polinom (linie), pe o foaie separată de foi de calcul cu toate semnăturile și simbolurile necesare.

Întrebări de control

1. Ce se numește conductivitate electrică?

2. Ce particule determină conductivitatea electrică a zgurii?

3. Care este natura dependenței de temperatură a conductivității electrice a metalelor și a topiturii de oxizi?

4. De ce depinde constanta celulei și cum se determină?

5. De ce este necesar să folosiți curent alternativ pentru a determina?

6. Cum depinde energia de activare a conductibilității electrice de temperatură?

7. Ce senzori și instrumente sunt utilizate în configurația laboratorului. Ce cantități fizice permit înregistrarea?

8. Ce grafice (în ce coordonate) ar trebui prezentate pe baza rezultatelor lucrării?

9. Ce valori fizice și chimice ar trebui obținute după prelucrarea datelor primare?

10. Decideți ce măsurători sunt efectuate înainte de experiment, ce valori sunt înregistrate în timpul experimentului, ce date sunt informații primare, ce procesare suferă și ce informații sunt obținute.

2.3 Studiul cineticii desulfurării metalelor prin zgură pe un model de simulare (Lucrarea nr. 15)

2.3.1 Informații generale despre cinetica desulfurării metalelor prin zgură

Impurități de sulf din oțel, în cantități de peste 0,005 gr. %, reduc semnificativ proprietățile sale mecanice, electrice, anticorozive și alte proprietăți, înrăutățesc sudabilitatea metalului, duc la apariția fragilității roșii și la rece. Prin urmare, procesul de desulfurare a oțelului, care este deosebit de eficient cu zgura, este de mare importanță pentru metalurgia de înaltă calitate.

Studiul legilor cinetice ale reacției, identificarea mecanismului și modului de apariție a acesteia este necesară pentru management eficient rata de desulfurare, deoarece în condiții reale de agregate metalurgice, distribuția de echilibru a sulfului între metal și zgură nu este de obicei realizată.

Spre deosebire de majoritatea altor impurități din oțel, tranziția sulfului de la metal la zgură este un proces de reducere, nu unul oxidativ [S] +2e = (S 2–).

Aceasta înseamnă că pentru apariția continuă a procesului catodic, care duce la acumularea de sarcini pozitive pe metal, este necesară tranziția simultană a altor particule, care este capabilă să doneze electroni fazei metalice. Astfel de procese anodice concomitente pot fi oxidarea anionilor de oxigen din zgură sau particule de fier, carbon, mangan, siliciu și alte impurități metalice, în funcție de compoziția oțelului.

2. (O 2–) = [O] + 2e,

3. \u003d (Fe 2+) + 2e,

4. [C] + (O 2–) \u003d CO + 2e, 5. \u003d (Mn 2+) + 2e.

Împreună, procesul catodic și orice proces anodic fac posibilă scrierea ecuației stoechiometrice pentru reacția de desulfurare în următoarea formă, de exemplu:

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

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

Expresiile corespunzătoare pentru constantele de echilibru au forma

(15.1)

Evident, procesele alese ca exemplu și altele asemenea pot avea loc simultan. Din relația (15.1) rezultă că gradul de desulfurare a metalului la temperatură constantă, adică. valoarea constantă a constantei de echilibru, crește odată cu creșterea concentrației ionului de oxigen liber (O 2-) în topitura de oxid. Într-adevăr, o creștere a factorului la numitor trebuie compensată de o scădere a unui alt factor pentru a corespunde unei valori constante a constantei de echilibru. Rețineți că conținutul de ioni de oxigen liber crește odată cu utilizarea zgurii foarte bazice, bogate în oxid de calciu. Analizând relația (15.2), putem concluziona că conținutul de ioni de fier (Fe 2+) în topitura de oxid ar trebui să fie minim, adică. zgura trebuie să conțină o cantitate minimă de oxizi de fier. Prezența dezoxidanților (Mn, Si, Al, C) în metal crește, de asemenea, caracterul complet al desulfurării oțelului prin reducerea conținutului de (Fe 2+) și [O].

Reacția 1-2 este însoțită de absorbția de căldură (∆H>0), prin urmare, pe măsură ce procesul decurge, temperatura din unitatea metalurgică va scădea. Dimpotrivă, reacția 1-3 este însoțită de degajare de căldură (∆H<0) и, если она имеет определяющее значение, температура в агрегате будет повышаться.

În descrierea cinetică a desulfurării, trebuie luate în considerare următoarele etape ale procesului:

Livrarea particulelor de sulf din cea mai mare parte a metalului la limita cu zgura, realizată mai întâi prin difuzie convectivă și direct în apropierea interfeței metal-zgură prin difuzie moleculară; actul electrochimic de atașare a electronilor la atomii de sulf și formarea de anioni S 2–; care este un act de adsorbție-chimic, îndepărtarea anionilor de sulf în volumul de zgură, datorită difuziei moleculare și apoi convective.

Etape asemănătoare sunt, de asemenea, caracteristice etapelor anodice, cu participarea atomilor de Fe, Mn, Si sau anioni O2–. Fiecare dintre etape contribuie la rezistența generală a procesului de desulfurare. Forța motrice a curgerii particulelor printr-un număr de aceste rezistențe este diferența de potențialele lor electrochimice într-un sistem metal-zgură neechilibrat sau diferența dintre potențialul real și cel de echilibru proporțional cu acesta la limita de fază, numită supratensiune .

Viteza unui proces constând dintr-un număr de etape succesive este determinată de contribuția etapei cu cea mai mare rezistență - limitare etapă. În funcție de mecanismul derulării etapei limitative, se vorbește de un mod de difuzie sau cinetic al reacției. Dacă etapele cu mecanisme de curgere diferite au rezistențe proporționale, atunci se vorbește de un mod de reacție mixt. Rezistența fiecărei etape depinde în mod semnificativ de natura și proprietățile sistemului, de concentrația de reactivi, de intensitatea amestecării fazelor și de temperatură. Deci, de exemplu, rata actului electrochimic de reducere a sulfului este determinată de valoarea curentului de schimb

(15.3)

Unde V este funcția de temperatură, C[S] și C(S 2–) – concentrații de sulf în metal și zgură, α – coeficient de transfer.

Viteza etapei de livrare a sulfului la limita fazei este determinată de curentul de difuzie limitativ al acestor particule.

Unde D[S] este coeficientul de difuzie al sulfului, β este o constantă convectivă determinată de intensitatea convecției în topitură, este proporțional cu rădăcina pătrată a vitezei liniare a fluxurilor convective în lichid.

Datele experimentale disponibile indică faptul că, în condiții normale de convecție a topiturii, actul electrochimic de descărcare a ionilor de sulf decurge relativ rapid; desulfurarea este inhibată în principal prin difuzia particulelor în metal sau zgură. Cu toate acestea, odată cu creșterea concentrației de sulf în metal, obstacolele de difuzie scad și modul de proces se poate schimba în cinetic. Acest lucru este facilitat și de adăugarea de carbon la fier, tk. descărcarea ionilor de oxigen la interfața dintre carbon metal și zgură are loc cu o decelerare cinetică semnificativă.

Trebuie avut în vedere faptul că ideile electrochimice despre interacțiunea metalelor cu electroliții fac posibilă clarificarea mecanismului proceselor, înțelegerea în detaliu a fenomenelor care apar. În același timp, ecuațiile simple ale cineticii formale își păstrează pe deplin valabilitatea. În special, pentru o analiză aproximativă a rezultatelor experimentale obținute cu erori semnificative, ecuația pentru viteza de reacție 1-3 poate fi scrisă în cea mai simplă formă:

Unde k f și k r sunt constantele de viteză ale reacțiilor directe și inverse. Un astfel de raport este satisfăcut dacă soluțiile de sulf în sulfură de fier și calciu și wustită în zgură pot fi considerate infinit diluate și ordinele de reacție pentru acești reactivi sunt apropiate de unitate. Conținutul celorlalți reactivi ai reacției luate în considerare este atât de mare încât rămân aproape constante pe toată durata interacțiunii și concentrațiile lor pot fi incluse în constante. k f și k r

Pe de altă parte, dacă procesul de desulfurare este departe de echilibru, atunci viteza reacției inverse poate fi neglijată. Apoi, viteza de desulfurare ar trebui să fie proporțională cu concentrația de sulf din metal. Această versiune a descrierii datelor experimentale poate fi verificată prin examinarea relației dintre logaritmul vitezei de desulfurare și logaritmul concentrației de sulf din metal. Dacă această relație este liniară, iar panta dependenței ar trebui să fie apropiată de unitate, atunci acesta este un argument în favoarea modului de difuzie al procesului.

2.3.2 Modelul matematic al procesului

Posibilitatea apariției mai multor etape anodice complică foarte mult descrierea matematică a proceselor de desulfurare a oțelului care conține multe impurități. În acest sens, au fost introduse unele simplificări în model, în special, am neglijat dificultățile cinetice la diferite

Pentru semireacțiile de tranziție a fierului și a oxigenului, în legătură cu restricția acceptată asupra controlului difuziei, relațiile par mult mai simple:

(15.7)

În conformitate cu condiția de neutralitate electrică în absența curentului de la o sursă externă, relația dintre curenți în semireacțiile individuale ale electrodului este exprimată printr-o relație simplă:

Diferențele de supratensiuni ale electrozilor () sunt determinate de rapoartele produselor corespunzătoare ale activităților și constantelor de echilibru pentru reacțiile 1-2 și 1-3:

Derivată în timp a concentrației de sulf din metal este determinată de curentul primului electrod de semireacție în conformitate cu ecuația:

(15.12)

Aici i 1 , i 2 - densitățile de curent ale proceselor cu electrozi, η 1, η 2 - polarizările lor, i n – limitarea curentilor de difuzie a particulelor ј - un fel i o este curentul de schimb al etapei cinetice, C[s] este concentrația de sulf din metal, α este coeficientul de transfer, P, K p este produsul activităților și constanta de echilibru a reacției de desulfurare, S este zona interfeței dintre metal și zgură, V Eu sunt volumul de metal, T- temperatura, F este constanta Faraday, R este constanta universală a gazului.

În conformitate cu legile cineticii electrochimice, expresia (15.6) ține cont de inhibarea difuziei ionilor de fier în zgură, întrucât, judecând după datele experimentale, stadiul de descărcare-ionizare a acestor particule nu este limitativ. Expresia (15.5) este întârzierea difuziei particulelor de sulf în zgură și metal, precum și întârzierea ionizării sulfului la interfață.

Combinând expresiile (15.6 - 15.12), se poate obține prin metode numerice dependența concentrației de sulf din metal în timp pentru condițiile selectate.

Modelul folosește următorii parametri:

3)
Curent de schimb ionic de sulf:

4) Constanta de echilibru a reacției de desulfurare ( LA R):

5) Raportul dintre suprafața interfeței și volumul metalului

7) Constanta convectivă (β):

Modelul permite analizarea influenței factorilor enumerați asupra vitezei și completității desulfurării, precum și estimarea contribuției inhibițiilor de difuzie și cinetice la rezistența totală a procesului.

2.3.3 Procedura de lucru

Imaginea generată de programul de simulare este prezentată în fig. . Valorile numerice selectate ale cantităților măsurate sunt date în partea superioară a panoului, toate valorile obținute în timpul simulării procesului sunt afișate pe grafic. În denumirile componentelor topiturii metalice și de zgură se folosesc semne suplimentare adoptate în literatura metalurgică. Parantezele pătrate indică faptul că componenta aparține topiturii de metal, iar parantezele rotunde celei de zgură. Multiplicatorii în denumirile componentelor sunt utilizați numai pentru reprezentare grafică, nu ar trebui să fie luați în considerare la interpretarea valorilor. În timp ce modelul rulează, doar valoarea uneia dintre valorile măsurate este afișată la un moment dat. După 6 secunde, dispare și apare valoarea următoarei valori. În această perioadă de timp, este necesar să aveți timp pentru a înregistra următoarea valoare. Pentru a economisi timp, se recomandă să nu scrieți cifre constante, de exemplu, unitatea de conducere în valoarea temperaturii.

La cinci minute după începerea măsurătorilor de ceasul din colțul din dreapta sus al panoului de configurare, prin apăsarea simultană a tastelor și [#], unde # este numărul de configurare, intensificați viteza de amestecare a fazelor.

2.3.4 Prelucrarea și prezentarea rezultatelor măsurătorilor

Tabelul cu rezultatele măsurătorilor generat de programul de simulare trebuie completat cu următoarele coloane calculate:

Tabelul 1. Rezultatele prelucrării statistice a datelor experimentale

În tabelul din prima coloană, ar trebui să calculați timpul de la începutul procesului în minute.

Prelucrarea ulterioară se efectuează după reprezentarea grafică - în prima etapă a prelucrării, trebuie să reprezentați grafic dependența temperaturii în timp și să estimați intervalul de date atunci când tranziția sulfului este în principal însoțită de tranziția fierului. În acest interval, se disting două regiuni cu aceleași rate de amestecare, iar coeficienții de aproximare a polinoamelor de formă se găsesc folosind metoda celor mai mici pătrate:

care rezultă din ecuația (15.5) în condițiile specificate. Comparând valorile obținute ale coeficienților, se trag concluzii despre modul de proces și gradul de aproximare a sistemului de starea de echilibru. Rețineți că în ecuația (15.13) nu există termen liber.

Pentru a ilustra rezultatele experimentului, sunt reprezentate grafice ale dependențelor concentrației de sulf în timp și ale vitezei de desulfurare față de concentrația de sulfură de calciu din zgură.

Comanda de procesare a rezultatelor

2. Calculați viteza procesului de desulfurare din concentrația de sulf din metal, logaritmii vitezei și concentrația de sulf.

3. Trasați pe foi separate graficele temperaturii în unitate în funcție de timp, masa zgurii în funcție de timp, viteza și timpul de desulfurare și logaritmul vitezei de desulfurare față de logaritmul concentrației de sulf.

4. Folosind metoda celor mai mici pătrate, se evaluează separat pentru diferite viteze de agitare caracteristicile cinetice ale procesului de desulfurare în conformitate cu ecuația () și ordinea de reacție în ceea ce privește concentrația de sulf.

Rezultatele testului:

1. Grafice proiectate corespunzător ale dependenței ratei procesului de desulfurare și logaritmului acestei valori în timp, pe o foaie separată de foi de calcul cu toate semnăturile de notație necesare.

2. Valorile caracteristicilor cinetice ale procesului de desulfurare în toate variantele procesului, indicând dimensiunile (și erorile).

3. Concluzii asupra lucrării.

Întrebări de control

1. Ce condiții sunt necesare pentru cea mai completă desulfurare a metalului prin zgură?

2. Ce procese anodice pot însoți îndepărtarea sulfului?

3. Care sunt etapele tranziției sulfului prin interfață?

4. În ce cazuri este implementat modul de difuzie sau cinetic de desulfurare?

5. Care este comanda de lucru?

2.4 Studiul termografic al proceselor de disociere a carbonaților naturali (Lucrarea nr. 16)

2.4.1 Modele generale de disociere a carbonatului

Termograma este dependența de timp a temperaturii probei. Metoda termografică de studiere a proceselor de descompunere termică a substanțelor s-a răspândit după ce au fost descoperite trăsăturile caracteristice unor astfel de dependențe: „opriri de temperatură” și „zone de temperatură înclinată”.

1.4

Figura 3. Ilustrația termogramei:

curba punctată este termograma unei probe de referință ipotetice în care nu are loc disocierea; linia continuă este o probă reală cu disociere în două etape.

Acestea sunt secțiuni caracteristice ale dependenței, în care timp de ceva timp () temperatura fie rămâne constantă (T \u003d const), fie crește cu o cantitate mică (T) la o rată constantă (T /). Folosind diferențierea numerică sau grafică, este posibil să se determine cu bună acuratețe momentele de timp și temperatura de început și sfârșit de oprire de temperatură.

În munca de laborator propusă, o astfel de dependență se obține prin încălzirea continuă a materialului natural calcitul, a cărui componentă principală este carbonatul de calciu. O rocă compusă în principal din calcit se numește calcar. Calcarul este folosit in cantitati mari in metalurgie.

Ca urmare a prăjirii (tratamentului termic) a calcarului printr-o reacție endotermă

CaCO 3 \u003d CaO + CO 2

se obţine var (CaO) - o componentă necesară a topiturii de zgură. Procesul se desfășoară la temperaturi sub punctele de topire atât ale calcarului, cât și ale varului. Se știe că carbonații și oxizii formați din aceștia sunt practic insolubili reciproc; prin urmare, produsul de reacție este o nouă fază solidă și gaz. Expresia pentru constanta de echilibru, în cazul general, are forma:

Aici A sunt activitățile reactanților solizi, este presiunea parțială a produsului de reacție gazos. O altă rocă, numită dolomit, este, de asemenea, utilizată pe scară largă în metalurgie. Constă în principal dintr-un mineral cu același nume, care este sarea dublă a acidului carbonic CaMg(CO 3) 2 .

Calcitul, ca orice mineral natural, împreună cu componenta principală conține o varietate de impurități, a căror cantitate și compoziție depind de depozitul resursei naturale și chiar de zona specifică de exploatare. Varietatea compușilor de impurități este atât de mare încât este necesar să le clasificăm în funcție de o trăsătură care este esențială într-un anumit caz. Pentru analiza termodinamică, o caracteristică esențială este capacitatea impurităților de a forma soluții cu reactivi. Presupunem că nu există impurități în mineral, care, în intervalul de condiții studiate (presiune și temperatură), intră în orice reacții chimice între ele sau cu componenta sau produsul principal al descompunerii sale. În practică, această condiție nu este satisfăcută cu strictețe, deoarece, de exemplu, carbonați ai altor metale pot fi prezenți în calcit, dar din punctul de vedere al analizei ulterioare, luarea în considerare a acestor reacții nu va oferi informații noi, ci va oferi în mod inutil. complica analiza.

Toate celelalte impurități pot fi împărțite în trei grupe:

1. Impurități formând o soluție cu carbonat de calciu. Astfel de impurități, desigur, trebuie luate în considerare în analiza termodinamică și, cel mai probabil, în analiza cinetică a procesului.

2. Impurități care se dizolvă în produsul de reacție – oxid. Soluția problemei luării în considerare a impurităților de acest tip depinde de cât de repede se dizolvă în produsul solid de reacție și de problema strâns legată a dispersiei incluziunilor de impurități de acest tip. Dacă incluziunile au dimensiuni relativ mari și dizolvarea lor are loc lent, atunci nu trebuie luate în considerare în analiza termodinamică.

3. Impurități insolubile în carbonatul original și produsul său de descompunere. Aceste impurități nu trebuie luate în considerare în analiza termodinamică, de parcă nu ar fi prezente deloc. În unele cazuri, acestea pot afecta cinetica procesului.

În cea mai simplă versiune (grundă) a analizei, este posibil să combinați toate impuritățile de același tip și să le considerați ca o componentă generalizată. Pe această bază, distingem trei componente: B1, B2 și B3. Ar trebui discutată și faza gazoasă a sistemului termodinamic luat în considerare. În munca de laborator, procesul de disociere se desfășoară într-o instalație deschisă care comunică cu atmosfera încăperii. În acest caz, presiunea totală în sistemul termodinamic este constantă și egală cu o atmosferă, iar în faza gazoasă există un produs de reacție gazos - dioxid de carbon (CO2) și componente ale mediului aerului, sub formă simplificată - oxigen și azot. Acestea din urmă nu interacționează cu celelalte componente ale sistemului, prin urmare, în cazul în cauză, oxigenul și azotul nu se pot distinge, iar în cele ce urmează le vom numi componenta gazoasă neutră B.

Opririle de temperatură și platformele au o explicație termodinamică. Cu o compoziție cunoscută a fazelor, este posibil să se prezică temperatura de oprire prin metode termodinamice. De asemenea, se poate rezolva problema inversă - să se determine compoziția fazelor de la temperaturi cunoscute. Este inclusă în acest studiu.

Opririle de temperatură și platformele pot fi realizate numai dacă sunt îndeplinite anumite cerințe privind cinetica procesului. Este firesc să ne așteptăm că acestea sunt cerințele compozițiilor practic de echilibru ale fazelor de la locul reacției și gradienți neglijabil de mici în straturile de difuzie. Respectarea unor astfel de condiții este posibilă dacă viteza procesului este controlată nu de factori interni (rezistența la difuzie și rezistența reacției chimice în sine), ci de factori externi - rata de alimentare cu căldură la locul de reacție. Pe lângă modurile de bază ale unei reacții eterogene definite în chimia fizică: cinetic și difuzie, acest mod al procesului se numește termic.

Rețineți că regimul termic al procesului de disociere în fază solidă se dovedește a fi posibil datorită particularității reacției, care necesită furnizarea unei cantități mari de căldură și, în același timp, nu include etapele de alimentare. substanțele inițiale la locul de reacție (deoarece o substanță se descompune) și îndepărtarea produsului de reacție solid din separarea fazelor limită (deoarece această limită se mișcă). Raman doar doua etape de difuzie: indepartarea CO2 prin faza gazoasa (aparent cu foarte putina rezistenta) si difuzia CO2 prin oxid, care este mult facilitata de cracarea oxidului care umple volumul ocupat anterior de monoxidul de carbon volatilizat.

Luați în considerare un sistem termodinamic la temperaturi sub limita de temperatură. Să presupunem mai întâi că nu există impurități de primul și al doilea tip în carbonat. Se va lua în considerare posibila prezență a unei impurități de tip al treilea, dar doar pentru a arăta că aceasta poate fi evitată. Să presupunem că o probă din calcitul în pulbere studiat este compusă din particule sferice identice cu o rază r 0 . Să desenăm granița sistemului termodinamic la o anumită distanță de suprafața uneia dintre particulele de calcit, care este mică în comparație cu raza sa și, astfel, includem un anumit volum al fazei gazoase în sistem.

Există 5 substanțe în sistemul luat în considerare: CaO, CaCO3, B3, CO2, B, iar unele dintre ele participă la o reacție. Aceste substanțe sunt distribuite în patru faze: CaO, CaCO3, B3, faza gazoasă, fiecare dintre acestea fiind caracterizată de propriile valori de diferite proprietăți și este separată de alte faze printr-o interfață vizibilă (cel puțin la microscop). Faptul că faza B3 este cel mai probabil reprezentată de o multitudine de particule dispersate nu va schimba analiza - toate particulele sunt aproape identice ca proprietăți și pot fi considerate ca o singură fază. Presiunea externă este constantă, deci mai rămâne o singură variabilă externă - temperatura. Astfel, toți termenii pentru calcularea numărului de grade de libertate ( Cu) sunt definite: Cu = (5 – 1) + 1 – 4 = 1.

Valoarea obținută înseamnă că atunci când temperatura (a unui parametru) se modifică, sistemul va trece de la o stare de echilibru la alta, iar numărul și natura fazelor nu se vor schimba. Parametrii stării sistemului se vor modifica: temperatura și presiunea de echilibru a dioxidului de carbon și a gazului neutru B ( T , R CO2 , R B).

Strict vorbind, ceea ce s-a spus este adevărat nu pentru orice temperatură sub limita de temperatură, ci doar pentru intervalul în care reacția, care are loc inițial în regim cinetic, a trecut în regimul termic și se poate vorbi cu adevărat de apropiere. a parametrilor sistemului la cei de echilibru. La temperaturi mai scăzute, sistemul nu este în esență în echilibru, dar acest lucru nu afectează în niciun fel caracterul dependenței temperaturii probei de timp.

Încă de la începutul experimentului, la temperatura camerei, sistemul se află într-o stare de echilibru, dar numai pentru că nu există în el substanțe care ar putea interacționa. Aceasta se referă la oxidul de calciu, care în aceste condiții (presiunea parțială a dioxidului de carbon în atmosferă este de aproximativ 310–4 atm, presiunea de echilibru este de 10–23 atm) ar putea fi carbonizat. Conform ecuației izoterme pentru reacție, scrisă ținând cont de expresia constantei de echilibru (16.1) cu activitățile substanțelor condensate egale cu unu:

modificarea energiei Gibbs este pozitivă, ceea ce înseamnă că reacția trebuie să se desfășoare în direcția opusă, dar acest lucru nu este posibil, deoarece nu există oxid de calciu în sistem pentru început.

Odată cu creșterea temperaturii, elasticitatea de disociere (presiunea de echilibru a CO2 peste carbonat) crește, după cum urmează din ecuația izobară:

deoarece căldura reacției este mai mare decât zero.

Numai la o temperatură de aproximativ 520 C, reacția de disociere devine termodinamic posibilă, dar va începe cu o întârziere semnificativă (perioada de incubație) necesară pentru ca faza de oxid să se nucleeze. Inițial, reacția se va desfășura în modul cinetic, dar, datorită autocatalizei, rezistența etapei cinetice va scădea rapid atât de mult încât reacția va intra în modul termic. Din acest moment, analiza termodinamică de mai sus devine valabilă, iar temperatura probei va începe să rămână în urmă față de temperatura probei ipotetice de referință în care nu are loc disocierea (vezi Figura 3).

Analiza termodinamică considerată va rămâne valabilă până în momentul în care elasticitatea de disociere atinge 1 atm. În același timp, dioxidul de carbon este eliberat continuu pe suprafața probei la o presiune de 1 atm. Împinge aerul, iar noi porțiuni vin din probă pentru a-l înlocui. Presiunea dioxidului de carbon nu poate crește peste o atmosferă, deoarece gazul scapă liber în atmosfera înconjurătoare.

Sistemul se schimbă fundamental, deoarece acum nu există aer în faza gazoasă în jurul probei și există o componentă mai puțin în sistem. Numărul de grade de libertate într-un astfel de sistem c \u003d (4 - 1) + 1 - 4 \u003d 0

se dovedește a fi egal cu zero și, în timp ce se menține echilibrul în acesta, nu se poate modifica niciun parametri de stare, inclusiv temperatura.

Observăm acum că toate concluziile (calculul numărului de grade de libertate etc.) vor rămâne valabile dacă nu se ia în considerare componenta B3, care crește atât numărul de substanțe, cât și numărul de faze cu una, care este reciproc. compensate.

Urmează o oprire a temperaturii, când toată căldura primită este cheltuită doar pentru procesul de disociere. Sistemul funcționează ca un controler de temperatură foarte bun atunci când o mică schimbare aleatorie a temperaturii face ca viteza de disociere să se schimbe în direcția opusă, ceea ce readuce temperatura la valoarea anterioară. Calitatea înaltă a reglementării se explică prin faptul că un astfel de sistem este practic fără inerție.

Pe măsură ce procesul de disociere se dezvoltă, frontul de reacție se deplasează mai adânc în probă, în timp ce suprafața de interacțiune scade și grosimea produsului solid de reacție crește, ceea ce împiedică difuzia dioxidului de carbon de la locul de reacție la suprafața probei. Începând de la un moment dat, regimul termic al procesului trece într-unul mixt, iar apoi într-unul de difuzie. Deja în modul mixt, sistemul va deveni esențial dezechilibrat și concluziile obținute din analiza termodinamică își vor pierde sensul practic.

Datorită scăderii vitezei procesului de disociere, cantitatea necesară de căldură va scădea atât de mult încât o parte din fluxul de căldură primit va începe din nou să fie cheltuită pentru încălzirea sistemului. Din acest moment, oprirea temperaturii se va opri, deși procesul de disociere va continua până când carbonatul se va descompune complet.

Este ușor de ghicit că pentru cel mai simplu caz luat în considerare, valoarea temperaturii de oprire poate fi găsită din ecuație

Un calcul termodinamic folosind această ecuație folosind baza de date TDHT oferă o temperatură de 883 ° C pentru calcitul pur și 834 ° C pentru aragonit pur.

Acum să complicăm analiza. În timpul disocierii calcitului care conține impurități de tipul 1 și 2, când activitățile carbonatului și oxidului nu pot fi considerate egale cu unitatea, starea corespunzătoare devine mai complicată:

Dacă presupunem că conținutul de impurități este scăzut și soluțiile rezultate pot fi considerate ca fiind infinit diluate, atunci ultima ecuație poate fi scrisă ca:

Unde - fracție molară impuritatea corespunzătoare.

Dacă o zonă de temperatură înclinată și ambele temperaturi ( T 2 > T 1) peste temperatura de oprire pentru carbonat de calciu pur - K R (T 1) > 1 și K R (T 2) > 1, atunci este rezonabil să presupunem că nu există impurități de al doilea tip sau nu au timp să se dizolve () și să estimeze concentrația de impurități de primul tip la început

iar la sfârşitul opririi de temperatură

Impuritatea de primul tip ar trebui să se acumuleze într-o oarecare măsură în soluția de CaCO3-B1 pe măsură ce frontul de reacție se mișcă. În acest caz, coeficientul unghiular al pantei amplasamentului este exprimat prin raportul:

unde 1 este proporția componentului B1 care revine la faza inițială atunci când este izolat în forma sa pură; V S este volumul molar al calcitului; v C este viteza de disociere a carbonatului; este efectul termic al reacției de disociere la temperatura de oprire; r 0 este raza inițială a unei particule de calcit.

Folosind date de referință, această formulă poate fi utilizată pentru a calcula v C- viteza de dizolvare

reniu component B1 în calcit.

2.4.2 Schema de instalare și metoda de lucru

Lucrarea studiază disocierea carbonatului de calciu și a dolomitei a diferitelor fracții.

Schema configurației experimentale este prezentată în Figura 4.

Figura 4 - Schema instalației de studiere a termogramelor de disociere a carbonaților:

1 - tub de corindon, 2 - carbonat, 3 - termocuplu, 4 - cuptor,

5 - autotransformator, 6 - computer personal cu placa ADC

Un tub de corindon (1) cu un termocuplu (3) și o probă de testare de carbonat de calciu (2) este instalat într-un cuptor (4) preîncălzit la 1200 K. Pe ecranul monitorului calculator personal observați termograma probei. După trecerea prin secțiunea izotermă, experimentul se repetă cu o altă fracție de carbonat. În studiul dolomitei, încălzirea este efectuată până când sunt detectate două opriri de temperatură.

Termogramele obţinute sunt prezentate pe graficul „temperatura – timp”. Pentru o comparație ușoară, toate termogramele trebuie să fie afișate pe un singur grafic. Temperatura de desfășurare intensivă a procesului este determinată din aceasta și este comparată cu cea găsită din analiza termodinamică. Se trag concluzii despre influența temperaturii, natura carbonatului, gradul de dispersie a acestuia asupra naturii termogramei.

2.4.3 Prelucrarea și prezentarea rezultatelor măsurătorilor

Pe baza rezultatelor lucrării, trebuie completat următorul tabel:

Tabelul 1. Rezultatele studiului procesului de disociere a carbonatului de calciu (dolomit)

Primele două coloane sunt populate cu valori atunci când fișierul de date este deschis, acesta din urmă trebuie calculat. Netezirea se realizează pe cinci puncte, diferențierea numerică a datelor netezite se realizează cu netezire suplimentară tot pe cinci puncte. Pe baza rezultatelor lucrării, ar trebui construite două diagrame de dependență separate: t– și d t/d- t .

Valoarea rezultată de oprire a temperaturii ( Ts) trebuie comparată cu valoarea caracteristică pentru calcitul pur. Dacă valoarea observată este mai mare, atunci este posibil să se estimeze aproximativ conținutul minim al primului tip de impurități conform ecuației (16.7), presupunând că nu există impurități de al doilea tip. Dacă se observă o relație inversă, atunci putem concluziona că impuritățile de al doilea tip au influența principală și estimam conținutul minim al acestora, cu condiția să nu existe impurități de primul tip. Ecuația (16.6) implică că în acest din urmă caz

Este de dorit să se calculeze valoarea constantei de echilibru utilizând baza de date TDHT utilizând metoda descrisă în manual. În cazul extrem, puteți utiliza ecuația care aproximează dependența modificării energiei Gibbs în reacția de disociere a carbonatului de calciu cu temperatura:

G 0 = B 0 + B unu · T + B 2 · T 2 ,

luând valorile coeficienților egale cu: B 0 = 177820, J/mol; B 1 \u003d -162,61, J / (mol K), B 3 \u003d 0,00765, J mol -1 K -2.

Notă . Dacă la cursul „Chimie fizică” studenții nu sunt familiarizați cu baza de date TDHT și nu au efectuat calculele corespunzătoare la orele practice, atunci trebuie utilizate ecuația Schwartzman-Temkin și datele din cartea de referință.

Comanda de procesare a rezultatelor

1. Introduceți rezultatele înregistrării manuale a informațiilor într-un fișier tabelar.

2. Efectuați netezirea temperaturii.

3. Trasează pe o foaie separată un grafic al temperaturii în funcție de timp.

4. Diferențiați în timp valorile temperaturii cu netezire cu 5 puncte.

5. Construiți pe o foaie separată un grafic al dependenței derivatei în timp a temperaturii de temperatură, determinați caracteristicile amplasamentelor.

Rezultatele testului:

1. Într-o carte de calcul trimisă spre examinare, prima pagină intitulată „Rezultate” trebuie să furnizeze următoarele informații:

A. În celula „A1” - valoarea opririi de temperatură (medie pentru o platformă înclinată), în celula „B1” - unități de măsură;

b. În celula „A2” - durata opririi temperaturii, în celula „B2” - unități de măsură;

c. În celula „A3” - panta amplasamentului, în celula „B3” - unități de măsură;

d. În celula „A4” - tipul de impuritate sau „0” dacă prezența impurităților nu a fost detectată;

e. În celula „A5” - fracția molară a impurității;

f. Pornind de la celula „A7”, concluziile lucrării ar trebui să fie clar articulate.

Celulele A1, A3 și A5 ar trebui să fie referințe la celulele din alte foi ale cărții de calcul pe care au fost efectuate calcule pentru a obține rezultatul prezentat, și nu valorile numerice în sine! Dacă această cerință nu este îndeplinită, programul de verificare dă mesajul „Eroare de prezentare a informațiilor”.

2. Grafice proiectate corespunzător ale temperaturii față de timp, temperatură față de timp față de temperatură și temperatură față de timp față de timp pe foi separate de foi de calcul cu toate legendele și simbolurile necesare.

3. Valorile estimărilor temperaturii de oprire și durata acestora.

4. Concluzii asupra lucrării.

Întrebări de control

1. Ce determină temperatura la care carbonatul începe să se disocieze în aer?

2. De ce crește elasticitatea disocierii carbonitului odată cu creșterea temperaturii?

3. Care este numărul de grade de libertate ale sistemului în care s-a stabilit un echilibru între substanțele CaO, CO 2, CaCO 3?

4. Cum se va schimba natura termogramei dacă produsul de disociere formează soluții solide cu materia primă?

5. Care mod al reacției heterogene de disociere a carbonatului corespunde părții izoterme a termogramei?

6. Cum se va schimba forma termogramei în timpul disocierii carbonatului polidispers?

7. Care este diferența dintre termogramele obținute la o presiune totală de 101,3 kPa și 50 kPa?

2.5 Studierea dependenței de temperatură a vâscozității topiturii de oxid (Lucrarea nr. 17)

2.5.1 Natura rezistenței vâscoase a topiturii de oxid

Vâscozitatea este una dintre cele mai importante caracteristici fizico-chimice ale topiturii de zgură. Are un efect semnificativ asupra mobilității de difuzie a ionilor și, prin urmare, asupra cineticii interacțiunii metalului cu zgura, asupra vitezei de transfer de căldură și a proceselor de transfer de masă în unitățile metalurgice. Studiul dependenței de temperatură a vâscozității oferă informații indirecte despre transformările structurale în topiturile de oxid și modificările parametrilor anioni complecși. Compoziția și, prin urmare, vâscozitatea, depind de scopul zgurii. Deci, de exemplu, pentru a intensifica etapele de difuzie ale interacțiunii redox dintre metal și zgură (desulfurare, defosforizare etc.), compoziția zgurii este selectată astfel încât vâscozitatea acesteia să fie scăzută. Dimpotrivă, pentru a preveni transferul hidrogenului sau azotului în oțel, prin zgura din faza gazoasă se introduce o zgură cu vâscozitate crescută.

Una dintre caracteristicile cantitative ale vâscozității poate fi coeficientul de vâscozitate dinamică (η), care este definit ca coeficientul de proporționalitate în legea lui Newton a frecării interne.

Unde F este forța de frecare internă între două straturi de fluid adiacente, grad υ – gradient de viteza, S este aria suprafeței de contact a straturilor. Unitatea de unitate de vâscozitate dinamică în SI: [η] = N s / m 2 = Pa s.

Se știe că un flux de fluid este o serie de salturi de particule într-o poziție stabilă vecină. Procesul are un caracter de activare. Pentru a implementa salturi, particula trebuie să aibă o rezervă de energie suficientă în comparație cu valoarea sa medie. Este nevoie de energie în exces pentru a rupe legăturile chimice ale unei particule în mișcare și pentru a forma un loc liber (cavitate) în volumul de topire în care aceasta trece. Pe măsură ce temperatura crește, energia medie a particulelor crește și mai multe dintre ele pot participa la flux, ceea ce duce la o scădere a vâscozității. Numărul de astfel de particule „active” crește cu temperatura conform legii de distribuție exponențială a lui Boltzmann. În consecință, dependența coeficientului de vâscozitate de temperatură are o formă exponențială

unde η 0 este un coeficient puțin dependent de temperatură, Eη este energia de activare a fluxului vâscos. Caracterizează energia cinetică minimă a unui mol de particule active capabile să participe la flux.

Structura topiturii de oxid are un efect semnificativ asupra coeficientului de vâscozitate. Spre deosebire de mișcarea ionilor sub acțiunea unui câmp electric, într-un flux vâscos, toate particulele de fluid se mișcă secvențial în direcția de mișcare. Cea mai lentă etapă este mișcarea particulelor mari, care au cea mai mare contribuție la valoarea lui η. Ca urmare, energia de activare a fluxului vâscos se dovedește a fi mai mare decât cea a conductivității electrice ( E η > E).

În zgura acide care conțin oxizi de Si, P, B, concentrația de anioni complecși mari sub formă de lanțuri, inele, tetraedre și alte structuri spațiale este mare (de exemplu,

etc.). Prezența particulelor mari crește vâscozitatea topiturii, deoarece. mutarea lor necesită multă energie în comparație cu cele mici.

Adăugările de oxizi bazici (CaO, MgO, MnO) conduc la o creștere a concentrației de cationi simpli (Ca 2+ , Mg 2+ , Mn 2+) în topitură. Anionii О2– introduși contribuie la depolimerizarea topiturii; dezintegrarea anionilor complecși, de exemplu,

Ca urmare, vâscozitatea zgurii scade.

În funcție de temperatură și compoziție, vâscozitatea zgurii metalurgice poate varia într-un interval destul de larg (0,01 - 1 Pa s). Aceste valori sunt ordine de mărime mai mari decât vâscozitatea metalelor lichide, ceea ce se datorează prezenței unităților de curgere relativ mari în zgură.

Dependența exponențială redusă a lui η de T(17.2) descrie bine datele experimentale pentru zguri bazice care conțin mai puțin de 35 moli. % Si02. În astfel de topituri, energia de activare a fluxului vâscos Eη este constantă și are o valoare mică (45 – 80 kJ/mol). Pe măsură ce temperatura scade, η se modifică nesemnificativ și numai după solidificare începe să crească rapid.

În zgura acide cu o concentrație mare de componente de complexare, energia de activare poate scădea odată cu creșterea temperaturii: E η = E 0 / T, care este cauzată de dezagregarea anionilor complecși în timpul încălzirii. Datele experimentale în acest caz sunt liniarizate în coordonatele " lnη – 1/ T 2".

2.5.2 Descrierea procedurii de configurare și de măsurare a vâscozității

Pentru a măsura coeficientul de vâscozitate în lucru, se folosește un vâscozimetru rotativ (Figura 5). Dispozitivul și principiul de funcționare al acestui dispozitiv este după cum urmează. Lichidul de testare (2) se pune în creuzetul (1) de formă cilindrică, în care este scufundat axul (4) suspendat pe o sfoară elastică (5). În timpul experimentului, cuplul de la motorul electric (9) este transmis discului (7), de la acesta prin sfoară până la ax.

Mărimea vâscozității topiturii de oxid este apreciată de unghiul de răsucire al firului, care este determinat pe o scară (8). Când axul se rotește, rezistența vâscoasă a fluidului creează un moment de frânare al forțelor, răsucirea corzii până când momentul deformarii elastice a corzii devine egal cu momentul forțelor de rezistență vâscoasă. În acest caz, viteza de rotație a discului și a axului va fi aceeași. Corespunzător unei astfel de stări, unghiul de răsucire al sforii (∆φ) poate fi măsurat prin compararea poziției săgeții (10) față de scară: inițială - înainte de pornirea motorului electric și constant - după pornire. Este evident că unghiul de răsucire al șirului ∆φ este cu atât mai mare, cu atât mai mare este vâscozitatea fluidului η. Dacă deformațiile corzilor nu le depășesc pe cele limită (corespunzătoare valabilității legii lui Hooke), atunci valoarea lui ∆φ este proporțională cu η și putem scrie:

Factorul de ecuație k, numită constanta viscozimetrului, depinde de mărimea creuzetului și a axului, precum și de proprietățile elastice ale sforii. Pe măsură ce diametrul firului scade, sensibilitatea vâscozimetrului crește.

Figura 5 - Schema instalației de măsurare a vâscozității:

1 – creuzet, 2 – topitură de testare, 3 – cap ax,

4 - ax, 5 - șir, 6 - partea superioară a instalației, 7 - disc,

8 - scară, 9 - motor electric, 10 - săgeată, 11 - cuptor, 12 - transformator,

13 - dispozitiv de control al temperaturii, 14 - termocuplu.

Pentru a determina constanta viscozimetrului k un lichid cu o vâscozitate cunoscută este plasat în creuzet - o soluție de colofoniu în ulei de transformator. În acest caz, ∆φ0 este determinat în experiment la temperatura camerei. Apoi, cunoscând vâscozitatea (η0) a lichidului de referință la o temperatură dată, se calculează k dupa formula:

Valoare găsită k folosit pentru a calcula coeficientul de viscozitate al topiturii de oxid.

2.5.3 Procedura de lucru

Pentru a face cunoștință cu proprietățile vâscoase ale zgurii metalurgice, în această lucrare de laborator se studiază o topitură de Na 2 O · 2B 2 O 3. Măsurătorile se efectuează în intervalul de temperatură 850–750 o C. După atingerea temperaturii inițiale (850 o C), indicatorul viscozimetrului este setat la zero. Apoi porniți motorul electric și fixați unghiul staționar de răsucire al șirului ∆φ t . Fără a opri viscozimetrul, repetați măsurarea ∆φ t la alte temperaturi. Experimentul este oprit când unghiul de răsucire al sforii începe să depășească 720 o.

2.5.4 Prelucrarea și prezentarea rezultatelor măsurătorilor

Conform rezultatelor măsurătorilor, completați următorul tabel.

Tabelul 1. Dependența de temperatură a vâscozității

În tabel, primele două coloane sunt completate conform rezultatelor înregistrării manuale a citirilor de temperatură pe ecranul monitorului și unghiului de răsucire al filetului pe scara viscozimetrului. Restul coloanelor sunt calculate.

Pentru a verifica fezabilitatea legii exponențiale de modificare a coeficientului de vâscozitate cu temperatura (17.2), este trasat un grafic în coordonatele „Ln (η) - 10 3 / T". Energia de activare este găsită folosind funcțiile LINEST() (OpenOffice.Calc) sau LINEST() (MicrosoftOffice.Exel), aplicându-le coloanelor a cincea și a șasea a tabelului.

În concluzii, datele obținute pentru η și E η sunt comparate cu cele cunoscute pentru zgura metalurgică și se discută natura dependenței de temperatură a vâscozității și relația acesteia cu modificările structurale ale topiturii.

Comanda de procesare a rezultatelor

1. Efectuați măsurători pe celula de calibrare și calculați constanta de setare

2. Introduceți rezultatele înregistrării manuale a informațiilor într-un fișier tabelar.

3. Calculați valorile vâscozității.

4. Trasați un grafic al vâscozității în funcție de temperatură pe o foaie separată.

5. Calculați logaritmul vâscozității și al temperaturii absolute inverse pentru întregul set de măsurători.

6. Aflați coeficienții celor mai mici pătrate b 0 , b 1 ecuație care aproximează dependența logaritmului vâscozității de temperatura reciprocă și se calculează energia de activare.

7. Trasați pe o foaie separată un grafic al dependenței logaritmului vâscozității de temperatura reciprocă și dați o dependență aproximativă Rezultatele testului:

1. Într-o carte de calcul trimisă spre examinare, prima pagină intitulată „Rezultate” trebuie să furnizeze următoarele informații:

A. În celula „A1” - temperatura inițială, în celula „B1” - unități de măsură;

b. În celula „A2” - temperatura finală, în celula „B2” - unități de măsură;

c. În celula „A3” - energia de activare a fluxului vâscos la temperaturi scăzute, în celula „B3” - unități de măsură;

d. În celula „A4” - factor pre-exponențial în formula pentru dependența de temperatură a conductibilității electrice la temperaturi scăzute, în celula „B4” - unități de măsură;

e. În celula „A5” - energia de activare a fluxului vâscos la temperaturi ridicate, în celula „B5” - unități de măsură;

f. În celula „A6” - factor pre-exponențial în formula pentru dependența de temperatură a conductibilității electrice la temperaturi ridicate, în celula „B6” - unități de măsură;

g. Pornind de la celula „A7”, concluziile lucrării ar trebui să fie clar articulate.

În celulele A1-A6, ar trebui să existe legături către celulele din alte foi ale cărții de calcul pe care au fost efectuate calcule pentru a obține rezultatul prezentat, și nu valorile numerice în sine! Dacă această cerință nu este îndeplinită, programul de verificare dă mesajul „Eroare de prezentare a informațiilor”.

2. Grafice corect concepute ale dependențelor vâscozității de temperatură și ale logaritmului vâscozității față de temperatura reciprocă, obținute din date experimentale (puncte) și aproximate printr-un polinom (linie), pe foi separate de foi de calcul cu toate semnăturile de notație necesare. Întrebări de control

1. În ce formă sunt componentele topiturii de oxid, formate din CaO, Na 2 O, SiO 2, B 2 O 3, Al 2 O 3?

2. Ce se numește coeficientul de vâscozitate?

3. Cum se va schimba dependența de temperatură a vâscozității zgurii atunci când i se adaugă oxizi bazici?

4. În ce unități se măsoară vâscozitatea?

5. Cum se determină constanta viscozimetrului?

6. Ce determină energia de activare a unui flux vâscos?

7. Care este motivul scăderii vâscozității odată cu creșterea temperaturii?

8. Cum se calculează energia de activare a unui flux vâscos?

2.6 Recuperarea manganului din topitura de oxid în oțel

(Slujba #18)

2.6.1 Legile generale ale interacțiunii electrochimice ale metalului și zgurii

Procesele de interacțiune a metalului lichid cu zgura topită sunt de mare importanță tehnică și au loc în multe unități metalurgice. Productivitatea acestor unități, precum și calitatea metalului finit, sunt în mare măsură determinate de viteza și completitudinea tranziției anumitor elemente prin limita de fază.

Apariția simultană a unui număr semnificativ de procese fizice și chimice în diferite faze, temperaturile ridicate, prezența fluxurilor hidrodinamice și termice fac dificilă studierea experimentală a proceselor de interacțiune a fazelor în condiții de producție și de laborator. Astfel de sisteme complexe sunt studiate cu ajutorul unor modele care reflectă aspectele individuale, dar cele mai semnificative ale obiectului luat în considerare. În lucrarea de față, modelul matematic al proceselor care au loc la interfața metal-zgură face posibilă analizarea modificării concentrațiilor volumice ale componentelor și a vitezei de tranziție a acestora prin limita interfeței în funcție de timp.

Reducerea manganului din topitura de oxid are loc în funcție de semireacția electrochimică:

(Mn 2+) + 2e =

Procesele însoțitoare trebuie să fie procese de oxidare. Evident, acesta ar putea fi procesul de oxidare a fierului.

= (Fe2+) + 2e

sau impurități din compoziția oțelului, cum ar fi siliciul. Deoarece un ion de siliciu cu patru încărcări nu poate fi în zgură, acest proces este însoțit de formarea unui tetraedru siliciu-oxigen în conformitate cu semireacția electrochimică:

4(O 2-) \u003d (SiO 4 4-) + 4e

Curgerea independentă a numai uneia dintre semireacțiile electrodului date este imposibilă, deoarece aceasta duce la acumularea de sarcini în stratul dublu electric la limita de fază, ceea ce împiedică tranziția substanței.

Starea de echilibru pentru fiecare dintre ele este caracterizată de potențialul electrodului de echilibru ()

unde este potențialul standard, sunt activitățile formelor oxidate și reduse ale substanței; z este numărul de electroni implicați în procesul electrodului, R este constanta universală a gazului, F este constanta Faraday, T- temperatura.

Reducerea manganului din zgură la metal se realizează ca urmare a apariției comune a cel puțin două semireacții ale electrozilor. Vitezele lor sunt setate astfel încât să nu existe acumulare de taxe la interfață. În acest caz, potențialul metalului ia o valoare staționară, la care ratele de generare și asimilare a electronilor sunt aceleași. Diferența dintre cele reale, adică staționar, potențial și valoarea sa de echilibru, se numește polarizare (supratensiune) electrodului, . Polarizarea caracterizează gradul de îndepărtare a sistemului din echilibru și determină viteza de tranziție a componentelor prin limita de fază în conformitate cu legile cineticii electrochimice.

Din punctul de vedere al termodinamicii clasice, procesele de reducere a manganului din zgură prin siliciu dizolvat în fier au loc în sistem într-o direcție sau alta:

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

și solventul însuși (oxidarea manganului cu oxid de fier în zgură

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

Din punctul de vedere al cineticii formale, viteza primei reacții, determinată, de exemplu, de modificarea conținutului de siliciu din metal, departe de echilibrul în regimul cinetic, ar trebui să depindă de produsul concentrațiilor de oxid de mangan din zgură și siliciu în metal într-o oarecare măsură. În regimul de difuzie, viteza de reacție ar trebui să depindă liniar de concentrația componentului a cărui difuzie este împiedicată. Considerații similare pot fi făcute pentru a doua reacție.

Constanta de echilibru a reactiei exprimata in termeni de activitati

este doar o funcție de temperatură.

Raportul dintre concentrațiile de echilibru ale manganului în zgură și metal

se numește coeficientul de distribuție al manganului, care, spre deosebire de acesta, depinde de compoziția fazelor și servește ca o caracteristică cantitativă a distribuției acestui element între zgură și metal.

2.6.2 Modelul procesului

Modelul de simulare ia în considerare trei semireacții ale electrodului care pot avea loc între topitura de oxid de CaO – MnO – FeO – SiO 2 – Al 2 O 3 și fierul lichid care conține Mn și Si ca impurități. Se face o presupunere cu privire la regimul de difuzie al curgerii lor. Se ia în considerare inhibarea difuziei particulelor de Fe 2+ în zgură, siliciu în metal și mangan în ambele faze. Sistemul general de ecuații care descrie modelul are forma

Unde υ ј este viteza semireacției electrodului, η j- polarizare, eu j este densitatea curentului de difuzie limitator, Dj este coeficientul de difuzie, β este constanta convectivă, Cj- concentrare.

Programul model de simulare permite rezolvarea sistemului de ecuații (18.4) - (18.8), ceea ce face posibilă stabilirea modului în care concentrația volumică a componentelor și viteza de tranziție a acestora se modifică în timp atunci când metalul interacționează cu zgura. Sunt afișate rezultatele calculului. Informațiile primite de pe ecranul monitorului includ o reprezentare grafică a modificărilor concentrațiilor componentelor principale, a valorilor curente ale acestora, precum și a valorilor de temperatură și a constantelor de convecție (Figura 8).

Schema bloc a programului pentru modelul de simulare a interacțiunii metalului și zgurii este prezentată în Figura 7. Programul rulează într-un ciclu care se oprește numai după ce a trecut timpul de simulare specificat (aproximativ 10 minute).

Figura 7 - Schema bloc a programului modelului de simulare

2.6.3 Procedura de lucru

Imaginea generată de programul de simulare este prezentată în Figura 8 (panoul din dreapta). Valorile numerice selectate ale cantităților măsurate sunt date în partea superioară a panoului, toate valorile obținute în timpul simulării procesului sunt afișate pe grafic. În denumirile componentelor topiturii metalice și de zgură se folosesc semne suplimentare adoptate în literatura metalurgică. Parantezele pătrate indică faptul că componenta aparține topiturii de metal, iar parantezele rotunde celei de zgură. Multiplicatorii în denumirile componentelor sunt utilizați numai pentru reprezentare grafică, nu ar trebui să fie luați în considerare la interpretarea valorilor. În timp ce modelul rulează, doar valoarea uneia dintre valorile măsurate este afișată la un moment dat. După 6 secunde, dispare și apare valoarea următoarei valori. În această perioadă de timp, este necesar să aveți timp pentru a înregistra următoarea valoare. Pentru a economisi timp, se recomandă să nu scrieți cifre constante, de exemplu, unitatea de conducere în valoarea temperaturii.

Fig. 8. Imaginea ecranului monitorului în timpul executării lucrării nr. 18 la diferite etape ale proceselor.

În patru - cinci minute de la începerea instalării, adăugați oxid de mangan preîncălzit în zgură, ceea ce se face prin apăsarea simultană a tastei Alt și a tastei numerice de pe tastatura principală cu numărul instalației dvs. Ordinea procesării rezultatelor:

1. Introduceți rezultatele înregistrării manuale a informațiilor într-un fișier tabelar.

2. Calculați vitezele proceselor de tranziție a elementelor prin limita interfeței și logaritmii acestor valori înainte și după adăugarea de oxid de mangan la zgura cu o masă de topitură a metalului de 1400 kg.

3. Reprezentați grafic pe foi separate ale temperaturii în funcție de timp, rata de tranziție a manganului în funcție de timp, logaritmul ratei de tranziție a siliciului față de logaritmul concentrației de siliciu în metal.

4. Estimați caracteristicile cinetice ale procesului de tranziție a siliciului folosind metoda celor mai mici pătrate.

Rezultatele testului:

1. Diagrame proiectate corespunzător enumerate în secțiunea anterioară, pe o foaie separată de foi de calcul cu toate semnăturile și simbolurile necesare.

Fig. 2. Valori ale ordinului reacției de oxidare a siliciului înainte și după introducerea oxidului de mangan, indicând erorile.

3. Concluzii asupra lucrării.

Întrebări de control

1. De ce este necesară modelarea proceselor de producție a oțelului?

2. Care este natura interacțiunii dintre metal și zgură și cum se manifestă ea?

3. Ce potențial se numește staționar?

4. Ce potențial se numește echilibru?

5. Ce se numește polarizarea electrodului (supratensiune)?

6. Care este coeficientul de distribuție a manganului între metal și zgură?

7. Ce determină constanta de distribuție a manganului între metal și zgură?

8. Ce factori afectează viteza de tranziție a manganului de la metal la zgură în modul de difuzie?

Bibliografie

1. Linchevsky, B.V. Tehnica experimentului metalurgic [Text] / B.V. Linchevsky. - M.: Metalurgie, 1992. - 240 p.

2. Arseniev, P.P. Metode fizico-chimice pentru studierea proceselor metalurgice [Text]: manual pentru universități / P.P. Arseniev, V.V. Yakovlev, M.G. Krasheninnikov, L.A. Pronin şi alţii - M .: Metalurgie, 1988. - 511 p.

3. Popel, S.I. Interacțiunea metalului topit cu gazul și zgura [Text]: manual / S.I. Popel, Yu.P. Nikitin, L.A. Barmin și alții - Sverdlovsk: ed. UPI-i. CM. Kirova, 1975, - 184 p.

4. Popel, S.I. Teoria proceselor metalurgice [Text]: manual / S.I. Popel, A.I. Sotnikov, V.N. Boronenkov. - M.: Metalurgie, 1986. - 463 p.

5. Lepinskikh, B.M. Proprietăți de transport ale topiturii de metal și zgură [Text]: Manual / B.M. Lepinskikh, A.A. Belousov / Pod. ed. Vatolina N.A. - M.: Metalurgie, 1995. - 649 p.

6. Belay, G.E. Organizarea unui experiment metalurgic [Text]: manual / G.E. Belay, V.V. Dembovsky, O.V. Sotsenko. - M.: Chimie, 1982. - 228 p.

7. Panfilov, A.M. Calcul proprietăților termodinamice la temperaturi ridicate [Resursa electronică]: material didactic pentru studenții facultăților de inginerie metalurgică și fizică de toate formele de învățământ / A.M. Panfilov, N.S. Semenova - Ekaterinburg: USTU-UPI, 2009. - 33 p.

8. Panfilov, A.M. Calcule termodinamice în foi de calcul Excel [Resursă electronică]: instrucțiuni pentru studenții facultăților metalurgice și fizico-tehnice de toate formele de învățământ / A.M.Panfilov, N.S. Semenova - Ekaterinburg: UGTUUPI, 2009. - 31 p.

9. Scurtă carte de referință a mărimilor fizice și chimice / Sub. ed. A.A. Ravdel și A.M. Ponomarev. L.: Chimie, 1983. - 232 p.

Kazachkov E.A. Calcule pe teoria proceselor metalurgice (Document)

Goldstein N.L. Curs scurt în teoria proceselor metalurgice (Document)

Dildin A.N., Sokolova E.V. Teoria proceselor metalurgice (Document)

Krivandin V.A. Filimonov Yu.P. Teoria proiectării și calculele cuptoarelor metalurgice Volumul 1 (Document)

Dudnikov I.A. Fundamentele teoriei proceselor metalurgice (Document)

Sharoglazov B.A., Farafontov M.F., Klementiev V.V. ICE: Teoria, modelarea și calculul fluxurilor de lucru (Document)

Lukanin V.N., Morozov K. A., Khachiyan A.S. et al. Teoria fluxului de lucru (document)

Glinkov G.M., Makovsky V.A. APCS în metalurgia feroasă (Document)

Gikhman I.I., Skorokhod A.V. Introducere în teoria proceselor stocastice (document)

Konovalov A.V., Nerovny V.M., Kurkin A.S., Teoria proceselor de sudare. Manual pentru universități (document)

n1.doc

FGOU VPO

UNIVERSITATEA SIBERIANĂ FEDERALĂ

INSTITUTUL METALELOR NEFEROSE

ŞI ŞTIINŢA MATERIALELOR

TEORIA PROCESELOR METALURGICE

REZUMATUL PRELEGELOR PENTRU ELEVII SPECIALITATII

INGINER FIZIC

KRASNOYARSK 2008

UDC 669.541

BBC 24.5

Referent
Aprobat ca ajutor didactic
I.I.Kopach
K 55 Teoria proceselor metalurgice: Proc. Manual pentru specialitatea „Inginer-Fizician” / SibFU. Krasnoyarsk, 2008. - 46 p.

ISBN 5-8150-0043-4
Manualul conturează prevederile teoretice ale principalelor procese de producție metalurgică, precum: disociere, procese redox, metode chimice și fizice de rafinare, zguri de producție metalurgică și metalurgia sulfurilor.
Universitatea Federală Siberiană, 2008

În introducere

1. 
   DISOCIAREA COMPUȘILOR CHIMICI
2. 
   COMPOZIȚIA ȘI PROPRIETĂȚI ALE FAZEI GAZIALE LA TEMPERATURILE MARI.
3. 
   PROCESE DE REDUCERE.
   1. 
      Reducerea hidrogenului
   2. 
      Recuperare cu carbon solid
   3. 
      Recuperare cu gaz CO
   4. 
      Restaurare cu metale

4. RAFINAREA METALELOR

4.1. Metode de rafinare pirometalurgică

4.2. Metode fizice de rafinare

1. 
   aşezându-se
2. 
   Cristalizare
3. 
   rafinare în vid

5. PRELUCRAREA MATERIALELOR SULFIDE.

1. 
   Separarea topiturii.
2. 
   Conversie mată.

6. Zgură METALURGICĂ.

1. 
   Structura topiturii zgurii

B E D E N I E

Teoria proceselor metalurgice este o chimie fizică care descrie comportamentul sistemelor care reacţionează chimic la temperaturi ridicate, variind de la 800 la 2500 K şi mai mult.

Progresul accelerat al omenirii a început după ce oamenii au învățat să folosească metalele. Nivelul de dezvoltare al țării este încă în mare măsură determinat de nivelul de dezvoltare al industriilor metalurgice, chimice și miniere. În prezent, căile dezvoltării extensive au fost practic epuizate, iar problema dezvoltării intensive a tuturor ramurilor de producție, inclusiv a metalurgiei, a trecut în prim-plan. Ultimele decenii sunt caracterizate de abordări calitativ noi pentru toți Procese de producție, aceasta:

1. 
   economisirea energiei și a resurselor,
2. 
   prelucrarea profundă a materiilor prime și a deșeurilor artificiale,
3. 
   utilizarea celor mai recente realizări ale științei în producție,
4. 
   utilizarea micro- și nanotehnologiilor,
5. 
   automatizarea si informatizarea proceselor de productie,
6. 
   minimizarea efectelor nocive asupra mediu inconjurator.

Aceste cerințe (și multe altele) impun cerințe mari asupra nivelului de pregătire fundamentală și specializată a unui inginer modern.

Manualul propus de teoria proceselor metalurgice este o încercare de a prezenta disciplina la primul, cel mai scăzut nivel de complexitate, adică. fara dovezi matematice, cu fundamentarea minima a pozitiilor initiale si analiza rezultatelor obtinute. Manualul constă din 6 capitole, acoperind aproape întregul proces de obținere a metalelor din minereuri și concentrate.

În primul rând, să ne amintim procesul de topire a fierului din furnal din minereu de fier sau din concentrate de minereu de fier, cunoscut dintr-un curs de chimie școlar. Există trei faze într-un furnal:

1. 
   fază gazoasă, constând din CO, gaze CO 2, vapori de metal și oxizi,
2. 
   fază de zgură formată din oxizi topiți CaO, SiO 2 , Al 2 O 3 , FeO, MnO etc.
3. 
   o fază metalică formată din fier lichid și impurități dizolvate în ea, cum ar fi carbon, mangan, siliciu, fosfor, sulf etc.

Toate cele trei faze interacționează chimic și fizic. Oxidul de fier este redus în faza de zgură și trece în faza metalică. Oxigenul dizolvat în faza de zgură trece în faza metalică și oxidează impuritățile din aceasta. Picăturile de oxid plutesc în faza de metal, iar picăturile de metal se depun în faza de zgură. Tranziția componentelor de la o fază la alta este asociată cu transferul lor prin limitele de fază, prin urmare, un inginer metalurgic lucrează cu sisteme multicomponente, eterogene, cu reacție chimică.

În prezent, metalurgia primește aproximativ 70 de metale, care sunt de obicei împărțite în neferoase și feroase. Acestea din urmă includ doar 4 metale: fier, mangan, vanadiu și crom. Grupul metalelor neferoase este mai numeros, prin urmare este împărțit în următoarele subgrupe.

1. 
   Grele: cupru, plumb, zinc, nichel, staniu, mercur, 18 elemente în total.
2. 
   Metale ușoare: aluminiu, magneziu, titan, siliciu, metale alcaline și alcalino-pământoase, 12 elemente în total.
3. 
   Nobil: aur, argint, platină etc., doar 8 elemente, și-au primit numele din cauza lipsei de afinitate pentru oxigen, prin urmare, în natură sunt în stare liberă (neoxidată).
4. 
   Metale rare: refractare - 5 elemente, pământuri rare - 16 elemente și radioactive - 16 elemente.

În funcție de metoda de producție, procesele de obținere a metalelor sunt împărțite în trei grupe:

pirometalurgice,

hidrometalurgice şi

procese electrometalurgice.

Primul dintre ele procedează la temperaturi de ordinul 1000 - 2500 K, în timp ce componentele sunt în stare topită și dizolvată.

Acestea din urmă se desfășoară în soluție apoasă, mai rar în solvenți organici, la temperaturi de 300–600 K. Multe procese hidrometalurgice au loc și la presiuni ridicate, adică. în autoclave.

Procesele electrometalurgice au loc pe electrozi atât în ​​soluții apoase, cât și în topituri de sare la diferite temperaturi. De exemplu, electroliza aluminei într-o topitură criolit-alumină are loc la 1230 K, iar electroliza platinei dintr-un electrolit apos are loc la 330 K.

Materiile prime pentru producerea multor metale sunt, în primul rând, minereurile oxidate, din care se obțin aluminiu, fier, crom, mangan, titan, parțial cupru, nichel și plumb. Din minereurile sulfurate mai puțin obișnuite se obțin metale precum cuprul, plumbul, nichelul, cobaltul și metalele nobile. Magneziul, calciul și metalele alcaline se obțin din minereurile clorurate (din apele mărilor și lacurilor).

Producția metalurgică are un impact nociv asupra mediului și anume:

1. 
   emisii de gaze de reacție precum CO, SO 2 , SO 3 , Cl, CS 2 și multe alte gaze,
2. 
   particule plisate și lichide de diferite dimensiuni și compoziții,
3. 
   deversarea unor volume mari de ape industriale care poluează corpurile de apă, inclusiv alimentarea cu apă potabilă.
4. 
   o descărcare mare de energie în exces, cu valoare scăzută, care poate fi folosită pentru încălzirea serelor etc.

Acești factori au un impact negativ. În primul rând, angajaților întreprinderilor, precum și orașelor și orașelor din apropiere. Prin urmare, una dintre cele mai importante sarcini ale unui inginer este să organizeze și să planifice producția în așa fel încât să minimizeze efectele nocive asupra mediului. Probleme ecologice ar trebui să fie pe primul loc nu numai în producția socială, ci și în autoconstrângerea personală a fiecărei persoane, sub forma unei respingeri complete sau parțiale a transportului personal, a consumului excesiv de resurse energetice etc.

O estimare aproximativă arată că o persoană care face naveta la locul de muncă transport public, consumă aproximativ cu un ordin de mărime mai puțin combustibil și oxigen, în comparație cu iubitorii de confort care călătoresc singuri într-o mașină cu o cilindree a motorului de câțiva litri. Viitorul omenirii, ca comunitate gânditoare, se află pe calea autocontrolului conștient în sfera consumului de bunuri, servicii și, în cele din urmă, resurse energetice.

Agenția Federală pentru Educație

GOU VPO „Ural State Technical University - UPI”

A.M. Panfilov

Ediție de text electronic educațional

Întocmit de Departamentul de Teoria Proceselor Metalurgice

Editor științific: Prof., Dr. chimic. Științe M.A. Spiridonov

Orientări pentru lucrul de laborator la disciplinele „Chimia fizică a sistemelor și proceselor metalurgice”, „Teoria proceselor metalurgice” pentru studenții de toate formele de învățământ la specialitățile metalurgice.

Regulile de organizare a muncii în atelierul „Teoria proceselor metalurgice” al Departamentului de TMP (publicul de specialitate

Mt-431 im. O.A. Da). Sunt descrise metodologia și procedura pentru efectuarea lucrărilor de laborator, cerințele pentru conținutul și proiectarea rapoartelor privind activitatea de laborator în conformitate cu GOST-urile actuale și recomandări pentru implementarea acestora.

© GOU VPO USTU-UPI, 2008

Ekaterinburg

Introducere ................................................ . ................................................ .. ............................................... 4

1 Organizarea lucrului într-un atelier de laborator privind teoria proceselor metalurgice ............... 4

1.1 Pregătirea pentru laborator............................................. .......................... ................................ ......................... .. 5 1.2 Recomandări pentru prelucrarea rezultatelor măsurătorilor și proiectarea raportului ........... .................................. 5

1.3.1 Trasare ............................................................. ............ ................................................ ........... ................... 5

1.3.2 Netezirea datelor experimentale............................................. ............................. ................................. ..... 7

1.3.5 Diferențierea numerică a unei funcții definite printr-o mulțime de puncte discrete.................................. 8

aproximarea unor seturi de date ................................................. ............ ................................................. 9

1.3.7 Prezentarea rezultatelor.................................................. ........................................................ ....... ....... 10

2 Descrierea lucrărilor de laborator.................................................. ........................................................ ....... ............. unsprezece

2.1 Studiul cineticii oxidării fierului la temperatură înaltă (Lucrarea nr. 13) ................................ .............. 12

2.1.1 Modele generale de oxidare a fierului .......................................... ............................. ................................. .................... 12 2.1.2 Descrierea configurației și a procedurii de realizare a experimentelor .............. .. ............................................... ... .. 14

2.1.3 Prelucrarea și prezentarea rezultatelor măsurătorilor ............................................... ................. ................... 15

Întrebări de control................................................. ................................................. . .............. 17

2.2 Studiul dependenței de temperatură a conductibilității electrice a topiturii de oxid

(Lucrarea nr. 14) ............................................. ................................................... .. .......................................... nouăsprezece

2.2.1 Informații generale despre natura conductibilității electrice a zgurii ................................... .......................... 19

2.2.2 Descrierea procedurii de configurare și de măsurare.................................. ....... ................................. 21

2.2.3 Cum se face treaba................................................ .......................................................... ......... ..... 23

2.2.4 Prelucrarea și prezentarea rezultatelor măsurătorilor........................................... ...................... ................... 24

Întrebări de control................................................. ................................................. . .............. 25

2.3 Studiul cineticii desulfurării metalelor prin zgură pe un model de simulare (Lucrarea nr.

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

2.3.1 Informații generale despre cinetica desulfurării metalelor prin zgură ..................................... ......................... ..... 26

2.3.2 Modelul matematic al procesului............................................. ............................................................. .. 29

2.3.3 Procedura de lucru ............................................. ................ ................................. ................ ...... treizeci

2.3.4 Prelucrarea și prezentarea rezultatelor măsurătorilor ............................................... ................. ................... 31

Întrebări de control................................................. ................................................. . .............. 32

2.4 Studiul termografic al proceselor de disociere a carbonaților naturali (Lucrarea nr. 16) 33

2.4.1 Modele generale de disociere a carbonatului .......................................... .................... ...................... 33

2.4.2 Schema de instalare și metoda de lucru ........................................ .............................................. 39

2.4.3 Prelucrarea și prezentarea rezultatelor măsurătorilor ............................................... ................. ................... 39

Întrebări de control................................................. ................................................. . .............. 41

2.5 Studierea dependenței de temperatură a vâscozității topiturii de oxid (Lucrarea nr. 17) .............. 42

2.5.1 Natura rezistenței vâscoase a topiturii de oxid .................................. ........ ................ 42

2.5.2 Descrierea procedurii de configurare și de măsurare a vâscozității ............................. ........................ ................. 43

2.5.3 Procedura de lucru ............................................. ................ ................................. ................ ...... 45

2.5.4 Prelucrarea și prezentarea rezultatelor măsurătorilor ............................................... ................. ................... 45 Întrebări de securitate ........... ....................... ................................. .......................................................... ............. 46

2.6 Recuperarea manganului din topitura de oxid în oțel (Lucrarea nr. 18)

2.6.1 Legile generale ale interacțiunii electrochimice a metalului și zgurii ............... 47

2.6.2 Modelul procesului............................................. ................. ................................ ............................................. 49

2.6.3 Procedura de lucru ................................................ ................. ................................ ................. ...... 50

Întrebări de control................................................. ................................................. . .............................. 52 Referințe .................. ............................ ................................ .......................................................... .......................... ..... 53

STP USTU-UPI 1-96	Standard de întreprindere. Cerințe generale și reguli pentru proiectarea proiectelor (lucrărilor) de diplomă și curs.
GOST R 1.5-2002	GSS. Standarde. Cerințe generale pentru construcție, prezentare, proiectare, conținut și desemnare.
GOST 2.105-95	ESKD. Cerințe generale pentru documentele text.
GOST 2.106-96	ESKD. Documente text.
GOST 6.30 2003	USD. Sistem unificat de documentație organizatorică și administrativă. Cerințe de documentare.
GOST 7.32-2001	SIBID. Raport de cercetare.
GOST 7,54-88	SIBID. Reprezentarea datelor numerice privind proprietățile substanțelor și materialelor în documente științifice și tehnice. Cerințe generale.
GOST 8.417-2002	GSOEI. Unități

Denumiri și abrevieri

	Standard de stat al fostei URSS sau standard interstatal (în prezent).
	Un standard adoptat de Comitetul de Stat al Federației Ruse pentru Standardizare și Metrologie (Gosstandart al Rusiei) sau Comitetul de Stat al Federației Ruse pentru Politica Locuințelor și Construcțiilor (Gosstroy al Rusiei).
	Sistem de standardizare de stat.
	Sistem de stat pentru asigurarea uniformității măsurătorilor.
	Tehnologia de informație
	Metoda celor mai mici pătrate
	Calculator personal
	Standard de întreprindere
	Teoria proceselor metalurgice

Introducere

Efectuarea lucrărilor de laborator pentru a studia proprietățile sistemului metal-zgură și procesele care au loc în unitățile metalurgice vă permite să înțelegeți mai bine capacitățile metodei fizico-chimice de analiză și să obțineți abilități în aplicarea sa practică. În plus, studentul se familiarizează cu implementarea unor metode de cercetare experimentală și model a proprietăților fizice și chimice individuale și a proceselor metalurgice în general, dobândește abilitățile de prelucrare, analiză și prezentare a informațiilor experimentale.

1 Organizarea lucrărilor într-un atelier de laborator de teoria proceselor metalurgice

În atelierul de laborator despre teoria proceselor metalurgice, principalul lucru este colecția computerizată a informațiilor experimentale. Aceasta determină o serie de caracteristici ale organizării muncii:

Fiecare elev primește o sarcină individuală, realizează întregul experiment sau o parte specificată a acestuia și prelucrează informațiile primite. Rezultatul lucrării include caracteristicile numerice obținute ale fenomenului studiat și erorile în determinarea acestora, grafice care ilustrează caracteristicile identificate și concluziile obținute din întregul set de informații. Discrepanța dintre rezultatele cantitative ale lucrărilor date în rapoartele studenților, în comparație cu estimările de control, nu trebuie să depășească 5%.

Principala opțiune de prezentare a rezultatelor este prelucrarea datelor experimentale, trasarea graficelor și formularea concluziilor în foile de calcul Microsoft.Excel sau OpenOffice.Calc.

Cu permisiunea profesorului, este permisă temporar depunerea unui raport de mână cu ilustrațiile necesare și graficele realizate pe hârtie milimetrată.

Un raport cu privire la lucrările de laborator finalizate se înaintează profesorului care conduce atelierul de laborator cel târziu în ziua lucrătoare care precedă următoarea lucrare de laborator. Ordinea transmiterii (prin e-mail, în pauză către orice profesor sau asistent de laborator care în prezent predă cursuri) este stabilită de profesor.

Studenții care nu au depus la timp un raport asupra lucrărilor anterioare și nu au promovat colocviul (testarea) nu au voie la următoarea lucrare de laborator.

Numai studenții care au promovat un briefing introductiv privind măsurile de lucru în siguranță într-un atelier de laborator și au semnat fișa de informare au dreptul să efectueze lucrări de laborator.

Lucrările cu aparate electrice de încălzire și măsurare, cu sticlă chimică și reactivi se efectuează în conformitate cu instrucțiunile de siguranță din laborator.

După finalizarea lucrării, studentul pune în ordine locul de muncă și îl predă asistentului de laborator.

1.1 Pregătirea pentru laborator

Principalele surse de pregătire pentru lecție sunt acest manual, manualele și materialele didactice recomandate de lector, note de curs.

Pregătindu-se pentru lucrul de laborator, elevul în săptămâna anterioară lecției trebuie să citească și să înțeleagă materialul legat de fenomenul studiat, să înțeleagă schemele din manual în proiectarea instalației și tehnica de măsurare și prelucrarea rezultatelor acestora. În caz de dificultăți, este necesar să se folosească literatura recomandată și consultările lectorului și profesorilor care desfășoară orele de laborator.

Pregătirea elevului de a efectua munca este controlată de profesor printr-un sondaj individual al fiecărui elev sau prin efectuarea de teste pe calculator. Un elev insuficient pregătit este obligat să studieze materialul aferent acestei lucrări în timpul lecției și să efectueze partea experimentală a lucrării într-o lecție suplimentară după reverificare. Timpul și procedura de desfășurare a cursurilor repetate este reglementată de un program special.

1.2 Recomandări pentru prelucrarea rezultatelor măsurătorilor și raportare

Conform GOST 7.54-88, datele numerice experimentale ar trebui să fie prezentate sub formă de tabele cu titluri. Pentru fiecare laborator sunt furnizate exemple de tabele.

Atunci când se prelucrează rezultatele măsurătorilor, este necesar să se utilizeze procesarea statistică: se aplică netezirea datelor experimentale, se utilizează metoda celor mai mici pătrate la estimarea parametrilor de dependență etc. și asigurați-vă că evaluați eroarea valorilor obținute. Pentru a efectua o astfel de prelucrare, foile de calcul oferă funcții statistice speciale. Setul necesar de funcții este disponibil și în calculatoarele concepute pentru calcule științifice (de inginerie).

1.3.1 Trasare

La efectuarea experimentelor, de regulă, valorile mai multor parametri sunt fixate simultan. Analizând relația lor, se pot trage concluzii despre fenomenul observat. Reprezentarea vizuală a datelor numerice facilitează foarte mult analiza relației lor - de aceea trasarea este un pas atât de important în lucrul cu informații. Rețineți că printre parametrii fiși există întotdeauna cel puțin o variabilă independentă - o valoare a cărei valoare se modifică de la sine (timp) sau care este stabilită de experimentator. Restul parametrilor sunt determinați de valorile variabilelor independente. Când trasați diagrame, ar trebui să vă ghidați după câteva reguli:

Valoarea variabilei independente este trasată de-a lungul abscisei (axa orizontală), iar valoarea funcției este reprezentată de-a lungul ordonatei (axa verticală).

Scalele de-a lungul axelor trebuie alese astfel încât să utilizeze zona graficului cât mai informativ posibil - astfel încât să fie mai puține zone goale pe care să nu existe puncte experimentale și linii de dependențe funcționale. Pentru a îndeplini această cerință, este adesea necesar să specificați o valoare diferită de zero la originea axei de coordonate. În acest caz, toate rezultatele experimentale trebuie prezentate pe grafic.

Valorile de-a lungul axelor ar trebui, de regulă, să fie multipli ai unui număr întreg (1, 2, 4, 5) și distanțate uniform. Este strict inacceptabil să se indice rezultatele măsurătorilor specifice pe axe. Unitățile de scară alese nu trebuie să fie prea mici sau prea mari (nu trebuie să conțină mai multe zerouri la început sau la final). Pentru a asigura această cerință, ar trebui să utilizați un factor de scară de forma 10 X, care este scos în desemnarea axei.

Linia de dependență funcțională trebuie să fie fie o linie dreaptă, fie o curbă netedă. Este permisă conectarea punctelor experimentale cu o linie întreruptă numai în etapa de analiză preliminară.

Când trasați folosind foi de calcul, multe dintre aceste cerințe vor fi îndeplinite automat, dar de obicei nu toate și nu în întregime, așa că aproape întotdeauna trebuie să ajustați reprezentarea rezultată.

Foile de calcul au un serviciu special - Chart Wizard (meniul principal: Insert Chart). Cel mai simplu mod de a-l accesa este să selectezi mai întâi o zonă de celule care include atât un argument, cât și o funcție (mai multe funcții), și să activezi butonul „Chart Wizard” de pe panoul standard cu mouse-ul.

Acest lucru vă va oferi un șablon de diagramă cu care mai trebuie să lucrați, deoarece selectarea automată a multor opțiuni implicite de diagramă probabil nu va îndeplini toate cerințele dvs.

În primul rând, verificați dimensiunea numerelor de pe axe și a literelor din axe și a etichetelor de funcție din legendă. Este de dorit ca dimensiunea fontului să fie aceeași peste tot, nu mai puțin de 10 și nu mai mult de 14 puncte, dar va trebui să setați separat valoarea pentru fiecare inscripție. Pentru a face acest lucru, plasați cursorul pe obiectul de interes (axă, etichetă, legendă) și apăsați butonul din dreapta al mouse-ului. În meniul contextual care apare, selectați „Format (element)” iar în noul meniu de pe prospect cu eticheta „Font” selectați valoarea dorită. Când formatați axa, ar trebui să priviți și, eventual, să modificați valorile de pe foile cu etichetele „Scală” și „Număr”. Dacă nu înțelegeți la ce modificări va duce alegerea propusă, nu vă fie teamă să încercați orice opțiune, deoarece puteți oricând să renunțați la modificările făcute apăsând tastele Ctrl + Z sau selectând elementul din meniul principal „Editare” - Anulați sau făcând clic pe butonul „Anulați” din bara de instrumente standard.

Dacă există o mulțime de puncte, iar răspândirea este mică și linia arată destul de netedă, atunci punctele pot fi conectate cu linii. Pentru a face acest lucru, deplasați cursorul peste orice punct din grafic și apăsați butonul dreapta al mouse-ului. Selectați „Format Data Series” din meniul contextual care apare. Într-o fereastră nouă pe o bucată de hârtie cu eticheta „Vizualizare”, ar trebui să selectați culoarea și grosimea liniei corespunzătoare și, în același timp, verificați culoarea, dimensiunea și forma punctelor. În acest fel sunt construite dependențe care aproximează datele experimentale. Dacă aproximarea este o linie dreaptă, atunci două puncte sunt suficiente la marginile intervalului argumentului. Utilizarea opțiunii „curba netezită” încorporată în foile de calcul nu este recomandată din cauza incapacității de a ajusta parametrii de netezire.

1.3.2 Netezirea datelor experimentale

Datele experimentale obținute pe setările experimentale de înaltă temperatură sunt caracterizate de o eroare mare de măsurare aleatorie. Acest lucru este determinat în principal de interferența electromagnetică din funcționarea unui dispozitiv puternic de încălzire. Prelucrarea statistică a rezultatelor poate reduce semnificativ eroarea aleatorie. Se știe că pentru o variabilă aleatoare distribuită conform legii normale, eroarea mediei aritmetice, determinată din N valori, în N½ ori mai mică decât eroarea unei singure măsurători. Cu un număr mare de măsurători, atunci când este acceptabil să presupunem că împrăștierea aleatorie a datelor într-un interval mic depășește semnificativ modificarea obișnuită a valorii, o tehnică eficientă de netezire este să atribuiți următoarea valoare a valorii măsurate mediei aritmetice. calculat din mai multe valori din intervalul simetric din jurul acestuia. Din punct de vedere matematic, aceasta este exprimată prin formula:

(1.1)

și este foarte ușor de implementat în foi de calcul. Aici y i este rezultatul măsurării și Y i este valoarea netezită de utilizat în schimb.

Datele experimentale obținute cu ajutorul sistemelor digitale de colectare a informațiilor se caracterizează printr-o eroare aleatorie, a cărei distribuție diferă semnificativ de legea normală. În acest caz, poate fi mai eficient să folosiți mediana în locul mediei aritmetice. În acest caz, valorii măsurate din mijlocul intervalului i se atribuie valoarea valorii măsurate care s-a dovedit a fi cea mai apropiată de media aritmetică. S-ar părea că o mică diferență în algoritm poate schimba semnificativ rezultatul. De exemplu, în versiunea estimării medii, este posibil ca unele rezultate experimentale să nu fie utilizate deloc, cel mai probabil cele care sunt cu adevărat

„popping” valori cu o eroare deosebit de mare.

1.3.5 Diferențierea numerică a unei funcții definită printr-o mulțime de puncte discrete

Necesitatea unei astfel de operații la procesarea punctelor experimentale apare destul de des. De exemplu, prin diferențierea dependenței concentrației de timp se găsește dependența vitezei procesului în timp și de concentrația reactivului, ceea ce, la rândul său, permite estimarea ordinii reacției. Operația de diferențiere numerică a unei funcții definită de un set de valori ale acesteia ( y) corespunzătoare setului corespunzător de valori ale argumentului ( X), se bazează pe înlocuirea aproximativă a diferenţialului unei funcţii cu raportul dintre modificarea sa finală şi modificarea finală a argumentului:

(1.2)

Diferențierea numerică este sensibilă la erorile cauzate de inexactitatea datelor originale, eliminarea membrilor seriei etc. și, prin urmare, trebuie efectuată cu grijă. Pentru a îmbunătăți acuratețea estimării derivatei (), ei încearcă mai întâi să netezească datele experimentale, cel puțin pe un segment mic, și abia apoi efectuează diferențierea. Ca urmare, în cel mai simplu caz, pentru nodurile echidistante (valorile argumentului diferă între ele cu aceeași cantitate x), se obțin următoarele formule: pentru derivata din prima ( X 1) punct:

pentru derivată în toate celelalte puncte ( X), cu excepția ultimului:

pentru derivata din ultimul ( X) punct:

Dacă există multe date experimentale și este permisă neglijarea mai multor puncte extreme, atunci se pot folosi formule de netezire mai puternice, de exemplu, pentru 5 puncte:

sau cu 7 puncte:

Pentru o aranjare neuniformă a nodurilor, ne limităm la a recomanda să folosim formula modificată (1.3) sub forma

(1.8)

și nu calculați derivata la punctele de început și de sfârșit.

Astfel, pentru a implementa diferențierea numerică, este necesar să plasați formule adecvate în celulele unei coloane libere. De exemplu, valorile argumentelor spațiate inegal sunt plasate în coloana „A” în celulele 2 până la 25, iar valorile funcției sunt plasate în coloana „B” în celulele corespunzătoare. Valorile derivatei ar trebui să fie plasate în coloana „C”. Apoi, în celula „C3” ar trebui să introduceți formula (5) sub forma:

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

și copiați (întindeți) în toate celulele din intervalul C4:C24.

1.3.6 Determinarea prin metoda celor mai mici pătrate a coeficienților polinomi,

aproximând un set de date

În reprezentarea grafică a informațiilor numerice, apare adesea necesitatea trasării unei linii de-a lungul punctelor experimentale, care dezvăluie caracteristicile dependenței obținute. Acest lucru se face pentru a percepe mai bine informațiile și pentru a facilita analiza ulterioară a datelor care au o anumită răspândire din cauza erorilor de măsurare. De multe ori, pe baza unei analize teoretice a fenomenului studiat, se știe dinainte ce formă ar trebui să aibă această linie. De exemplu, se știe că dependența vitezei unui proces chimic ( v) la temperatură trebuie să fie exponențial, exponentul reprezentând reciproca temperaturii pe o scară absolută:

Aceasta înseamnă că pe graficul în coordonatele ln v– 1/T ar trebui să aibă o linie dreaptă,

a cărui pantă caracterizează energia de activare ( E) proces. Prin punctele experimentale, de regulă, se pot trasa mai multe linii drepte cu pante diferite. Într-un anumit sens, cea mai bună dintre ele va fi o linie dreaptă cu coeficienți determinați prin metoda celor mai mici pătrate.

În cazul general, metoda celor mai mici pătrate este utilizată pentru a găsi coeficienții dependenței de aproximare y (X 1 , X 2 ,…x n) un polinom de forma

Unde bși m 1 …m n sunt coeficienți constanți și X 1 …x n este un set de argumente independente. Adică, în cazul general, metoda este folosită pentru a aproxima o funcție a mai multor variabile, dar este aplicabilă și pentru a descrie o funcție complexă a unei variabile X. În acest caz, de obicei se presupune că

iar polinomul de aproximare are forma

La alegerea gradului polinomului de aproximare n rețineți că trebuie să fie neapărat mai mic decât numărul de valori măsurate Xși y. În aproape toate cazurile, nu ar trebui să fie mai mult de 4, rareori 5.

Această metodă este atât de importantă încât în ​​foile de calcul Excel există cel puțin patru opțiuni pentru obținerea valorilor coeficienților doriti. Vă recomandăm să utilizați funcția LINEST() dacă lucrați în foi de calcul Excel în Microsoft Office sau funcția LINEST() în foile de calcul Calc în OpenOffice. Ele sunt prezentate în lista de funcții statistice, aparțin clasei așa-numitelor funcții matrice și, prin urmare, au o serie de caracteristici de aplicație. În primul rând, este introdus nu într-o singură celulă, ci imediat într-un interval (zonă dreptunghiulară) de celule, deoarece funcția returnează mai multe valori. Mărimea orizontală a regiunii este determinată de numărul de coeficienți ai polinomului de aproximare (sunt doi dintre ei în exemplul luat în considerare: ln v 0 și E/R), iar unul până la cinci rânduri pot fi alocate vertical, în funcție de câte informații statistice sunt necesare pentru analiza dvs.

1.3.7 Prezentarea rezultatelor

Într-un document științific și tehnic, atunci când se prezintă date numerice, trebuie făcută o evaluare a fiabilității acestora și trebuie evidențiate erorile aleatorii și sistematice. Erorile de date date trebuie prezentate în conformitate cu GOST 8.207–76.

La procesarea statistică a unui grup de rezultate de observație, trebuie efectuate următoarele operații: eliminarea erorilor sistematice cunoscute din rezultatele observației;

Calculați media aritmetică a rezultatelor observației corectate, luate ca rezultat al măsurării; calculați o estimare a abaterii standard a rezultatului măsurării;

Calculați limitele de încredere ale erorii aleatoare (componenta aleatorie a erorii) a rezultatului măsurării;

Calculați limitele erorii sistematice neexcluse (reziduurile neexcluse ale erorii sistematice) ale rezultatului măsurării; calculați limitele de încredere ale erorii rezultatului măsurării.

Pentru a determina limitele de încredere ale erorii rezultatului măsurării, probabilitatea de încredere R luați egal cu 0,95. Cu o eroare de încredere simetrică, rezultatele măsurătorilor sunt prezentate sub forma:

unde este rezultatul măsurării, ∆ este limita de eroare a rezultatului măsurării, R este nivelul de încredere. Valoarea numerică a rezultatului măsurării trebuie să se încheie cu o cifră de aceeași cifră cu valoarea erorii ∆.

2 Descrierea lucrărilor de laborator

Prima parte a fiecăreia dintre secțiunile dedicate lucrărilor specifice de laborator oferă informații despre compoziția și structura fazelor, mecanismul proceselor care au loc în interiorul fazei sau la interfețele acesteia cu fazele învecinate, minim necesar pentru înțelegerea esenței fenomen studiat în lucrare. Dacă informațiile furnizate sunt insuficiente, notele de curs și literatura recomandată trebuie consultate. Fără înțelegerea primei părți a secțiunii, este imposibil să ne imaginăm ce se întâmplă în sistemul studiat în cursul lucrării, să formulăm și să înțelegem concluzii pe baza rezultatelor obținute.

Următoarea parte a fiecărei secțiuni este dedicată implementării hardware sau software a unei instalații reale sau a unui model de computer. Oferă informații despre echipamentul utilizat și algoritmii aplicați. Fără înțelegerea acestei secțiuni, este imposibil să se evalueze sursele de eroare și ce acțiuni ar trebui luate pentru a minimiza impactul acestora.

Ultima parte descrie procedura pentru efectuarea măsurătorilor și procesarea rezultatelor acestora. Toate aceste întrebări sunt depuse la colocviul premergător lucrării, sau testarea pe computer.

2.1 Studierea cineticii oxidării fierului la temperatură înaltă (Lucrarea nr. 13)

2.1.1 Modele generale de oxidare a fierului

Conform principiului succesiunii transformărilor A.A. Baikov, toți oxizii care sunt stabili termodinamic în condițiile date se formează pe suprafața fierului în timpul oxidării sale la temperatură înaltă cu oxigenul atmosferic. La temperaturi peste 572 ° C, scara este formată din trei straturi: wustite FeO, magnetit Fe 3 O 4, hematit Fe 2 O 3. Stratul de wustită cel mai apropiat de fier, reprezentând aproximativ 95% din grosimea întregii scale, are proprietățile p-semiconductorilor. Aceasta înseamnă că există o concentrație semnificativă de locuri libere de fier feros în rețeaua cationică a FeO, iar neutralitatea electrică este asigurată de apariția unor „găuri” de electroni, care sunt particule de fier feric. Subrețelele anionice ale wuestitei, care constă din ioni О2– încărcați negativ, este practic lipsită de defecte; prezența locurilor libere în subrețeaua cationică crește semnificativ mobilitatea de difuzie a particulelor de Fe2+ prin wuestită și îi reduce proprietățile protectoare.

Stratul intermediar de magnetit este un oxid de compoziție stoechiometrică, care are o concentrație mică de defecte în rețeaua cristalină și, ca urmare, are proprietăți de protecție sporite. Grosimea sa relativă este în medie de 4%.

Stratul exterior de scară - hematita are o conductivitate de tip n. Prezența locurilor libere de oxigen în subrețeaua anioană facilitează difuzia particulelor de oxigen prin aceasta, în comparație cu cationii de fier. Grosimea relativă a stratului de Fe 2 O 3 nu depășește 1% .

La temperaturi sub 572°C, wustita este termodinamic instabilă, astfel încât scara este formată din două straturi: magnetită Fe 3 O 4 (90% din grosime) și hematită Fe 2 O 3 (10%).

Formarea unei pelicule protectoare continue de calcar pe suprafața fierului duce la separarea acestuia de atmosfera aerului. Oxidarea ulterioară a metalului se efectuează datorită difuzării reactivilor prin filmul de oxid. Procesul considerat eterogen constă în următoarele etape: alimentarea cu oxigen din volumul fazei gazoase până la limita cu oxidul prin difuzie moleculară sau convectivă; Adsorbția O2 pe suprafața oxidului; ionizarea atomilor de oxigen cu formarea de anioni O 2–; difuzia anionilor de oxigen în faza de oxid până la limita cu metalul; ionizarea atomilor de fier și trecerea lor la scară sub formă de cationi; difuzia cationilor de fier în oxid până la limita cu gazul; act cristalochimic de formare a unor noi porțiuni ale fazei de oxid.

Regimul de difuzie al oxidării metalelor se realizează dacă etapa cea mai întârziată este transportul particulelor de Fe 2+ sau O 2– prin scară. Furnizarea de oxigen molecular din faza gazoasă este relativ rapidă. În cazul regimului cinetic, etapele de adsorbție sau ionizare a particulelor, precum și actul de transformare chimică a cristalului sunt limitative.

Derivarea ecuației cinetice pentru procesul de oxidare a fierului pentru cazul unei scale cu trei straturi este destul de greoaie. Ea poate fi simplificată semnificativ fără a modifica concluziile finale, dacă considerăm scara ca fiind omogenă ca compoziție și luăm în considerare difuzia prin ea doar a cationilor Fe 2+.

Notează prin D coeficientul de difuzie al particulelor de Fe 2+ la scară, k este constanta de viteză a oxidării fierului, C 1 și CU 2 concentrații de echilibru ale cationilor de fier la interfața cu metalul și respectiv aerul, h este grosimea peliculei de oxid, S este aria suprafeței probei, este densitatea oxidului, M este masa sa molară. Apoi, în conformitate cu legile cineticii formale, rata specifică a actului chimic de interacțiune a fierului cu oxigenul pe unitatea de suprafață a probei ( vr) este determinată de relația:

În stare staționară, este egală cu densitatea fluxului de difuzie al particulelor de Fe 2+.

Având în vedere că viteza globală a procesului de oxidare eterogen este proporțională cu rata de creștere a masei sale

(13.3)

poate fi exclus C 2 din ecuațiile (13.1) și (13.2) și obțineți dependența masei scalei de timp:

(13.4)

Din ultima relatie se poate observa ca regimul cinetic al procesului se realizeaza, de regula, in momentul initial al oxidarii, cand grosimea peliculei de oxid este mica si rezistenta la difuzie a acestuia poate fi neglijata. Creșterea stratului de scară încetinește difuzia reactivilor, iar modul de proces se schimbă în timp la difuzie.

O abordare mai riguroasă dezvoltată de Wagner în teoria ion-electron a oxidării metalelor la temperatură înaltă face posibilă calcularea cantitativă a constantei de viteză a legii parabolice a creșterii peliculei folosind date din experimente independente privind conductivitatea electrică a oxizilor:

unde ∆ G este modificarea energiei Gibbs pentru reacția de oxidare a metalului, M este masa molară a oxidului, este conductivitatea sa electrică, t i este proporția conductivității ionice, z este valența metalului, F este constanta Faraday.

Când se studiază cinetica formării de foarte subțiri ( 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), precum și cubic h 3 = Kτ (oxizi - semiconductori p-tip) sau logaritmică inversă 1/ h = C K ln(τ) ( n- tip de conductivitate) la încetinirea etapei de transfer al ionilor metalici.

2.1.2 Descrierea configurației și a procedurii de realizare a experimentelor

Cinetica oxidării fierului este studiată prin metoda gravimetrică, care face posibilă înregistrarea modificării masei probei în timp în timpul experimentului. Schema de instalare este prezentată în Figura 1.

Figura 1 - Schema montajului experimental:

1 – proba de fier în studiu; 2 – cuptor cu rezistență electrică; 3 – traductor mecanoelectric E 2D1; 4 - computer personal cu placa ADC.

O probă de metal (1) suspendată pe un lanț de nicrom la culbutorul convertizorului mecanoelectric E 2D1 (3) este plasată într-un cuptor tubular vertical cu rezistență electrică (2). Semnalul de ieșire E 2D1, proporțional cu modificarea masei probei, este alimentat la placa ADC a computerului ca parte a instalării. Constanța temperaturii în cuptor este menținută de un controler automat, temperatura necesară a experimentului este setată de controlerul corespunzător de pe panoul de instrumente al cuptorului, conform instrucțiunilor profesorului (800 - 900 °C).

Conform rezultatelor lucrării, se determină constanta de viteză a reacției de oxidare a fierului și coeficientul de difuzie al ionilor săi în pelicula de oxid și, dacă este posibil, energia de activare a reacției chimice și difuziei. Ilustrați grafic dependența modificării masei probei și a vitezei procesului de oxidare din când în când.

2.1.3 Prelucrarea și prezentarea rezultatelor măsurătorilor

Traductorul mecanoelectric este proiectat astfel încât o parte din masa obiectului de măsurat să fie compensată de un arc spiralat. Valoarea sa este necunoscută, dar ar trebui să rămână constantă în timpul măsurătorilor. După cum rezultă din descrierea procedurii de măsurare, nu se cunoaște momentul exact (0) al începerii procesului de oxidare, deoarece nu se știe când proba va dobândi o temperatură suficientă pentru desfășurarea procesului de oxidare. Până în momentul în care proba începe efectiv să se oxideze, masa sa este egală cu masa metalului original ( m 0). Faptul că nu măsurăm întreaga masă, ci doar partea ei necompensată, nu schimbă esența materiei. Diferența dintre masa actuală a probei ( m) iar masa inițială a metalului reprezintă masa scării, deci formula (13.4) pentru condiții experimentale reale ar trebui prezentată ca:

(13.6)

in care m este valoarea măsurată a părții rămase necompensate din masa eșantionului, m0– la fel înainte de începerea procesului de oxidare la o temperatură scăzută a probei. Din această relație se poate observa că dependența experimentală a masei eșantionului de timp ar trebui descrisă printr-o ecuație de forma:

, (13.7)

ai căror coeficienţi pot fi aflaţi prin metoda celor mai mici pătrate din rezultatele măsurătorilor obţinute. Acest lucru este ilustrat de un grafic tipic din Fig. Punctele sunt rezultatele măsurătorilor, linia se obține prin aproximarea datelor prin ecuația 13.7

Punctele marcate cu cruci sunt valori aberante și nu trebuie luate în considerare la calcularea coeficienților ecuației 13.7 folosind metoda celor mai mici pătrate.

Comparând formulele (13.6) și (13.7) este ușor de conectat coeficienții găsiți cu mărimile fizico-chimice care îi determină:

(13.8)

În exemplul dat, valoarea lui m0 - valoarea de pe axa y la = 0, sa dovedit a fi 18,1 mg.

Folosind aceste valori, obținute în pregătirea experimentului, valoarea suprafeței probei ( S) iar densitatea wustitei împrumutate din literatură (= 5,7 g/cm 3) poate fi

evaluați raportul dintre coeficientul de difuzie și constanta de viteză a procesului de oxidare:

(13.13)

Acest raport caracterizează grosimea filmului la scară la care constanta vitezei de difuzie este egală cu constanta vitezei reacției chimice de oxidare a metalului, care corespunde definiției unui mod de reacție strict mixt.

Pe baza rezultatelor lucrării, toate valorile ar trebui determinate folosind formulele (13.7, 13.11 - 13.13): b 0 , b 1 , b 2 , m 0, 0 și D /K. Pentru a ilustra rezultatele, trebuie dat un grafic al dependenței. m– . Alături de valorile experimentale, este de dorit să se dea o curbă aproximativă.

În funcție de rezultatele măsurătorilor, este necesar să completați următorul tabel:

Tabelul 1. Rezultatele studiului procesului de oxidare a fierului.

În tabel, primele două coloane sunt completate după deschiderea fișierului de date, iar restul sunt calculate. Netezirea se realizează pe 5 puncte. La determinarea coeficienților polinomului de aproximare, prima, a treia și a patra coloană sunt utilizate simultan. Ultima coloană ar trebui să conțină rezultatele aproximării prin polinom (13.7) folosind coeficienții aflați prin metoda celor mai mici pătrate. Graficul este construit pe prima, a treia și a cincea coloană.

Dacă munca este efectuată de mai mulți studenți, atunci fiecare dintre ei efectuează experimentul la temperatura proprie. Prelucrarea în comun a rezultatelor estimării grosimii stratului de scară într-un mod strict mixt () ne permite să estimam diferența dintre energiile de activare ale difuziei și ale reacției chimice. Într-adevăr, formula evidentă este valabilă aici:

(13.14)

Prelucrare similară a coeficienților b 2 face posibilă estimarea energiei de activare a difuziei. Iată formula corectă:

(13.15)

Dacă măsurătorile au fost efectuate la două temperaturi, atunci estimările se fac direct prin formulele (13.4) și (13.15), dacă valorile temperaturii sunt mai mari de două, trebuie aplicată metoda celor mai mici pătrate pentru funcții. ln () – 1/Tși ln (b 2) – 1/T. Valorile obținute sunt date în tabelul final și discutate în concluzii.

Procedura de procesare a rezultatelor muncii

2. Construiți un grafic de dependență pe o foaie separată m– , identificați vizual și eliminați valorile pop-up.

3. Neteziți valorile greutății măsurate.

4. Calculați pătratele variației masei

5. Aflați coeficienții celor mai mici pătrate b 0 , b 1 , b 2 ecuații care aproximează dependența de modificarea masei în timp.

6. Calculați masa estimată la începutul măsurătorilor conform ecuației de aproximare

7. Analizați rezultatele aproximării folosind sortarea și eliminați valorile incorecte

8. Afișați rezultatele aproximării pe graficul dependenței m – .

9. Calculați caracteristicile sistemului și ale procesului: m 0 , 0 , D /K .

Rezultatele testului:

A. În celula „A1” - suprafața probei, în celula adiacentă „B1” unități de măsură;

b. În celula „A2” - masa probei originale, în celula „B2” - unități de măsură;

c. În celula „A3” - temperatura experimentului, în celula „B3” - unități de măsură;

d. În celula „A4” - grosimea stratului de scară într-un mod strict mixt, în celula „B4” - unități de măsură;

e. Pornind de la celula „A10”, concluziile lucrării ar trebui să fie clar articulate.

În celulele A6-A7, ar trebui să existe legături către celule de pe alte foi ale cărții de calcul pe care au fost efectuate calcule pentru a obține rezultatul prezentat, și nu valorile numerice în sine! Dacă această cerință nu este îndeplinită, programul de verificare dă mesajul „Eroare de prezentare a informațiilor”.

2. Graficul de dependență proiectat corespunzător m- , obținut experimental (puncte) și aproximat printr-un polinom (linie), pe o foaie separată de foi de calcul cu toate semnăturile și simbolurile necesare.

Întrebări de control

1. Care este structura solmei obținute pe fier în timpul oxidării sale la temperatură înaltă în aer?

2. De ce apariția fazei vustite la scară duce la o creștere bruscă a ratei de oxidare a fierului?

3. Care sunt etapele procesului eterogen de oxidare a fierului?

4. Care este diferența dintre regimul de difuzie al oxidării fierului și cel cinetic?

5. Care este ordinea și metodologia lucrării?

6. Cum se identifică modul procesului de oxidare?

2.2 Studiul dependenței de temperatură a conductivității electrice a topiturii de oxizi (Lucrarea nr. 14)

2.2.1 Informații generale despre natura conductibilității electrice a zgurii

Studiul dependenței conductivității electrice a zgurii de compoziția și temperatura lor este de mare importanță pentru metalurgie, atât în ​​termeni teoretici, cât și aplicați. Valoarea conductibilității electrice poate avea un impact semnificativ asupra vitezei celor mai importante reacții dintre metal și zgură în procesele de producție a oțelului, asupra productivității unităților metalurgice, în special în tehnologiile cu electrozgură sau cuptoare cu arc pentru topirea zgurii sintetice, unde intensitatea degajarea de căldură depinde de mărimea curentului electric trecut prin topitură. În plus, conductivitatea electrică, fiind o proprietate sensibilă structural, oferă informații indirecte despre structura topiturii, concentrația și tipul particulelor încărcate.

Conform ideilor despre structura topiturii de oxid, formulate, în special, de școala științifică a profesorului O.A. Esin, particulele neîncărcate nu pot fi prezente în ele. În același timp, ionii din topitură diferă foarte mult ca dimensiune și structură. Elementele de oxid de bază sunt prezente sub formă de ioni simpli, de exemplu, Na + , Ca 2+ , Mg 2+ , Fe 2+ , O 2- . Dimpotrivă, elementele cu valență mare, care formează oxizi acizi (acizi), precum SiO 2, TiO 2, B 2 O 3, sub formă de ion, au un câmp electrostatic atât de mare încât nu pot fi în topitură. ca ioni simpli Si 4+, Ti4+, B3+. Ei aduc anionii de oxigen atât de aproape de ei înșiși încât formează legături covalente cu ei și sunt prezenți în topitură sub formă de anioni complecși, dintre care cei mai simpli sunt, de exemplu, SiO 4 4 , TiO 4 4- , BO 3 3- , BO 4 5- . Anionii complecși au capacitatea de a-și complica structura prin combinarea în structuri bidimensionale și tridimensionale. De exemplu, două tetraedre de siliciu-oxigen (SiO 4 4-) se pot conecta la vârfurile lor, formând cel mai simplu lanț liniar (Si 2 O 7 6-). În acest caz, un ion de oxigen este eliberat:

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

Mai multe detalii despre aceste probleme pot fi găsite, de exemplu, în literatura educațională.

Rezistență electrică R conductoarele liniare obișnuite se pot determina din relație

unde este rezistivitatea, L- lungime, S este aria secțiunii transversale a conductorului. Valoarea se numește conductivitate electrică specifică a substanței. Din formula (14.1) rezultă că

Unitatea de unitate de conductivitate electrică se exprimă în Ohm –1 m –1 = Sm/m (Sm – Siemens). Conductivitatea electrică caracterizează conductivitatea electrică a volumului topiturii închise între doi electrozi paraleli cu o suprafață de 1 m 2 și situati la o distanță de 1 m unul de celălalt.

Într-un caz mai general (câmp electric neuniform), conductivitatea electrică este definită ca coeficientul de proporționalitate între densitatea curentului iîntr-un conductor și un gradient de potențial electric:

Apariția conductibilității electrice este asociată cu transferul de sarcini într-o substanță sub influența unui câmp electric. În metale, electronii benzii de conducție participă la transferul de electricitate, a cărei concentrație este practic independentă de temperatură. Odată cu creșterea temperaturii, are loc o scădere a conductibilității electrice a metalelor, deoarece. concentrația de electroni „liberi” rămâne constantă, iar efectul inhibitor asupra acestora al mișcării termice a ionilor rețelei cristaline crește.

În semiconductori, purtătorii de sarcină electrică sunt electroni cvasi-liberi în banda de conducție sau locuri libere în banda de energie de valență (găuri de electroni) care apar din cauza tranzițiilor activate termic ale electronilor de la nivelurile donorului la banda de conducție a semiconductorului. Pe măsură ce temperatura crește, probabilitatea unor astfel de tranziții activate crește, iar concentrația purtătorilor de curent electric și conductivitatea electrică cresc în consecință.

În electroliți, care includ topituri de oxid, de regulă, ionii participă la transferul de energie electrică: Na +, Ca 2+, Mg 2+, SiO 4 4–, BO 2 – și altele. Fiecare dintre ioni ј -clasa poate contribui la valoarea totală a densității curentului electric în conformitate cu relația cunoscută

unde este conductivitatea electrică parțială; D , C ј , z j sunt coeficientul de difuzie, concentrația și sarcina ionului ј -clasa a-a; F este constanta Faraday; T- temperatura; R

Este evident că suma cantităților eu ј egală cu densitatea totală de curent i asociat cu mișcarea tuturor ionilor, iar conductivitatea electrică a întregii topituri este suma conductivităților parțiale.

Mișcarea ionilor în electroliți este un proces de activare. Aceasta înseamnă că nu toți ionii se mișcă sub influența unui câmp electric, ci doar cei mai activi dintre ei, care au un anumit exces de energie față de nivelul mediu. Acest exces de energie, numit energie de activare a conductibilității electrice, este necesar pentru a depăși forțele de interacțiune a unui ion dat cu mediul înconjurător, precum și pentru a forma un loc liber (cavitate) în care acesta trece. Numărul de particule active, în conformitate cu legea lui Boltzmann, crește cu

creșterea exponențială a temperaturii. Asa de . Urma-

Prin urmare, în conformitate cu (14.5), dependența de temperatură a conductibilității electrice trebuie descrisă prin suma exponenților. Se știe, totuși, că odată cu creșterea dimensiunii particulelor, energia lor de activare crește, de asemenea, semnificativ. Prin urmare, în relația (14.5), de regulă, contribuția ionilor mari cu mobilitate redusă este neglijată, iar pentru restul, se face o medie a valorilor parțiale.

Ca rezultat, dependența de temperatură a conductibilității electrice specifice a topiturii de oxid ia următoarea formă:

(14.6)

care este în bun acord cu datele experimentale.

Valorile tipice pentru zgura metalurgică care conțin oxizi de CaO, SiO 2 , MgO, Al 2 O 3 sunt în intervalul 0,1–1,0 S cm–1 în apropierea temperaturii lichidului, care este mult mai mică decât conductivitatea electrică a metalelor lichide (10). 5–10 7 S cm –1). Energia de activare a conductivității electrice este aproape independentă de temperatură în zgura bazică, dar poate scădea ușor odată cu creșterea temperaturii în topiturile acide datorită depolimerizării lor. De obicei, valoarea este în intervalul 40-200 kJ/mol, în funcție de compoziția topiturii.

La conținuturi ridicate (peste 10%) de oxizi de fier (FeO, Fe 2 O 3) sau alți oxizi ai metalelor de tranziție (de exemplu, MnO, V 2 O 3, Cr 2 O 3), natura conductibilității electrice a zgurii modificări, deoarece pe lângă ionică în ele apare o proporție semnificativă a conductivității electronice. Componenta electronică a conductivității în astfel de topituri se datorează mișcării electronilor sau „găurilor” de electroni în funcție de mecanismul releului de la un cation de metal de tranziție cu o valență mai mică la un cation cu o valență mai mare prin R-orbitalii ionului de oxigen situat intre aceste particule.

Mobilitatea foarte mare a electronilor în combinațiile Me 2+ – O 2– – Me 3+, în ciuda concentrației lor relativ scăzute, crește brusc conductivitatea electrică a zgurii. Deci valoarea maximă a æ pentru topiturile de fier pur FeO – Fe 2 O 3 poate fi

10 2 S cm –1 , rămânând însă mult mai puțin decât metalele.

2.2.2 Descrierea procedurii de configurare și măsurare

În această lucrare, conductivitatea electrică specifică a tetraboratului de sodiu topit Na 2 O 2B 2 O 3 este determinată în intervalul de temperatură de 700 - 800 °C. Pentru a elimina complicațiile asociate cu prezența rezistenței interfeței metal-electrolit, studiul conductivității electrice trebuie efectuat în condiții în care rezistența interfeței este neglijabil de mică. Acest lucru poate fi realizat prin utilizarea unui curent alternativ cu o frecvență suficient de mare (≈ 10 kHz) în loc de curent continuu.

Schema circuitului electric al instalației este prezentată în Figura 2.

Figura 2. Schema circuitelor electrice ale instalației de măsurare a conductibilității electrice a zgurii:

ZG - generator de frecvențe audio; PC - un computer personal cu o placă de sunet; Soluție Yach și Yach sl - celule electrochimice care conțin o soluție apoasă de KCl sau respectiv zgură; R floor - rezistența de referință a unei valori cunoscute.

Un curent alternativ de la un generator de frecvență audio este aplicat unei celule care conține zgură și o rezistență de referință de valoare cunoscută conectată în serie cu aceasta. Folosind o placă de sunet pentru PC, se măsoară căderea de tensiune pe celulă și rezistența de referință. Deoarece curentul care curge prin podeaua R și Yach este același

(14.7)

Programul de întreținere a configurației laboratorului calculează, afișează pe ecranul monitorului și scrie într-un fișier valoarea raportului ( r) valorile amplitudinii curentului alternativ la ieșirea generatorului de sunet ( U zg) și pe celula de măsurare ( U celula):

Cunoscând-o, puteți determina rezistența celulei

unde este constanta celulei.

Pentru determinare K celula în configurația experimentală se folosește o celulă auxiliară, similară celei studiate în ceea ce privește parametrii geometrici. Ambele celule electrochimice sunt bărci de corindon cu electrolit. Doi electrozi cilindrici din metal de aceeași secțiune transversală și lungime sunt coborâți în ei, situați la aceeași distanță unul de celălalt, pentru a asigura constanța raportului (L / S) eff.

Celula studiată conține o topitură de Na 2 O · 2В 2 O 3 și este introdusă într-un cuptor de încălzire la o temperatură de 700–800 °C. Celula auxiliară este la temperatura camerei și umplută cu o soluție apoasă 0,1 N de KCl, a cărei conductivitate electrică este de 0,0112 S cm–1. Cunoașterea conductivității electrice a soluției și determinarea (vezi formula 14.9) a rezistenței electrice

celula auxiliara (

2.2.3 Comanda de lucru

A. Funcționare folosind un sistem de măsurare în timp real

Înainte de începerea măsurătorilor, cuptorul trebuie încălzit la o temperatură de 850 °C. Procedura de instalare este următoarea:

1. După finalizarea procedurii de inițializare în conformitate cu instrucțiunile de pe ecranul monitorului, opriți cuptorul, setați comutatorul „1 - rezistență de referință” în poziția „1 - Hi” și urmați instrucțiunile suplimentare.

2. După ce apare indicația „Comutator 2 – în poziția ‘Topit’”, urmați-l și până când apare indicația „Comutator 2 – în poziția „TOPIT””, înregistrați valorile raportului de rezistență care apar la fiecare 5 secunde.

3. Urmați a doua instrucțiune și urmați schimbarea temperaturii. De îndată ce temperatura devine mai mică de 800 °C, comanda de la tastatură „Xs” ar trebui să activeze ieșirea graficului și să înregistreze valorile temperaturii și rapoartele de rezistență la fiecare 5 secunde.

4. După ce topitura este răcită la o temperatură sub 650 °C, măsurătorile trebuie inițializate pentru al doilea student care efectuează lucrări la această instalație. Comutați „1 - rezistență de referință” în poziția „2 - Lo” și din acest moment al doilea elev începe înregistrarea rapoartelor de temperatură și rezistență la fiecare 5 secunde.

5. Când topitura este răcită la o temperatură de 500 °C sau se atinge valoarea raportului de rezistență apropiată de 6, măsurătorile trebuie oprite dând comanda „Xe” de la tastatură. Din acest moment, al doilea elev trebuie să rotească comutatorul 2 în poziția „soluție” și să noteze zece valori ale raportului de rezistență.

C. Lucrul cu date scrise anterior într-un fișier

După activarea programului, pe ecran apare un mesaj despre valoarea rezistenței de referință și sunt afișate succesiv mai multe valori ale raportului rezistențelor ( r) al celulei de calibrare. După efectuarea mediei, aceste date vă vor permite să găsiți constanta de instalare.

După aceea, rapoartele de temperatură și rezistență pentru celula de măsurare apar pe ecran la fiecare câteva secunde. Aceste informații sunt afișate pe un grafic.

Programul se iese automat și trimite toate rezultatele pe computerul profesorului.

2.2.4 Prelucrarea și prezentarea rezultatelor măsurătorilor

Pe baza rezultatelor măsurătorilor, completați tabelul cu următorul titlu:

Tabelul 1. Dependența de temperatură a conductivității electrice a topiturii de Na 2 O 2B 2 O 3

În tabel, primele două coloane sunt completate după deschiderea fișierului de date, iar restul sunt calculate. Pe baza acestora, ar trebui să reprezentați grafic dependența ln() - 10 3 /T și să utilizați metoda celor mai mici pătrate (funcția LINEST în OpenOffice.Calc) pentru a determina valoarea energiei de activare. Pe grafic ar trebui să fie afișată o linie dreaptă aproximativă. De asemenea, ar trebui să reprezentați grafic conductivitatea electrică în funcție de temperatură. Comanda de procesare a rezultatelor

1. Introduceți înregistrările rezultatelor măsurătorilor într-un fișier tabelar.

2. Calculați valoarea medie a raportului de rezistență pentru celula de calibrare.

3. Calculați constanta de setare.

4. Dependența parcelei r – t, identificați vizual și eliminați valorile pop-up. Dacă sunt multe, aplicați sortarea.

5. Calculați rezistența celulei de măsurare, conductivitatea electrică a topiturii de oxid la diferite temperaturi, logaritmul conductivității electrice și temperatura absolută inversă

b 0 , b 1 ecuație care aproximează dependența logaritmului conductivității electrice de temperatura reciprocă și se calculează energia de activare.

7. Trasați pe o foaie separată un grafic al dependenței logaritmului conductivității electrice de temperatura reciprocă și dați o dependență aproximativă Rezultatele testului:

1. Într-o carte de calcul trimisă spre examinare, prima pagină intitulată „Rezultate” trebuie să furnizeze următoarele informații:

A. În celula „A1” - temperatura inițială, în celula „B1” - unități de măsură;

c. În celula „A3” - energia de activare a conductibilității electrice, în celula „B3” - unități de măsură;

d. În celula „A4” - factor pre-exponențial în formula pentru dependența de temperatură a conductibilității electrice, în celula „B4” - unități de măsură;

e. Pornind de la celula „A5”, concluziile lucrării ar trebui să fie clar articulate.

În celulele A1-A4, ar trebui să existe legături către celule de pe alte foi ale cărții de calcul pe care au fost efectuate calcule pentru a obține rezultatul prezentat, și nu valorile numerice în sine! Dacă această cerință nu este îndeplinită, programul de verificare dă mesajul „Eroare de prezentare a informațiilor”.

2. Graficul corect proiectat al dependenței logaritmului conductivității electrice de temperatura reciprocă, obținut din date experimentale (puncte) și aproximat printr-un polinom (linie), pe o foaie separată de foi de calcul cu toate semnăturile și simbolurile necesare.

Întrebări de control

1. Ce se numește conductivitate electrică?

2. Ce particule determină conductivitatea electrică a zgurii?

3. Care este natura dependenței de temperatură a conductivității electrice a metalelor și a topiturii de oxizi?

4. De ce depinde constanta celulei și cum se determină?

5. De ce este necesar să folosiți curent alternativ pentru a determina?

6. Cum depinde energia de activare a conductibilității electrice de temperatură?

7. Ce senzori și instrumente sunt utilizate în configurația laboratorului. Ce cantități fizice permit înregistrarea?

8. Ce grafice (în ce coordonate) ar trebui prezentate pe baza rezultatelor lucrării?

9. Ce valori fizice și chimice ar trebui obținute după prelucrarea datelor primare?

10. Decideți ce măsurători sunt efectuate înainte de experiment, ce valori sunt înregistrate în timpul experimentului, ce date sunt informații primare, ce procesare suferă și ce informații sunt obținute.

2.3 Studiul cineticii desulfurării metalelor prin zgură pe un model de simulare (Lucrarea nr. 15)

2.3.1 Informații generale despre cinetica desulfurării metalelor prin zgură

Impurități de sulf din oțel, în cantități de peste 0,005 gr. %, reduc semnificativ proprietățile sale mecanice, electrice, anticorozive și alte proprietăți, înrăutățesc sudabilitatea metalului, duc la apariția fragilității roșii și la rece. Prin urmare, procesul de desulfurare a oțelului, care este deosebit de eficient cu zgura, este de mare importanță pentru metalurgia de înaltă calitate.

Studiul regularităților cinetice ale reacției, identificarea mecanismului și regimului de curgere a acesteia sunt necesare pentru controlul eficient al vitezei de desulfurare, deoarece în condiții reale de agregate metalurgice, distribuția de echilibru a sulfului între metal și zgură nu este de obicei realizată.

Spre deosebire de majoritatea altor impurități din oțel, tranziția sulfului de la metal la zgură este un proces de reducere, nu unul oxidativ [S] +2e = (S 2–).

Aceasta înseamnă că pentru apariția continuă a procesului catodic, care duce la acumularea de sarcini pozitive pe metal, este necesară tranziția simultană a altor particule, care este capabilă să doneze electroni fazei metalice. Astfel de procese anodice concomitente pot fi oxidarea anionilor de oxigen din zgură sau particule de fier, carbon, mangan, siliciu și alte impurități metalice, în funcție de compoziția oțelului.

2. (O 2–) = [O] + 2e,

3. \u003d (Fe 2+) + 2e,

4. [C] + (O 2–) \u003d CO + 2e, 5. \u003d (Mn 2+) + 2e.

Împreună, procesul catodic și orice proces anodic fac posibilă scrierea ecuației stoechiometrice pentru reacția de desulfurare în următoarea formă, de exemplu:

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

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

Expresiile corespunzătoare pentru constantele de echilibru au forma

(15.1)

Evident, procesele alese ca exemplu și altele asemenea pot avea loc simultan. Din relația (15.1) rezultă că gradul de desulfurare a metalului la temperatură constantă, adică. valoarea constantă a constantei de echilibru, crește odată cu creșterea concentrației ionului de oxigen liber (O 2-) în topitura de oxid. Într-adevăr, o creștere a factorului la numitor trebuie compensată de o scădere a unui alt factor pentru a corespunde unei valori constante a constantei de echilibru. Rețineți că conținutul de ioni de oxigen liber crește odată cu utilizarea zgurii foarte bazice, bogate în oxid de calciu. Analizând relația (15.2), putem concluziona că conținutul de ioni de fier (Fe 2+) în topitura de oxid ar trebui să fie minim, adică. zgura trebuie să conțină o cantitate minimă de oxizi de fier. Prezența dezoxidanților (Mn, Si, Al, C) în metal crește, de asemenea, caracterul complet al desulfurării oțelului prin reducerea conținutului de (Fe 2+) și [O].

Reacția 1-2 este însoțită de absorbția de căldură (∆H>0), prin urmare, pe măsură ce procesul decurge, temperatura din unitatea metalurgică va scădea. Dimpotrivă, reacția 1-3 este însoțită de degajare de căldură (∆H<0) и, если она имеет определяющее значение, температура в агрегате будет повышаться.

În descrierea cinetică a desulfurării, trebuie luate în considerare următoarele etape ale procesului:

Livrarea particulelor de sulf din cea mai mare parte a metalului la limita cu zgura, realizată mai întâi prin difuzie convectivă și direct în apropierea interfeței metal-zgură prin difuzie moleculară; actul electrochimic de atașare a electronilor la atomii de sulf și formarea de anioni S 2–; care este un act de adsorbție-chimic, îndepărtarea anionilor de sulf în volumul de zgură, datorită difuziei moleculare și apoi convective.

Etape asemănătoare sunt, de asemenea, caracteristice etapelor anodice, cu participarea atomilor de Fe, Mn, Si sau anioni O2–. Fiecare dintre etape contribuie la rezistența generală a procesului de desulfurare. Forța motrice a curgerii particulelor printr-un număr de aceste rezistențe este diferența de potențialele lor electrochimice într-un sistem metal-zgură neechilibrat sau diferența dintre potențialul real și cel de echilibru proporțional cu acesta la limita de fază, numită supratensiune .

Viteza unui proces constând dintr-un număr de etape succesive este determinată de contribuția etapei cu cea mai mare rezistență - limitare etapă. În funcție de mecanismul derulării etapei limitative, se vorbește de un mod de difuzie sau cinetic al reacției. Dacă etapele cu mecanisme de curgere diferite au rezistențe proporționale, atunci se vorbește de un mod de reacție mixt. Rezistența fiecărei etape depinde în mod semnificativ de natura și proprietățile sistemului, de concentrația de reactivi, de intensitatea amestecării fazelor și de temperatură. Deci, de exemplu, rata actului electrochimic de reducere a sulfului este determinată de valoarea curentului de schimb

(15.3)

Unde V este funcția de temperatură, C[S] și C(S 2–) – concentrații de sulf în metal și zgură, α – coeficient de transfer.

Viteza etapei de livrare a sulfului la limita fazei este determinată de curentul de difuzie limitativ al acestor particule.

Unde D[S] este coeficientul de difuzie al sulfului, β este o constantă convectivă determinată de intensitatea convecției în topitură, este proporțional cu rădăcina pătrată a vitezei liniare a fluxurilor convective în lichid.

Datele experimentale disponibile indică faptul că, în condiții normale de convecție a topiturii, actul electrochimic de descărcare a ionilor de sulf decurge relativ rapid; desulfurarea este inhibată în principal prin difuzia particulelor în metal sau zgură. Cu toate acestea, odată cu creșterea concentrației de sulf în metal, obstacolele de difuzie scad și modul de proces se poate schimba în cinetic. Acest lucru este facilitat și de adăugarea de carbon la fier, tk. descărcarea ionilor de oxigen la interfața dintre carbon metal și zgură are loc cu o decelerare cinetică semnificativă.

Trebuie avut în vedere faptul că ideile electrochimice despre interacțiunea metalelor cu electroliții fac posibilă clarificarea mecanismului proceselor, înțelegerea în detaliu a fenomenelor care apar. În același timp, ecuațiile simple ale cineticii formale își păstrează pe deplin valabilitatea. În special, pentru o analiză aproximativă a rezultatelor experimentale obținute cu erori semnificative, ecuația pentru viteza de reacție 1-3 poate fi scrisă în cea mai simplă formă:

Unde k f și k r sunt constantele de viteză ale reacțiilor directe și inverse. Un astfel de raport este satisfăcut dacă soluțiile de sulf în sulfură de fier și calciu și wustită în zgură pot fi considerate infinit diluate și ordinele de reacție pentru acești reactivi sunt apropiate de unitate. Conținutul celorlalți reactivi ai reacției luate în considerare este atât de mare încât rămân aproape constante pe toată durata interacțiunii și concentrațiile lor pot fi incluse în constante. k f și k r

Pe de altă parte, dacă procesul de desulfurare este departe de echilibru, atunci viteza reacției inverse poate fi neglijată. Apoi, viteza de desulfurare ar trebui să fie proporțională cu concentrația de sulf din metal. Această versiune a descrierii datelor experimentale poate fi verificată prin examinarea relației dintre logaritmul vitezei de desulfurare și logaritmul concentrației de sulf din metal. Dacă această relație este liniară, iar panta dependenței ar trebui să fie apropiată de unitate, atunci acesta este un argument în favoarea modului de difuzie al procesului.

2.3.2 Modelul matematic al procesului

Posibilitatea apariției mai multor etape anodice complică foarte mult descrierea matematică a proceselor de desulfurare a oțelului care conține multe impurități. În acest sens, au fost introduse unele simplificări în model, în special, am neglijat dificultățile cinetice la diferite

Pentru semireacțiile de tranziție a fierului și a oxigenului, în legătură cu restricția acceptată asupra controlului difuziei, relațiile par mult mai simple:

(15.7)

În conformitate cu condiția de neutralitate electrică în absența curentului de la o sursă externă, relația dintre curenți în semireacțiile individuale ale electrodului este exprimată printr-o relație simplă:

Diferențele de supratensiuni ale electrozilor () sunt determinate de rapoartele produselor corespunzătoare ale activităților și constantelor de echilibru pentru reacțiile 1-2 și 1-3:

Derivată în timp a concentrației de sulf din metal este determinată de curentul primului electrod de semireacție în conformitate cu ecuația:

(15.12)

Aici i 1 , i 2 - densitățile de curent ale proceselor cu electrozi, η 1, η 2 - polarizările lor, i n – limitarea curentilor de difuzie a particulelor ј - un fel i o este curentul de schimb al etapei cinetice, C[s] este concentrația de sulf din metal, α este coeficientul de transfer, P, K p este produsul activităților și constanta de echilibru a reacției de desulfurare, S este zona interfeței dintre metal și zgură, V Eu sunt volumul de metal, T- temperatura, F este constanta Faraday, R este constanta universală a gazului.

În conformitate cu legile cineticii electrochimice, expresia (15.6) ține cont de inhibarea difuziei ionilor de fier în zgură, întrucât, judecând după datele experimentale, stadiul de descărcare-ionizare a acestor particule nu este limitativ. Expresia (15.5) este întârzierea difuziei particulelor de sulf în zgură și metal, precum și întârzierea ionizării sulfului la interfață.

Combinând expresiile (15.6 - 15.12), se poate obține prin metode numerice dependența concentrației de sulf din metal în timp pentru condițiile selectate.

Modelul folosește următorii parametri:

3)
Curent de schimb ionic de sulf:

4) Constanta de echilibru a reacției de desulfurare ( LA R):

5) Raportul dintre suprafața interfeței și volumul metalului

7) Constanta convectivă (β):

Modelul permite analizarea influenței factorilor enumerați asupra vitezei și completității desulfurării, precum și estimarea contribuției inhibițiilor de difuzie și cinetice la rezistența totală a procesului.

2.3.3 Procedura de lucru

Imaginea generată de programul de simulare este prezentată în fig. . Valorile numerice selectate ale cantităților măsurate sunt date în partea superioară a panoului, toate valorile obținute în timpul simulării procesului sunt afișate pe grafic. În denumirile componentelor topiturii metalice și de zgură se folosesc semne suplimentare adoptate în literatura metalurgică. Parantezele pătrate indică faptul că componenta aparține topiturii de metal, iar parantezele rotunde celei de zgură. Multiplicatorii în denumirile componentelor sunt utilizați numai pentru reprezentare grafică, nu ar trebui să fie luați în considerare la interpretarea valorilor. În timp ce modelul rulează, doar valoarea uneia dintre valorile măsurate este afișată la un moment dat. După 6 secunde, dispare și apare valoarea următoarei valori. În această perioadă de timp, este necesar să aveți timp pentru a înregistra următoarea valoare. Pentru a economisi timp, se recomandă să nu scrieți cifre constante, de exemplu, unitatea de conducere în valoarea temperaturii.

La cinci minute după începerea măsurătorilor de ceasul din colțul din dreapta sus al panoului de configurare, prin apăsarea simultană a tastelor și [#], unde # este numărul de configurare, intensificați viteza de amestecare a fazelor.

2.3.4 Prelucrarea și prezentarea rezultatelor măsurătorilor

Tabelul cu rezultatele măsurătorilor generat de programul de simulare trebuie completat cu următoarele coloane calculate:

Tabelul 1. Rezultatele prelucrării statistice a datelor experimentale

În tabelul din prima coloană, ar trebui să calculați timpul de la începutul procesului în minute.

Prelucrarea ulterioară se efectuează după reprezentarea grafică - în prima etapă a prelucrării, trebuie să reprezentați grafic dependența temperaturii în timp și să estimați intervalul de date atunci când tranziția sulfului este în principal însoțită de tranziția fierului. În acest interval, se disting două regiuni cu aceleași rate de amestecare, iar coeficienții de aproximare a polinoamelor de formă se găsesc folosind metoda celor mai mici pătrate:

care rezultă din ecuația (15.5) în condițiile specificate. Comparând valorile obținute ale coeficienților, se trag concluzii despre modul de proces și gradul de aproximare a sistemului de starea de echilibru. Rețineți că în ecuația (15.13) nu există termen liber.

Pentru a ilustra rezultatele experimentului, sunt reprezentate grafice ale dependențelor concentrației de sulf în timp și ale vitezei de desulfurare față de concentrația de sulfură de calciu din zgură.

Comanda de procesare a rezultatelor

2. Calculați viteza procesului de desulfurare din concentrația de sulf din metal, logaritmii vitezei și concentrația de sulf.

3. Trasați pe foi separate graficele temperaturii în unitate în funcție de timp, masa zgurii în funcție de timp, viteza și timpul de desulfurare și logaritmul vitezei de desulfurare față de logaritmul concentrației de sulf.

4. Folosind metoda celor mai mici pătrate, se evaluează separat pentru diferite viteze de agitare caracteristicile cinetice ale procesului de desulfurare în conformitate cu ecuația () și ordinea de reacție în ceea ce privește concentrația de sulf.

Rezultatele testului:

1. Grafice proiectate corespunzător ale dependenței ratei procesului de desulfurare și logaritmului acestei valori în timp, pe o foaie separată de foi de calcul cu toate semnăturile de notație necesare.

2. Valorile caracteristicilor cinetice ale procesului de desulfurare în toate variantele procesului, indicând dimensiunile (și erorile).

3. Concluzii asupra lucrării.

Întrebări de control

1. Ce condiții sunt necesare pentru cea mai completă desulfurare a metalului prin zgură?

2. Ce procese anodice pot însoți îndepărtarea sulfului?

3. Care sunt etapele tranziției sulfului prin interfață?

4. În ce cazuri este implementat modul de difuzie sau cinetic de desulfurare?

5. Care este comanda de lucru?

2.4 Studiul termografic al proceselor de disociere a carbonaților naturali (Lucrarea nr. 16)

2.4.1 Modele generale de disociere a carbonatului

Termograma este dependența de timp a temperaturii probei. Metoda termografică de studiere a proceselor de descompunere termică a substanțelor s-a răspândit după ce au fost descoperite trăsăturile caracteristice unor astfel de dependențe: „opriri de temperatură” și „zone de temperatură înclinată”.

1.4

Figura 3. Ilustrația termogramei:

curba punctată este termograma unei probe de referință ipotetice în care nu are loc disocierea; linia continuă este o probă reală cu disociere în două etape.

Acestea sunt secțiuni caracteristice ale dependenței, în care timp de ceva timp () temperatura fie rămâne constantă (T \u003d const), fie crește cu o cantitate mică (T) la o rată constantă (T /). Folosind diferențierea numerică sau grafică, este posibil să se determine cu bună acuratețe momentele de timp și temperatura de început și sfârșit de oprire de temperatură.

În munca de laborator propusă, o astfel de dependență se obține prin încălzirea continuă a materialului natural calcitul, a cărui componentă principală este carbonatul de calciu. O rocă compusă în principal din calcit se numește calcar. Calcarul este folosit in cantitati mari in metalurgie.

Ca urmare a prăjirii (tratamentului termic) a calcarului printr-o reacție endotermă

CaCO 3 \u003d CaO + CO 2

se obţine var (CaO) - o componentă necesară a topiturii de zgură. Procesul se desfășoară la temperaturi sub punctele de topire atât ale calcarului, cât și ale varului. Se știe că carbonații și oxizii formați din aceștia sunt practic insolubili reciproc; prin urmare, produsul de reacție este o nouă fază solidă și gaz. Expresia pentru constanta de echilibru, în cazul general, are forma:

Aici A sunt activitățile reactanților solizi, este presiunea parțială a produsului de reacție gazos. O altă rocă, numită dolomit, este, de asemenea, utilizată pe scară largă în metalurgie. Constă în principal dintr-un mineral cu același nume, care este sarea dublă a acidului carbonic CaMg(CO 3) 2 .

Calcitul, ca orice mineral natural, împreună cu componenta principală conține o varietate de impurități, a căror cantitate și compoziție depind de depozitul resursei naturale și chiar de zona specifică de exploatare. Varietatea compușilor de impurități este atât de mare încât este necesar să le clasificăm în funcție de o trăsătură care este esențială într-un anumit caz. Pentru analiza termodinamică, o caracteristică esențială este capacitatea impurităților de a forma soluții cu reactivi. Presupunem că nu există impurități în mineral, care, în intervalul de condiții studiate (presiune și temperatură), intră în orice reacții chimice între ele sau cu componenta sau produsul principal al descompunerii sale. În practică, această condiție nu este satisfăcută cu strictețe, deoarece, de exemplu, carbonați ai altor metale pot fi prezenți în calcit, dar din punctul de vedere al analizei ulterioare, luarea în considerare a acestor reacții nu va oferi informații noi, ci va oferi în mod inutil. complica analiza.

Toate celelalte impurități pot fi împărțite în trei grupe:

1. Impurități formând o soluție cu carbonat de calciu. Astfel de impurități, desigur, trebuie luate în considerare în analiza termodinamică și, cel mai probabil, în analiza cinetică a procesului.

2. Impurități care se dizolvă în produsul de reacție – oxid. Soluția problemei luării în considerare a impurităților de acest tip depinde de cât de repede se dizolvă în produsul solid de reacție și de problema strâns legată a dispersiei incluziunilor de impurități de acest tip. Dacă incluziunile au dimensiuni relativ mari și dizolvarea lor are loc lent, atunci nu trebuie luate în considerare în analiza termodinamică.

3. Impurități insolubile în carbonatul original și produsul său de descompunere. Aceste impurități nu trebuie luate în considerare în analiza termodinamică, de parcă nu ar fi prezente deloc. În unele cazuri, acestea pot afecta cinetica procesului.

În cea mai simplă versiune (grundă) a analizei, este posibil să combinați toate impuritățile de același tip și să le considerați ca o componentă generalizată. Pe această bază, distingem trei componente: B1, B2 și B3. Ar trebui discutată și faza gazoasă a sistemului termodinamic luat în considerare. În munca de laborator, procesul de disociere se desfășoară într-o instalație deschisă care comunică cu atmosfera încăperii. În acest caz, presiunea totală în sistemul termodinamic este constantă și egală cu o atmosferă, iar în faza gazoasă există un produs de reacție gazos - dioxid de carbon (CO2) și componente ale mediului aerului, sub formă simplificată - oxigen și azot. Acestea din urmă nu interacționează cu celelalte componente ale sistemului, prin urmare, în cazul în cauză, oxigenul și azotul nu se pot distinge, iar în cele ce urmează le vom numi componenta gazoasă neutră B.

Opririle de temperatură și platformele au o explicație termodinamică. Cu o compoziție cunoscută a fazelor, este posibil să se prezică temperatura de oprire prin metode termodinamice. De asemenea, se poate rezolva problema inversă - să se determine compoziția fazelor de la temperaturi cunoscute. Este inclusă în acest studiu.

Opririle de temperatură și platformele pot fi realizate numai dacă sunt îndeplinite anumite cerințe privind cinetica procesului. Este firesc să ne așteptăm că acestea sunt cerințele compozițiilor practic de echilibru ale fazelor de la locul reacției și gradienți neglijabil de mici în straturile de difuzie. Respectarea unor astfel de condiții este posibilă dacă viteza procesului este controlată nu de factori interni (rezistența la difuzie și rezistența reacției chimice în sine), ci de factori externi - rata de alimentare cu căldură la locul de reacție. Pe lângă modurile de bază ale unei reacții eterogene definite în chimia fizică: cinetic și difuzie, acest mod al procesului se numește termic.

Rețineți că regimul termic al procesului de disociere în fază solidă se dovedește a fi posibil datorită particularității reacției, care necesită furnizarea unei cantități mari de căldură și, în același timp, nu include etapele de alimentare. substanțele inițiale la locul de reacție (deoarece o substanță se descompune) și îndepărtarea produsului de reacție solid din separarea fazelor limită (deoarece această limită se mișcă). Raman doar doua etape de difuzie: indepartarea CO2 prin faza gazoasa (aparent cu foarte putina rezistenta) si difuzia CO2 prin oxid, care este mult facilitata de cracarea oxidului care umple volumul ocupat anterior de monoxidul de carbon volatilizat.

Luați în considerare un sistem termodinamic la temperaturi sub limita de temperatură. Să presupunem mai întâi că nu există impurități de primul și al doilea tip în carbonat. Se va lua în considerare posibila prezență a unei impurități de tip al treilea, dar doar pentru a arăta că aceasta poate fi evitată. Să presupunem că o probă din calcitul în pulbere studiat este compusă din particule sferice identice cu o rază r 0 . Să desenăm granița sistemului termodinamic la o anumită distanță de suprafața uneia dintre particulele de calcit, care este mică în comparație cu raza sa și, astfel, includem un anumit volum al fazei gazoase în sistem.

Există 5 substanțe în sistemul luat în considerare: CaO, CaCO3, B3, CO2, B, iar unele dintre ele participă la o reacție. Aceste substanțe sunt distribuite în patru faze: CaO, CaCO3, B3, faza gazoasă, fiecare dintre acestea fiind caracterizată de propriile valori de diferite proprietăți și este separată de alte faze printr-o interfață vizibilă (cel puțin la microscop). Faptul că faza B3 este cel mai probabil reprezentată de o multitudine de particule dispersate nu va schimba analiza - toate particulele sunt aproape identice ca proprietăți și pot fi considerate ca o singură fază. Presiunea externă este constantă, deci mai rămâne o singură variabilă externă - temperatura. Astfel, toți termenii pentru calcularea numărului de grade de libertate ( Cu) sunt definite: Cu = (5 – 1) + 1 – 4 = 1.

Valoarea obținută înseamnă că atunci când temperatura (a unui parametru) se modifică, sistemul va trece de la o stare de echilibru la alta, iar numărul și natura fazelor nu se vor schimba. Parametrii stării sistemului se vor modifica: temperatura și presiunea de echilibru a dioxidului de carbon și a gazului neutru B ( T , R CO2 , R B).

Strict vorbind, ceea ce s-a spus este adevărat nu pentru orice temperatură sub limita de temperatură, ci doar pentru intervalul în care reacția, care are loc inițial în regim cinetic, a trecut în regimul termic și se poate vorbi cu adevărat de apropiere. a parametrilor sistemului la cei de echilibru. La temperaturi mai scăzute, sistemul nu este în esență în echilibru, dar acest lucru nu afectează în niciun fel caracterul dependenței temperaturii probei de timp.

Încă de la începutul experimentului, la temperatura camerei, sistemul se află într-o stare de echilibru, dar numai pentru că nu există în el substanțe care ar putea interacționa. Aceasta se referă la oxidul de calciu, care în aceste condiții (presiunea parțială a dioxidului de carbon în atmosferă este de aproximativ 310–4 atm, presiunea de echilibru este de 10–23 atm) ar putea fi carbonizat. Conform ecuației izoterme pentru reacție, scrisă ținând cont de expresia constantei de echilibru (16.1) cu activitățile substanțelor condensate egale cu unu:

modificarea energiei Gibbs este pozitivă, ceea ce înseamnă că reacția trebuie să se desfășoare în direcția opusă, dar acest lucru nu este posibil, deoarece nu există oxid de calciu în sistem pentru început.

Odată cu creșterea temperaturii, elasticitatea de disociere (presiunea de echilibru a CO2 peste carbonat) crește, după cum urmează din ecuația izobară:

deoarece căldura reacției este mai mare decât zero.

Numai la o temperatură de aproximativ 520 C, reacția de disociere devine termodinamic posibilă, dar va începe cu o întârziere semnificativă (perioada de incubație) necesară pentru ca faza de oxid să se nucleeze. Inițial, reacția se va desfășura în modul cinetic, dar, datorită autocatalizei, rezistența etapei cinetice va scădea rapid atât de mult încât reacția va intra în modul termic. Din acest moment, analiza termodinamică de mai sus devine valabilă, iar temperatura probei va începe să rămână în urmă față de temperatura probei ipotetice de referință în care nu are loc disocierea (vezi Figura 3).

Analiza termodinamică considerată va rămâne valabilă până în momentul în care elasticitatea de disociere atinge 1 atm. În același timp, dioxidul de carbon este eliberat continuu pe suprafața probei la o presiune de 1 atm. Împinge aerul, iar noi porțiuni vin din probă pentru a-l înlocui. Presiunea dioxidului de carbon nu poate crește peste o atmosferă, deoarece gazul scapă liber în atmosfera înconjurătoare.

Sistemul se schimbă fundamental, deoarece acum nu există aer în faza gazoasă în jurul probei și există o componentă mai puțin în sistem. Numărul de grade de libertate într-un astfel de sistem c \u003d (4 - 1) + 1 - 4 \u003d 0

se dovedește a fi egal cu zero și, în timp ce se menține echilibrul în acesta, nu se poate modifica niciun parametri de stare, inclusiv temperatura.

Observăm acum că toate concluziile (calculul numărului de grade de libertate etc.) vor rămâne valabile dacă nu se ia în considerare componenta B3, care crește atât numărul de substanțe, cât și numărul de faze cu una, care este reciproc. compensate.

Urmează o oprire a temperaturii, când toată căldura primită este cheltuită doar pentru procesul de disociere. Sistemul funcționează ca un controler de temperatură foarte bun atunci când o mică schimbare aleatorie a temperaturii face ca viteza de disociere să se schimbe în direcția opusă, ceea ce readuce temperatura la valoarea anterioară. Calitatea înaltă a reglementării se explică prin faptul că un astfel de sistem este practic fără inerție.

Pe măsură ce procesul de disociere se dezvoltă, frontul de reacție se deplasează mai adânc în probă, în timp ce suprafața de interacțiune scade și grosimea produsului solid de reacție crește, ceea ce împiedică difuzia dioxidului de carbon de la locul de reacție la suprafața probei. Începând de la un moment dat, regimul termic al procesului trece într-unul mixt, iar apoi într-unul de difuzie. Deja în modul mixt, sistemul va deveni esențial dezechilibrat și concluziile obținute din analiza termodinamică își vor pierde sensul practic.

Datorită scăderii vitezei procesului de disociere, cantitatea necesară de căldură va scădea atât de mult încât o parte din fluxul de căldură primit va începe din nou să fie cheltuită pentru încălzirea sistemului. Din acest moment, oprirea temperaturii se va opri, deși procesul de disociere va continua până când carbonatul se va descompune complet.

Este ușor de ghicit că pentru cel mai simplu caz luat în considerare, valoarea temperaturii de oprire poate fi găsită din ecuație

Un calcul termodinamic folosind această ecuație folosind baza de date TDHT oferă o temperatură de 883 ° C pentru calcitul pur și 834 ° C pentru aragonit pur.

Acum să complicăm analiza. În timpul disocierii calcitului care conține impurități de tipul 1 și 2, când activitățile carbonatului și oxidului nu pot fi considerate egale cu unitatea, starea corespunzătoare devine mai complicată:

Dacă presupunem că conținutul de impurități este scăzut și soluțiile rezultate pot fi considerate ca fiind infinit diluate, atunci ultima ecuație poate fi scrisă ca:

unde este fracția molară a impurității corespunzătoare.

Dacă o zonă de temperatură înclinată și ambele temperaturi ( T 2 > T 1) peste temperatura de oprire pentru carbonat de calciu pur - K R (T 1) > 1 și K R (T 2) > 1, atunci este rezonabil să presupunem că nu există impurități de al doilea tip sau nu au timp să se dizolve () și să estimeze concentrația de impurități de primul tip la început

iar la sfârşitul opririi de temperatură

Impuritatea de primul tip ar trebui să se acumuleze într-o oarecare măsură în soluția de CaCO3-B1 pe măsură ce frontul de reacție se mișcă. În acest caz, coeficientul unghiular al pantei amplasamentului este exprimat prin raportul:

unde 1 este proporția componentului B1 care revine la faza inițială atunci când este izolat în forma sa pură; V S este volumul molar al calcitului; v C este viteza de disociere a carbonatului; este efectul termic al reacției de disociere la temperatura de oprire; r 0 este raza inițială a unei particule de calcit.

Folosind date de referință, această formulă poate fi utilizată pentru a calcula v C- viteza de dizolvare

reniu component B1 în calcit.

2.4.2 Schema de instalare și metoda de lucru

Lucrarea studiază disocierea carbonatului de calciu și a dolomitei a diferitelor fracții.

Schema configurației experimentale este prezentată în Figura 4.

Figura 4 - Schema instalației de studiere a termogramelor de disociere a carbonaților:

1 - tub de corindon, 2 - carbonat, 3 - termocuplu, 4 - cuptor,

5 - autotransformator, 6 - computer personal cu placa ADC

Un tub de corindon (1) cu un termocuplu (3) și o probă de testare de carbonat de calciu (2) este instalat într-un cuptor (4) preîncălzit la 1200 K. Termograma probei este observată pe ecranul monitorului computerului personal. După trecerea prin secțiunea izotermă, experimentul se repetă cu o altă fracție de carbonat. În studiul dolomitei, încălzirea este efectuată până când sunt detectate două opriri de temperatură.

Termogramele obţinute sunt prezentate pe graficul „temperatura – timp”. Pentru o comparație ușoară, toate termogramele trebuie să fie afișate pe un singur grafic. Temperatura de desfășurare intensivă a procesului este determinată din aceasta și este comparată cu cea găsită din analiza termodinamică. Se trag concluzii despre influența temperaturii, natura carbonatului, gradul de dispersie a acestuia asupra naturii termogramei.

2.4.3 Prelucrarea și prezentarea rezultatelor măsurătorilor

Pe baza rezultatelor lucrării, trebuie completat următorul tabel:

Tabelul 1. Rezultatele studiului procesului de disociere a carbonatului de calciu (dolomit)

Primele două coloane sunt populate cu valori atunci când fișierul de date este deschis, acesta din urmă trebuie calculat. Netezirea se realizează pe cinci puncte, diferențierea numerică a datelor netezite se realizează cu netezire suplimentară tot pe cinci puncte. Pe baza rezultatelor lucrării, ar trebui construite două diagrame de dependență separate: t– și d t/d- t .

Valoarea rezultată de oprire a temperaturii ( Ts) trebuie comparată cu valoarea caracteristică pentru calcitul pur. Dacă valoarea observată este mai mare, atunci este posibil să se estimeze aproximativ conținutul minim al primului tip de impurități conform ecuației (16.7), presupunând că nu există impurități de al doilea tip. Dacă se observă o relație inversă, atunci putem concluziona că impuritățile de al doilea tip au influența principală și estimam conținutul minim al acestora, cu condiția să nu existe impurități de primul tip. Ecuația (16.6) implică că în acest din urmă caz

Este de dorit să se calculeze valoarea constantei de echilibru utilizând baza de date TDHT utilizând metoda descrisă în manual. În cazul extrem, puteți utiliza ecuația care aproximează dependența modificării energiei Gibbs în reacția de disociere a carbonatului de calciu cu temperatura:

G 0 = B 0 + B unu · T + B 2 · T 2 ,

luând valorile coeficienților egale cu: B 0 = 177820, J/mol; B 1 \u003d -162,61, J / (mol K), B 3 \u003d 0,00765, J mol -1 K -2.

Notă . Dacă la cursul „Chimie fizică” studenții nu sunt familiarizați cu baza de date TDHT și nu au efectuat calculele corespunzătoare la orele practice, atunci trebuie utilizate ecuația Schwartzman-Temkin și datele din cartea de referință.

Comanda de procesare a rezultatelor

1. Introduceți rezultatele înregistrării manuale a informațiilor într-un fișier tabelar.

2. Efectuați netezirea temperaturii.

3. Trasează pe o foaie separată un grafic al temperaturii în funcție de timp.

4. Diferențiați în timp valorile temperaturii cu netezire cu 5 puncte.

5. Construiți pe o foaie separată un grafic al dependenței derivatei în timp a temperaturii de temperatură, determinați caracteristicile amplasamentelor.

Rezultatele testului:

1. Într-o carte de calcul trimisă spre examinare, prima pagină intitulată „Rezultate” trebuie să furnizeze următoarele informații:

A. În celula „A1” - valoarea opririi de temperatură (medie pentru o platformă înclinată), în celula „B1” - unități de măsură;

b. În celula „A2” - durata opririi temperaturii, în celula „B2” - unități de măsură;

c. În celula „A3” - panta amplasamentului, în celula „B3” - unități de măsură;

d. În celula „A4” - tipul de impuritate sau „0” dacă prezența impurităților nu a fost detectată;

e. În celula „A5” - fracția molară a impurității;

f. Pornind de la celula „A7”, concluziile lucrării ar trebui să fie clar articulate.

Celulele A1, A3 și A5 ar trebui să fie referințe la celulele din alte foi ale cărții de calcul pe care au fost efectuate calcule pentru a obține rezultatul prezentat, și nu valorile numerice în sine! Dacă această cerință nu este îndeplinită, programul de verificare dă mesajul „Eroare de prezentare a informațiilor”.

2. Grafice proiectate corespunzător ale temperaturii față de timp, temperatură față de timp față de temperatură și temperatură față de timp față de timp pe foi separate de foi de calcul cu toate legendele și simbolurile necesare.

3. Valorile estimărilor temperaturii de oprire și durata acestora.

4. Concluzii asupra lucrării.

Întrebări de control

1. Ce determină temperatura la care carbonatul începe să se disocieze în aer?

2. De ce crește elasticitatea disocierii carbonitului odată cu creșterea temperaturii?

3. Care este numărul de grade de libertate ale sistemului în care s-a stabilit un echilibru între substanțele CaO, CO 2, CaCO 3?

4. Cum se va schimba natura termogramei dacă produsul de disociere formează soluții solide cu materia primă?

5. Care mod al reacției heterogene de disociere a carbonatului corespunde părții izoterme a termogramei?

6. Cum se va schimba forma termogramei în timpul disocierii carbonatului polidispers?

7. Care este diferența dintre termogramele obținute la o presiune totală de 101,3 kPa și 50 kPa?

2.5 Studierea dependenței de temperatură a vâscozității topiturii de oxid (Lucrarea nr. 17)

2.5.1 Natura rezistenței vâscoase a topiturii de oxid

Vâscozitatea este una dintre cele mai importante caracteristici fizico-chimice ale topiturii de zgură. Are un efect semnificativ asupra mobilității de difuzie a ionilor și, prin urmare, asupra cineticii interacțiunii metalului cu zgura, asupra vitezei de transfer de căldură și a proceselor de transfer de masă în unitățile metalurgice. Studiul dependenței de temperatură a vâscozității oferă informații indirecte despre transformările structurale în topiturile de oxid și modificările parametrilor anioni complecși. Compoziția și, prin urmare, vâscozitatea, depind de scopul zgurii. Deci, de exemplu, pentru a intensifica etapele de difuzie ale interacțiunii redox dintre metal și zgură (desulfurare, defosforizare etc.), compoziția zgurii este selectată astfel încât vâscozitatea acesteia să fie scăzută. Dimpotrivă, pentru a preveni transferul hidrogenului sau azotului în oțel, prin zgura din faza gazoasă se introduce o zgură cu vâscozitate crescută.

Una dintre caracteristicile cantitative ale vâscozității poate fi coeficientul de vâscozitate dinamică (η), care este definit ca coeficientul de proporționalitate în legea lui Newton a frecării interne.

Unde F este forța de frecare internă între două straturi de fluid adiacente, grad υ – gradient de viteza, S este aria suprafeței de contact a straturilor. Unitatea de unitate de vâscozitate dinamică în SI: [η] = N s / m 2 = Pa s.

Se știe că un flux de fluid este o serie de salturi de particule într-o poziție stabilă vecină. Procesul are un caracter de activare. Pentru a implementa salturi, particula trebuie să aibă o rezervă de energie suficientă în comparație cu valoarea sa medie. Este nevoie de energie în exces pentru a rupe legăturile chimice ale unei particule în mișcare și pentru a forma un loc liber (cavitate) în volumul de topire în care aceasta trece. Pe măsură ce temperatura crește, energia medie a particulelor crește și mai multe dintre ele pot participa la flux, ceea ce duce la o scădere a vâscozității. Numărul de astfel de particule „active” crește cu temperatura conform legii de distribuție exponențială a lui Boltzmann. În consecință, dependența coeficientului de vâscozitate de temperatură are o formă exponențială

unde η 0 este un coeficient puțin dependent de temperatură, Eη este energia de activare a fluxului vâscos. Caracterizează energia cinetică minimă a unui mol de particule active capabile să participe la flux.

Structura topiturii de oxid are un efect semnificativ asupra coeficientului de vâscozitate. Spre deosebire de mișcarea ionilor sub acțiunea unui câmp electric, într-un flux vâscos, toate particulele de fluid se mișcă secvențial în direcția de mișcare. Cea mai lentă etapă este mișcarea particulelor mari, care au cea mai mare contribuție la valoarea lui η. Ca urmare, energia de activare a fluxului vâscos se dovedește a fi mai mare decât cea a conductivității electrice ( E η > E).

În zgura acide care conțin oxizi de Si, P, B, concentrația de anioni complecși mari sub formă de lanțuri, inele, tetraedre și alte structuri spațiale este mare (de exemplu,

etc.). Prezența particulelor mari crește vâscozitatea topiturii, deoarece. mutarea lor necesită multă energie în comparație cu cele mici.

Adăugările de oxizi bazici (CaO, MgO, MnO) conduc la o creștere a concentrației de cationi simpli (Ca 2+ , Mg 2+ , Mn 2+) în topitură. Anionii О2– introduși contribuie la depolimerizarea topiturii; dezintegrarea anionilor complecși, de exemplu,

Ca urmare, vâscozitatea zgurii scade.

În funcție de temperatură și compoziție, vâscozitatea zgurii metalurgice poate varia într-un interval destul de larg (0,01 - 1 Pa s). Aceste valori sunt ordine de mărime mai mari decât vâscozitatea metalelor lichide, ceea ce se datorează prezenței unităților de curgere relativ mari în zgură.

Dependența exponențială redusă a lui η de T(17.2) descrie bine datele experimentale pentru zguri bazice care conțin mai puțin de 35 moli. % Si02. În astfel de topituri, energia de activare a fluxului vâscos Eη este constantă și are o valoare mică (45 – 80 kJ/mol). Pe măsură ce temperatura scade, η se modifică nesemnificativ și numai după solidificare începe să crească rapid.

În zgura acide cu o concentrație mare de componente de complexare, energia de activare poate scădea odată cu creșterea temperaturii: E η = E 0 / T, care este cauzată de dezagregarea anionilor complecși în timpul încălzirii. Datele experimentale în acest caz sunt liniarizate în coordonatele " lnη – 1/ T 2".

2.5.2 Descrierea procedurii de configurare și de măsurare a vâscozității

Pentru a măsura coeficientul de vâscozitate în lucru, se folosește un vâscozimetru rotativ (Figura 5). Dispozitivul și principiul de funcționare al acestui dispozitiv este după cum urmează. Lichidul de testare (2) se pune în creuzetul (1) de formă cilindrică, în care este scufundat axul (4) suspendat pe o sfoară elastică (5). În timpul experimentului, cuplul de la motorul electric (9) este transmis discului (7), de la acesta prin sfoară până la ax.

Mărimea vâscozității topiturii de oxid este apreciată de unghiul de răsucire al firului, care este determinat pe o scară (8). Când axul se rotește, rezistența vâscoasă a fluidului creează un moment de frânare al forțelor, răsucirea corzii până când momentul deformarii elastice a corzii devine egal cu momentul forțelor de rezistență vâscoasă. În acest caz, viteza de rotație a discului și a axului va fi aceeași. Corespunzător unei astfel de stări, unghiul de răsucire al sforii (∆φ) poate fi măsurat prin compararea poziției săgeții (10) față de scară: inițială - înainte de pornirea motorului electric și constant - după pornire. Este evident că unghiul de răsucire al șirului ∆φ este cu atât mai mare, cu atât mai mare este vâscozitatea fluidului η. Dacă deformațiile corzilor nu le depășesc pe cele limită (corespunzătoare valabilității legii lui Hooke), atunci valoarea lui ∆φ este proporțională cu η și putem scrie:

Factorul de ecuație k, numită constanta viscozimetrului, depinde de mărimea creuzetului și a axului, precum și de proprietățile elastice ale sforii. Pe măsură ce diametrul firului scade, sensibilitatea vâscozimetrului crește.

Figura 5 - Schema instalației de măsurare a vâscozității:

1 – creuzet, 2 – topitură de testare, 3 – cap ax,

4 - ax, 5 - șir, 6 - partea superioară a instalației, 7 - disc,

8 - scară, 9 - motor electric, 10 - săgeată, 11 - cuptor, 12 - transformator,

13 - dispozitiv de control al temperaturii, 14 - termocuplu.

Pentru a determina constanta viscozimetrului k un lichid cu o vâscozitate cunoscută este plasat în creuzet - o soluție de colofoniu în ulei de transformator. În acest caz, ∆φ0 este determinat în experiment la temperatura camerei. Apoi, cunoscând vâscozitatea (η0) a lichidului de referință la o temperatură dată, se calculează k dupa formula:

Valoare găsită k folosit pentru a calcula coeficientul de viscozitate al topiturii de oxid.

2.5.3 Procedura de lucru

Pentru a face cunoștință cu proprietățile vâscoase ale zgurii metalurgice, în această lucrare de laborator se studiază o topitură de Na 2 O · 2B 2 O 3. Măsurătorile se efectuează în intervalul de temperatură 850–750 o C. După atingerea temperaturii inițiale (850 o C), indicatorul viscozimetrului este setat la zero. Apoi porniți motorul electric și fixați unghiul staționar de răsucire al șirului ∆φ t . Fără a opri viscozimetrul, repetați măsurarea ∆φ t la alte temperaturi. Experimentul este oprit când unghiul de răsucire al sforii începe să depășească 720 o.

2.5.4 Prelucrarea și prezentarea rezultatelor măsurătorilor

Conform rezultatelor măsurătorilor, completați următorul tabel.

Tabelul 1. Dependența de temperatură a vâscozității

În tabel, primele două coloane sunt completate conform rezultatelor înregistrării manuale a citirilor de temperatură pe ecranul monitorului și unghiului de răsucire al filetului pe scara viscozimetrului. Restul coloanelor sunt calculate.

Pentru a verifica fezabilitatea legii exponențiale de modificare a coeficientului de vâscozitate cu temperatura (17.2), este trasat un grafic în coordonatele „Ln (η) - 10 3 / T". Energia de activare este găsită folosind funcțiile LINEST() (OpenOffice.Calc) sau LINEST() (MicrosoftOffice.Exel), aplicându-le coloanelor a cincea și a șasea a tabelului.

În concluzii, datele obținute pentru η și E η sunt comparate cu cele cunoscute pentru zgura metalurgică și se discută natura dependenței de temperatură a vâscozității și relația acesteia cu modificările structurale ale topiturii.

Comanda de procesare a rezultatelor

1. Efectuați măsurători pe celula de calibrare și calculați constanta de setare

2. Introduceți rezultatele înregistrării manuale a informațiilor într-un fișier tabelar.

3. Calculați valorile vâscozității.

4. Trasați un grafic al vâscozității în funcție de temperatură pe o foaie separată.

5. Calculați logaritmul vâscozității și al temperaturii absolute inverse pentru întregul set de măsurători.

6. Aflați coeficienții celor mai mici pătrate b 0 , b 1 ecuație care aproximează dependența logaritmului vâscozității de temperatura reciprocă și se calculează energia de activare.

7. Trasați pe o foaie separată un grafic al dependenței logaritmului vâscozității de temperatura reciprocă și dați o dependență aproximativă Rezultatele testului:

1. Într-o carte de calcul trimisă spre examinare, prima pagină intitulată „Rezultate” trebuie să furnizeze următoarele informații:

A. În celula „A1” - temperatura inițială, în celula „B1” - unități de măsură;

b. În celula „A2” - temperatura finală, în celula „B2” - unități de măsură;

c. În celula „A3” - energia de activare a fluxului vâscos la temperaturi scăzute, în celula „B3” - unități de măsură;

d. În celula „A4” - factor pre-exponențial în formula pentru dependența de temperatură a conductibilității electrice la temperaturi scăzute, în celula „B4” - unități de măsură;

e. În celula „A5” - energia de activare a fluxului vâscos la temperaturi ridicate, în celula „B5” - unități de măsură;

f. În celula „A6” - factor pre-exponențial în formula pentru dependența de temperatură a conductibilității electrice la temperaturi ridicate, în celula „B6” - unități de măsură;

g. Pornind de la celula „A7”, concluziile lucrării ar trebui să fie clar articulate.

În celulele A1-A6, ar trebui să existe legături către celulele din alte foi ale cărții de calcul pe care au fost efectuate calcule pentru a obține rezultatul prezentat, și nu valorile numerice în sine! Dacă această cerință nu este îndeplinită, programul de verificare dă mesajul „Eroare de prezentare a informațiilor”.

2. Grafice corect concepute ale dependențelor vâscozității de temperatură și ale logaritmului vâscozității față de temperatura reciprocă, obținute din date experimentale (puncte) și aproximate printr-un polinom (linie), pe foi separate de foi de calcul cu toate semnăturile de notație necesare. Întrebări de control

1. În ce formă sunt componentele topiturii de oxid, formate din CaO, Na 2 O, SiO 2, B 2 O 3, Al 2 O 3?

2. Ce se numește coeficientul de vâscozitate?

3. Cum se va schimba dependența de temperatură a vâscozității zgurii atunci când i se adaugă oxizi bazici?

4. În ce unități se măsoară vâscozitatea?

5. Cum se determină constanta viscozimetrului?

6. Ce determină energia de activare a unui flux vâscos?

7. Care este motivul scăderii vâscozității odată cu creșterea temperaturii?

8. Cum se calculează energia de activare a unui flux vâscos?

2.6 Recuperarea manganului din topitura de oxid în oțel

(Slujba #18)

2.6.1 Legile generale ale interacțiunii electrochimice ale metalului și zgurii

Procesele de interacțiune a metalului lichid cu zgura topită sunt de mare importanță tehnică și au loc în multe unități metalurgice. Productivitatea acestor unități, precum și calitatea metalului finit, sunt în mare măsură determinate de viteza și completitudinea tranziției anumitor elemente prin limita de fază.

Apariția simultană a unui număr semnificativ de procese fizice și chimice în diferite faze, temperaturile ridicate, prezența fluxurilor hidrodinamice și termice fac dificilă studierea experimentală a proceselor de interacțiune a fazelor în condiții de producție și de laborator. Astfel de sisteme complexe sunt studiate cu ajutorul unor modele care reflectă aspectele individuale, dar cele mai semnificative ale obiectului luat în considerare. În lucrarea de față, modelul matematic al proceselor care au loc la interfața metal-zgură face posibilă analizarea modificării concentrațiilor volumice ale componentelor și a vitezei de tranziție a acestora prin limita interfeței în funcție de timp.

Reducerea manganului din topitura de oxid are loc în funcție de semireacția electrochimică:

(Mn 2+) + 2e =

Procesele însoțitoare trebuie să fie procese de oxidare. Evident, acesta ar putea fi procesul de oxidare a fierului.

= (Fe2+) + 2e

sau impurități din compoziția oțelului, cum ar fi siliciul. Deoarece un ion de siliciu cu patru încărcări nu poate fi în zgură, acest proces este însoțit de formarea unui tetraedru siliciu-oxigen în conformitate cu semireacția electrochimică:

4(O 2-) \u003d (SiO 4 4-) + 4e

Curgerea independentă a numai uneia dintre semireacțiile electrodului date este imposibilă, deoarece aceasta duce la acumularea de sarcini în stratul dublu electric la limita de fază, ceea ce împiedică tranziția substanței.

Starea de echilibru pentru fiecare dintre ele este caracterizată de potențialul electrodului de echilibru ()

unde este potențialul standard, sunt activitățile formelor oxidate și reduse ale substanței; z este numărul de electroni implicați în procesul electrodului, R este constanta universală a gazului, F este constanta Faraday, T- temperatura.

Reducerea manganului din zgură la metal se realizează ca urmare a apariției comune a cel puțin două semireacții ale electrozilor. Vitezele lor sunt setate astfel încât să nu existe acumulare de taxe la interfață. În acest caz, potențialul metalului ia o valoare staționară, la care ratele de generare și asimilare a electronilor sunt aceleași. Diferența dintre cele reale, adică staționar, potențial și valoarea sa de echilibru, se numește polarizare (supratensiune) electrodului, . Polarizarea caracterizează gradul de îndepărtare a sistemului din echilibru și determină viteza de tranziție a componentelor prin limita de fază în conformitate cu legile cineticii electrochimice.

Din punctul de vedere al termodinamicii clasice, procesele de reducere a manganului din zgură prin siliciu dizolvat în fier au loc în sistem într-o direcție sau alta:

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

și solventul însuși (oxidarea manganului cu oxid de fier în zgură

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

Din punctul de vedere al cineticii formale, viteza primei reacții, determinată, de exemplu, de modificarea conținutului de siliciu din metal, departe de echilibrul în regimul cinetic, ar trebui să depindă de produsul concentrațiilor de oxid de mangan din zgură și siliciu în metal într-o oarecare măsură. În regimul de difuzie, viteza de reacție ar trebui să depindă liniar de concentrația componentului a cărui difuzie este împiedicată. Considerații similare pot fi făcute pentru a doua reacție.

Constanta de echilibru a reactiei exprimata in termeni de activitati

este doar o funcție de temperatură.

Raportul dintre concentrațiile de echilibru ale manganului în zgură și metal

se numește coeficientul de distribuție al manganului, care, spre deosebire de acesta, depinde de compoziția fazelor și servește ca o caracteristică cantitativă a distribuției acestui element între zgură și metal.

2.6.2 Modelul procesului

Modelul de simulare ia în considerare trei semireacții ale electrodului care pot avea loc între topitura de oxid de CaO – MnO – FeO – SiO 2 – Al 2 O 3 și fierul lichid care conține Mn și Si ca impurități. Se face o presupunere cu privire la regimul de difuzie al curgerii lor. Se ia în considerare inhibarea difuziei particulelor de Fe 2+ în zgură, siliciu în metal și mangan în ambele faze. Sistemul general de ecuații care descrie modelul are forma

Unde υ ј este viteza semireacției electrodului, η j- polarizare, eu j este densitatea curentului de difuzie limitator, Dj este coeficientul de difuzie, β este constanta convectivă, Cj- concentrare.

Programul model de simulare permite rezolvarea sistemului de ecuații (18.4) - (18.8), ceea ce face posibilă stabilirea modului în care concentrația volumică a componentelor și viteza de tranziție a acestora se modifică în timp atunci când metalul interacționează cu zgura. Sunt afișate rezultatele calculului. Informațiile primite de pe ecranul monitorului includ o reprezentare grafică a modificărilor concentrațiilor componentelor principale, a valorilor curente ale acestora, precum și a valorilor de temperatură și a constantelor de convecție (Figura 8).

Schema bloc a programului pentru modelul de simulare a interacțiunii metalului și zgurii este prezentată în Figura 7. Programul rulează într-un ciclu care se oprește numai după ce a trecut timpul de simulare specificat (aproximativ 10 minute).

Figura 7 - Schema bloc a programului modelului de simulare

2.6.3 Procedura de lucru

Imaginea generată de programul de simulare este prezentată în Figura 8 (panoul din dreapta). Valorile numerice selectate ale cantităților măsurate sunt date în partea superioară a panoului, toate valorile obținute în timpul simulării procesului sunt afișate pe grafic. În denumirile componentelor topiturii metalice și de zgură se folosesc semne suplimentare adoptate în literatura metalurgică. Parantezele pătrate indică faptul că componenta aparține topiturii de metal, iar parantezele rotunde celei de zgură. Multiplicatorii în denumirile componentelor sunt utilizați numai pentru reprezentare grafică, nu ar trebui să fie luați în considerare la interpretarea valorilor. În timp ce modelul rulează, doar valoarea uneia dintre valorile măsurate este afișată la un moment dat. După 6 secunde, dispare și apare valoarea următoarei valori. În această perioadă de timp, este necesar să aveți timp pentru a înregistra următoarea valoare. Pentru a economisi timp, se recomandă să nu scrieți cifre constante, de exemplu, unitatea de conducere în valoarea temperaturii.

Fig. 8. Imaginea ecranului monitorului în timpul executării lucrării nr. 18 la diferite etape ale proceselor.

În patru - cinci minute de la începerea instalării, adăugați oxid de mangan preîncălzit în zgură, ceea ce se face prin apăsarea simultană a tastei Alt și a tastei numerice de pe tastatura principală cu numărul instalației dvs. Ordinea procesării rezultatelor:

1. Introduceți rezultatele înregistrării manuale a informațiilor într-un fișier tabelar.

2. Calculați vitezele proceselor de tranziție a elementelor prin limita interfeței și logaritmii acestor valori înainte și după adăugarea de oxid de mangan la zgura cu o masă de topitură a metalului de 1400 kg.

3. Reprezentați grafic pe foi separate ale temperaturii în funcție de timp, rata de tranziție a manganului în funcție de timp, logaritmul ratei de tranziție a siliciului față de logaritmul concentrației de siliciu în metal.

4. Estimați caracteristicile cinetice ale procesului de tranziție a siliciului folosind metoda celor mai mici pătrate.

Rezultatele testului:

1. Diagrame proiectate corespunzător enumerate în secțiunea anterioară, pe o foaie separată de foi de calcul cu toate semnăturile și simbolurile necesare.

Fig. 2. Valori ale ordinului reacției de oxidare a siliciului înainte și după introducerea oxidului de mangan, indicând erorile.

3. Concluzii asupra lucrării.

Întrebări de control

1. De ce este necesară modelarea proceselor de producție a oțelului?

2. Care este natura interacțiunii dintre metal și zgură și cum se manifestă ea?

3. Ce potențial se numește staționar?

4. Ce potențial se numește echilibru?

5. Ce se numește polarizarea electrodului (supratensiune)?

6. Care este coeficientul de distribuție a manganului între metal și zgură?

7. Ce determină constanta de distribuție a manganului între metal și zgură?

8. Ce factori afectează viteza de tranziție a manganului de la metal la zgură în modul de difuzie?

Bibliografie

1. Linchevsky, B.V. Tehnica experimentului metalurgic [Text] / B.V. Linchevsky. - M.: Metalurgie, 1992. - 240 p.

2. Arseniev, P.P. Metode fizico-chimice pentru studierea proceselor metalurgice [Text]: manual pentru universități / P.P. Arseniev, V.V. Yakovlev, M.G. Krasheninnikov, L.A. Pronin şi alţii - M .: Metalurgie, 1988. - 511 p.

3. Popel, S.I. Interacțiunea metalului topit cu gazul și zgura [Text]: manual / S.I. Popel, Yu.P. Nikitin, L.A. Barmin și alții - Sverdlovsk: ed. UPI-i. CM. Kirova, 1975, - 184 p.

4. Popel, S.I. Teoria proceselor metalurgice [Text]: manual / S.I. Popel, A.I. Sotnikov, V.N. Boronenkov. - M.: Metalurgie, 1986. - 463 p.

5. Lepinskikh, B.M. Proprietăți de transport ale topiturii de metal și zgură [Text]: Manual / B.M. Lepinskikh, A.A. Belousov / Pod. ed. Vatolina N.A. - M.: Metalurgie, 1995. - 649 p.

6. Belay, G.E. Organizarea unui experiment metalurgic [Text]: manual / G.E. Belay, V.V. Dembovsky, O.V. Sotsenko. - M.: Chimie, 1982. - 228 p.

7. Panfilov, A.M. Calcul proprietăților termodinamice la temperaturi ridicate [Resursa electronică]: material didactic pentru studenții facultăților de inginerie metalurgică și fizică de toate formele de învățământ / A.M. Panfilov, N.S. Semenova - Ekaterinburg: USTU-UPI, 2009. - 33 p.

8. Panfilov, A.M. Calcule termodinamice în foi de calcul Excel [Resursă electronică]: linii directoare pentru studenții facultăților de metalurgie și fizico-tehnică de toate formele de învățământ / A.M.Panfilov, N.S. Semenova - Ekaterinburg: UGTUUPI, 2009. - 31 p.

9. Scurtă carte de referință a mărimilor fizice și chimice / Sub. ed. A.A. Ravdel și A.M. Ponomarev. L.: Chimie, 1983. - 232 p.

Pentru a restrânge rezultatele căutării, puteți rafina interogarea specificând câmpurile în care să căutați. Lista câmpurilor este prezentată mai sus. De exemplu:

Puteți căuta în mai multe câmpuri în același timp:

operatori logici

Operatorul implicit este ȘI.
Operator ȘIînseamnă că documentul trebuie să se potrivească cu toate elementele din grup:

Cercetare & Dezvoltare

Operator SAUînseamnă că documentul trebuie să se potrivească cu una dintre valorile din grup:

studiu SAU dezvoltare

Operator NU exclude documentele care conțin acest element:

studiu NU dezvoltare

Tipul de căutare

Când scrieți o interogare, puteți specifica modul în care expresia va fi căutată. Sunt acceptate patru metode: căutarea bazată pe morfologie, fără morfologie, căutarea unui prefix, căutarea unei fraze.
În mod implicit, căutarea se bazează pe morfologie.
Pentru a căuta fără morfologie, este suficient să puneți semnul „dolar” înaintea cuvintelor din fraza:

$ studiu $ dezvoltare

Pentru a căuta un prefix, trebuie să puneți un asterisc după interogare:

studiu *

Pentru a căuta o expresie, trebuie să includeți interogarea între ghilimele duble:

" cercetare si dezvoltare "

Căutați după sinonime

Pentru a include sinonime ale unui cuvânt în rezultatele căutării, puneți un marcaj „ # „ înaintea unui cuvânt sau înaintea unei expresii între paranteze.
Când se aplică unui cuvânt, vor fi găsite până la trei sinonime pentru acesta.
Când se aplică unei expresii între paranteze, la fiecare cuvânt se va adăuga câte un sinonim dacă a fost găsit unul.
Nu este compatibil cu căutările fără morfologie, prefix sau expresii.

# studiu

gruparea

Parantezele sunt folosite pentru a grupa expresiile de căutare. Acest lucru vă permite să controlați logica booleană a cererii.
De exemplu, trebuie să faceți o cerere: găsiți documente al căror autor este Ivanov sau Petrov, iar titlul conține cuvintele cercetare sau dezvoltare:

Căutare aproximativă de cuvinte

Pentru căutare aproximativă trebuie să pui o tildă" ~ " la sfârșitul unui cuvânt dintr-o frază. De exemplu:

brom ~

Căutarea va găsi cuvinte precum „brom”, „rom”, „prom”, etc.
Puteti specifica in plus suma maxima editări posibile: 0, 1 sau 2. De exemplu:

brom ~1

Valoarea implicită este 2 editări.

Criteriul de proximitate

Pentru a căuta după proximitate, trebuie să puneți un tilde " ~ " la sfârșitul unei fraze. De exemplu, pentru a găsi documente cu cuvintele cercetare și dezvoltare în 2 cuvinte, utilizați următoarea interogare:

" Cercetare & Dezvoltare "~2

Relevanța expresiei

Pentru a schimba relevanța expresiilor individuale în căutare, utilizați semnul „ ^ " la sfârșitul unei expresii, apoi indicați nivelul de relevanță al acestei expresii în raport cu celelalte.
Cu cât nivelul este mai mare, cu atât expresia dată este mai relevantă.
De exemplu, în această expresie, cuvântul „cercetare” este de patru ori mai relevant decât cuvântul „dezvoltare”:

studiu ^4 dezvoltare

În mod implicit, nivelul este 1. Valorile valide sunt un număr real pozitiv.

Căutați într-un interval

Pentru a specifica intervalul în care ar trebui să fie valoarea unui câmp, specificați valorile limită între paranteze, separate de operator LA.
Se va efectua o sortare lexicografică.

O astfel de interogare va returna rezultate cu autorul începând de la Ivanov și terminând cu Petrov, dar Ivanov și Petrov nu vor fi incluși în rezultat.
Pentru a include o valoare într-un interval, utilizați paranteze pătrate. Folosiți acolade pentru a scăpa de o valoare.