n1.doc
Federal State Educational Institute of Higher Professional Education
SIBERISK UNIVERSITET FEDERAL
INSTITUTT FOR IKKE-JERNMETALLER
OG MATERIALVITENSKAPTEORI OM METALLURGISKE PROSESSER
FORelesningsnotater FOR STUDENTER I SPESIALITETEN
FYSISK INGENIØR
KRASNOYARSK 2008
UDC 669.541
BBK 24.5
Anmelder
Godkjent som læremiddel
I.I.Kopach
K 55 Teori om metallurgiske prosesser: Lærebok Manual for spesialiteten "Fysisk ingeniør"/SFU. Krasnoyarsk, 2008. – 46 s.
ISBN 5-8150-0043-4
Håndboken skisserer de teoretiske prinsippene for hovedprosessene for metallurgisk produksjon, slik som: dissosiasjon, redoksprosesser, kjemiske og fysiske metoder for raffinering, metallurgisk slagger og sulfidmetallurgi.
Sibirsk føderale universitet, 2008
INTRODUKSJON
DISSOSIERING AV KJEMISKE FORBINDELSER
GASSFASEN SAMMENSETNING OG EGENSKAPER VED HØYE TEMPERATURER.
OKSIDERENDE PROSESSER.
Reduksjon med hydrogen
Reduksjon med fast karbon
Reduksjon med CO-gass
Reduksjon med metaller
4. RAFFINERING AV METALLER
4.1. Pyrometallurgiske raffineringsmetoder
4.2. Fysiske raffineringsmetoder
Beslutningspåvirkning
Krystallisering
Vakuumraffinering
Separasjonssmelte.
Konvertering av matter.
Struktur av slaggsmelter
INTRODUKSJON
Teorien om metallurgiske prosesser er en fysisk kjemi som beskriver oppførselen til kjemisk reagerende systemer ved høye temperaturer, fra 800 til 2500 K og mer.
Den akselererte fremgangen til menneskeheten begynte etter at folk lærte å bruke metaller. Utviklingsnivået i landet bestemmes fortsatt i stor grad av utviklingsnivået til metallurgisk, kjemisk industri og gruveindustri. For tiden er måtene for omfattende utvikling praktisk talt oppbrukt, og spørsmålet om intensiv utvikling av alle produksjonsgrener, inkludert metallurgi, har kommet først. De siste tiårene er preget av kvalitativt nye tilnærminger til alle produksjonsprosesser, disse er:
energi- og ressurssparing,
dyp behandling av råvarer og industriavfall,
bruk av de siste vitenskapelige prestasjonene i produksjonen,
bruk av mikro- og nanoteknologi,
automatisering og databehandling av produksjonsprosesser,
minimere skadelige påvirkninger på miljøet.
De oppførte (og mange andre) kravene stiller høye krav til nivået på grunnleggende og spesialutdanning av en moderne ingeniør.
Den foreslåtte læreboken om teorien om metallurgiske prosesser er et forsøk på å presentere disiplinen på det første, laveste nivået av kompleksitet, dvs. uten matematiske bevis, med minimal begrunnelse av utgangspunktene og analyse av de oppnådde resultatene. Manualen består av 6 kapitler, som dekker nesten hele prosessen med å skaffe metaller fra malm og konsentrater.
La oss først minne om masovnsprosessen med å smelte råjern fra jernmalm eller jernmalmkonsentrater, kjent fra et skolekjemikurs. Det er tre faser i en masovn:
gassfase bestående av gasser CO, CO 2, metalldamper og oksider,
slaggfase bestående av smeltede oksider CaO, SiO 2, Al 2 O 3, FeO, MnO, etc.
en metallfase som består av flytende jern og urenheter oppløst i den, som karbon, mangan, silisium, fosfor, svovel, etc.
For tiden produserer metallurgi rundt 70 metaller, som vanligvis deles inn i ikke-jernholdige og jernholdige. Sistnevnte inkluderer bare 4 metaller: jern, mangan, vanadium og krom. Gruppen av ikke-jernholdige metaller er mer tallrik, derfor er den delt inn i følgende undergrupper.
Tung: kobber, bly, sink, nikkel, tinn, kvikksølv, totalt 18 grunnstoffer.
Lettmetaller: aluminium, magnesium, titan, silisium, alkali- og jordalkalimetaller, totalt 12 grunnstoffer.
Noble: gull, sølv, platina, etc. Det er 8 elementer totalt, de fikk navnet sitt på grunn av mangel på affinitet for oksygen, derfor er de i naturen i en fri (uoksidert) tilstand.
Sjeldne metaller: ildfaste - 5 elementer, sjeldne jordarter - 16 elementer og radioaktive - 16 elementer.
pyrometallurgisk,
hydrometallurgisk og
elektrometallurgiske prosesser.
Den første av dem forekommer ved temperaturer i størrelsesorden 1000 – 2500 K, mens komponentene er i smeltet og oppløst tilstand.
Sistnevnte forekommer i vandige, sjeldnere i organiske, løsemidler, ved temperaturer på 300–600 K. Mange hydrometallurgiske prosesser skjer også ved forhøyet trykk, d.v.s. i autoklaver.
Elektrometallurgiske prosesser skjer på elektroder både i vandige løsninger og i saltsmelter ved forskjellige temperaturer. For eksempel fortsetter elektrolysen av alumina i en kryolitt-aluminiumoksyd-smelte ved 1230 K, og elektrolysen av platina fra en vandig elektrolytt ved 330 K.
Råvarene for produksjon av mange metaller er først og fremst oksiderte malmer, hvorfra man får aluminium, jern, krom, mangan, titan og delvis kobber, nikkel og bly. Mindre vanlige sulfidmalmer produserer metaller som kobber, bly, nikkel, kobolt og edle metaller. Magnesium, kalsium og alkalimetaller oppnås fra kloridmalm (fra vannet i hav og innsjøer).
Metallurgisk produksjon har en skadelig innvirkning på miljøet, nemlig:
utslipp av reaksjonsgasser som CO, SO 2, SO 3, Cl, CS 2 og mange andre gasser,
pulverformige og flytende partikler av forskjellige størrelser og sammensetninger,
utslipp av store mengder industrivann som forurenser vannforekomster, inkludert drikkevannsforsyninger.
stor utslipp av overflødig, lavverdi energi, som kan brukes til oppvarming av drivhus mv.
Et grovt estimat viser at en person som pendler til jobb i offentlig transport bruker omtrent en størrelsesorden mindre drivstoff og oksygen, sammenlignet med komfortelskere som kjører alene i en bil med flere liters motorkapasitet. Fremtiden til menneskeheten, som et tenkende fellesskap, er på vei til bevisst selvbegrensning i sfæren for forbruk av varer, tjenester og til syvende og sist energiressurser.
Federal Agency for Education
Statens utdanningsinstitusjon for høyere profesjonsutdanning "Ural State Technical University - UPI"
ER. Panfilov
Pedagogisk elektronisk tekstutgave
Utarbeidet av Institutt for "Teori om metallurgiske prosesser"
Vitenskapelig redaktør: prof., lege. chem. Science M.A. Spiridonov
Retningslinjer for laboratoriearbeid i fagene "Fysisk-kjemi av metallurgiske systemer og prosesser", "Teori om metallurgiske prosesser" for studenter av alle former for opplæring i metallurgiske spesialiteter.
Reglene for organisering av arbeid i verkstedet "Teori om metallurgiske prosesser" til TMP-avdelingen (spesialisert publikum) er regulert
Mt-431 oppkalt etter. O.A. Esina). Metodikken og prosedyren for å utføre laboratoriearbeid er beskrevet, kravene til innhold og formatering av rapporter om laboratoriearbeid i samsvar med gjeldende GOST-er og anbefalinger for implementering er gitt.
© Statens utdanningsinstitusjon for høyere profesjonsutdanning USTU-UPI, 2008
Jekaterinburg
Introduksjon................................................. ...................................................... ............................................................ ................... 4
1 Organisering av arbeidet i et laboratorieverksted om teori om metallurgiske prosesser................... 4
1.1 Forberedelse til laboratoriearbeid.................................................. ...................................................... .............. .. 5 1.2 Anbefalinger for behandling av måleresultater og rapportering........................... .......... 5
1.3.1 Plotte grafer................................................... ...................................................... ............................................ 5
1.3.2 Utjevning av eksperimentelle data........................................... ........................................................ 7
1.3.5 Numerisk differensiering av en funksjon definert av et sett med diskrete punkter................................ 8
tilnærming til et visst sett med data......................................... ........................................................ 9
1.3.7 Presentasjon av resultater......................................... ........................................................ .............................. 10
2 Beskrivelse av laboratoriearbeid.................................................. ........................................................ ........................................................... elleve
2.1 Studie av kinetikken ved høytemperaturoksidasjon av jern (Arbeid nr. 13) ........................... 12
2.1.1 Generelle mønstre for jernoksidasjon........................................... ........................................................................ 12 2.1.2 Beskrivelse av installasjonen og fremgangsmåten for gjennomføring av eksperimenter...................................... ................................ ..... 14
2.1.3 Bearbeiding og presentasjon av måleresultater.......................................... ........................................... 15
Kontrollspørsmål ................................................... ................................................................ ...................................... 17
2.2 Studie av temperaturavhengigheten til den elektriske ledningsevnen til oksidsmelter
(Verk nr. 14) ................................................ ...................................................... ............................................................ ..... 19
2.2.1 Generell informasjon om arten av elektrisk ledningsevne til slagger................................. ............... 19
2.2.2 Beskrivelse av installasjonen og måleprosedyren......................................... ............................................ 21
2.2.3 Arbeidsordre ................................................... ...................................................... ..................... 23
2.2.4 Bearbeiding og presentasjon av måleresultater.......................................... ........... ................... 24
Kontrollspørsmål ................................................... ................................................................ ...................................... 25
2.3 Studie av kinetikken til metallavsvovling med slagg på en simuleringsmodell (Work No.
15) ............................................................................................................................................................ 26
2.3.1 Generell informasjon om kinetikken til metallavsvovling med slagg................................... ............... ..... 26
2.3.2 Matematisk modell av prosessen........................................... ........................................................................ ...... 29
2.3.3 Arbeidsprosedyre......................................................... ............................................................... ..................... ...... tretti
2.3.4 Bearbeiding og presentasjon av måleresultater.......................................... ........... ................... 31
Kontrollspørsmål ................................................... ................................................................ ...................................... 32
2.4 Termografisk studie av prosessene for dissosiasjon av naturlige karbonater (Arbeid nr. 16) 33
2.4.1 Generelle mønstre for karbonatdissosiasjon........................................... ........................................ 33
2.4.2 Installasjonsskjema og arbeidsprosedyre........................................... ........................................... 39
2.4.3 Bearbeiding og presentasjon av måleresultater.......................................... ........... ................... 39
Kontrollspørsmål ................................................... ................................................................ ...................... 41
2.5 Studie av temperaturavhengigheten til viskositeten til oksidsmelter (Arbeid nr. 17) ................... 42
2.5.1 Arten av viskøs motstand av oksidsmelter......................................... ............................ 42
2.5.2 Beskrivelse av installasjonen og prosedyre for måling av viskositet................................. ............................ 43
2.5.3 Arbeidsprosedyre......................................................... ............................................................... ...................... ...... 45
2.5.4 Bearbeiding og presentasjon av måleresultater.......................................... ........... ................... 45 Testspørsmål................. ................................................................ ........................................................................ ................ 46
2.6 Reduksjon av mangan fra oksidsmelte til stål (Verk nr. 18)
2.6.1 Generelle prinsipper for elektrokjemisk vekselvirkning mellom metall og slagg................................... 47
2.6.2 Prosessmodell......................................................... ...................................................... ............................................ 49
2.6.3 Arbeidsprosedyre......................................................... ............................................................... ...................... ...... 50
Kontrollspørsmål ................................................... ................................................................ ...................................... 52 Referanser............... ........................................................ ................................................................... ................................ ..... 53
| STP USTU-UPI 1-96 |
Enterprise standard. Generelle krav og regler for utarbeidelse av vitnemål og kursprosjekter (arbeider). |
| GOST R 1,5-2002 |
GSS. Standarder. Generelle krav til konstruksjon, presentasjon, utforming, innhold og betegnelse. |
| GOST 2,105-95 |
ESKD. Generelle krav til tekstdokumenter. |
| GOST 2.106-96 |
ESKD. Tekstdokumenter. |
| GOST 6.30 2003 |
USD. Samlet system for organisatorisk og administrativ dokumentasjon. Dokumentasjonskrav. |
| GOST 7.32-2001 |
SIBID. Forskningsrapport. |
| GOST 7,54-88 |
SIBID. Presentasjon av numeriske data om egenskaper til stoffer og materialer i vitenskapelige og tekniske dokumenter. Generelle Krav. |
| GOST 8.417-2002 |
GSOEI. Mengdeenheter |
Notasjoner og forkortelser
| Statlig standard for den tidligere Sovjetunionen eller mellomstatlig standard (for øyeblikket). |
|
| En standard vedtatt av den russiske føderasjonens statskomité for standardisering og metrologi (Gosstandart of Russia) eller den russiske føderasjonens statskomité for bolig- og konstruksjonspolitikk (Gosstroy of Russia). |
|
| Statens standardiseringssystem. |
|
| Statlig system for å sikre enhetlighet i målinger. |
|
| Informasjonsteknologi |
|
| Minste kvadratiske metode |
|
| Personlig datamaskin |
|
| Enterprise standard |
|
| Teori om metallurgiske prosesser |
Introduksjon
Ved å utføre laboratoriearbeid for å studere egenskapene i metallslaggsystemet og prosessene som forekommer i metallurgiske enheter, kan vi bedre forstå egenskapene til den fysisk-kjemiske analysemetoden og få ferdigheter i dens praktiske anvendelse. I tillegg blir studenten kjent med implementering av noen metoder for eksperimentell og modellforskning av individuelle fysisk-kjemiske egenskaper og metallurgiske prosesser generelt, tilegner seg ferdigheter i å bearbeide, analysere og presentere eksperimentell informasjon.
1 Organisering av arbeid i laboratorieverksted om teori om metallurgiske prosesser
I et laboratorieverksted om teorien om metallurgiske prosesser er det viktigste datamaskininnsamlingen av eksperimentell informasjon. Dette bestemmer en rekke funksjoner i organiseringen av arbeidet:
Hver elev får en individuell oppgave, fullfører hele eksperimentet eller en spesifisert del av det, og behandler informasjonen som mottas. Resultatet av arbeidet inkluderer de oppnådde numeriske egenskapene til fenomenet som studeres og feilene i deres bestemmelse, grafer som illustrerer de identifiserte funksjonene og konklusjoner hentet fra hele settet med informasjon. Avviket mellom de kvantitative resultatene av arbeid gitt i elevrapporter sammenlignet med kontrollkarakterer bør ikke overstige 5 %.
Hovedalternativet for å formatere resultatene er å behandle eksperimentelle data, plotte grafer og formulere konklusjoner i Microsoft.Excel eller OpenOffice.Calc-regneark.
Med tillatelse fra lærer er det midlertidig mulig å levere en håndskrevet rapport med nødvendige illustrasjoner og grafer laget på millimeterpapir.
Rapport om utført laboratoriearbeid leveres til læreren som gjennomfører laboratorieverkstedet senest på arbeidsdagen før neste laboratoriearbeid. Rekkefølgen for overføring (via e-post, i en pause til enhver lærer eller laboratorieassistent som for tiden leder klasser) bestemmes av læreren.
Studenter som ikke har levert rapport om tidligere arbeid i tide og ikke har bestått kollokviet (prøven) får ikke delta i neste laboratoriearbeid.
Kun studenter som har gjennomført en innledende orientering om sikre arbeidstiltak på laboratorieverksted og har signert instruksjonsjournalen får utføre laboratoriearbeid.
Arbeid med oppvarming og måling av elektriske instrumenter, med kjemiske glassvarer og reagenser utføres i henhold til sikkerhetsinstruksene i laboratoriet.
Etter endt arbeid rydder eleven på arbeidsplassen og overleverer laboratorieassistenten.
1.1 Forberedelse til laboratoriearbeid
Hovedkildene ved forberedelse til timen er denne håndboken, lærebøker og læremidler anbefalt av foreleser, og forelesningsnotater.
Som forberedelse til laboratoriearbeid skal studenten i uken før timen lese og forstå materialet knyttet til fenomenet som studeres, forstå utformingen av installasjonen og målemetodene og behandle resultatene ved hjelp av diagrammene gitt i manualen. Hvis det oppstår vanskeligheter, er det nødvendig å bruke anbefalt litteratur og konsultasjoner med foreleser og lærere som gjennomfører laboratorietimer.
Elevens beredskap til å utføre arbeidet kontrolleres av læreren ved å intervjue hver elev individuelt eller ved å gjennomføre datatesting. En utilstrekkelig forberedt student er pålagt å studere materialet knyttet til dette arbeidet i løpet av timen, og fullføre den eksperimentelle delen av arbeidet i en tilleggstime etter re-testing. Tid og fremgangsmåte for gjentatte timer er regulert av en spesiell timeplan.
1.2 Anbefalinger for behandling av måleresultater og rapportering
I henhold til GOST 7.54-88 må eksperimentelle numeriske data presenteres i form av titteltabeller. Eksempeltabeller er gitt for hver lab.
Ved behandling av måleresultater er det nødvendig å bruke statistisk prosessering: bruk utjevning av eksperimentelle data, bruk minste kvadraters metode ved estimering av avhengighetsparametere, etc. og sørg for å evaluere feilen til de oppnådde verdiene. For å utføre slik behandling er det gitt spesielle statistiske funksjoner i regneark. Det nødvendige settet med funksjoner er også tilgjengelig i kalkulatorer beregnet for vitenskapelige (tekniske) beregninger.
1.3.1 Grafer
Når du utfører eksperimenter, registreres som regel verdiene til flere parametere samtidig. Ved å analysere forholdet deres kan vi trekke konklusjoner om det observerte fenomenet. Visuell representasjon av numeriske data gjør det ekstremt enkelt å analysere relasjonene deres - og derfor er grafer et så viktig skritt i arbeidet med informasjon. Merk at blant de faste parameterne er det alltid minst én uavhengig variabel - en verdi hvis verdi endres av seg selv (tid) eller som er satt av eksperimentatoren. De resterende parametrene bestemmes av verdiene til de uavhengige variablene. Når du konstruerer grafer, bør du følge noen regler:
Verdien av den uavhengige variabelen er plottet langs x-aksen (horisontal akse), og verdien av funksjonen er plottet langs ordinataksen (vertikal akse).
Skalaene langs aksene bør velges for å bruke grafområdet så informativt som mulig - slik at det er færre tomme områder der det ikke er eksperimentelle punkter og linjer med funksjonelle avhengigheter. For å oppfylle dette kravet er det ofte nødvendig å spesifisere en verdi som ikke er null ved opprinnelsen til koordinataksen. I dette tilfellet må alle eksperimentelle resultater presenteres på grafen.
Verdiene langs aksene skal som regel være multipler av et heltall (1, 2, 4, 5) og være jevnt fordelt. Det er strengt uakseptabelt å indikere resultatene av spesifikke målinger på aksene. Skalaenhetene som velges bør ikke være for små eller for store (skal ikke inneholde flere innledende eller etterfølgende nuller). For å sikre dette kravet bør det benyttes en skalafaktor på formen 10 X, som inngår i aksebetegnelsen.
Linjen for funksjonell avhengighet må være enten rett eller jevn kurve. Det er tillatt å koble eksperimentelle punkter med en brutt linje bare på stadiet av foreløpig analyse.
Når du konstruerer grafer ved hjelp av regneark, vil mange av disse kravene oppfylles automatisk, men vanligvis ikke alle og ikke i full utstrekning, så du må nesten alltid justere den resulterende representasjonen.
Regneark har en spesiell tjeneste - Chart Wizard (Hovedmeny: Sett inn diagram). Den enkleste måten å få tilgang til det på er først å velge et område med celler som inkluderer både et argument og en funksjon (flere funksjoner), og aktivere "Chart Wizard"-knappen på standardpanelet med musen.
På denne måten vil du få en mal over tidsplanen, som fortsatt må jobbes med, siden det automatiske valget av mange standard tidsplanparametere mest sannsynlig ikke vil sikre at alle krav oppfylles.
Kontroller først størrelsen på tallene på aksene og bokstavene i akseetikettene og funksjonsetikettene i forklaringen. Det er ønskelig at skriftstørrelsen er den samme overalt, ikke mindre enn 10 og ikke mer enn 14 poeng, men du må angi verdien for hver inskripsjon separat. For å gjøre dette, flytt markøren over objektet av interesse (akse, etikett, forklaring) og trykk på høyre museknapp. I kontekstmenyen som vises, velg "Format (element)" og i den nye menyen på arket med "Font"-etiketten, velg ønsket verdi. Når du formaterer en akse, bør du i tillegg se og eventuelt endre verdiene på papirarkene merket "Skala" og "Tall". Hvis du ikke forstår hvilke endringer det foreslåtte valget vil føre til, ikke vær redd for å prøve et hvilket som helst alternativ, fordi du alltid kan nekte endringene som er gjort ved å trykke på Ctrl + Z-tastene, eller velge hovedmenyen "Rediger" - Avbryt , eller ved å klikke på knappen "Avbryt" på standardverktøylinjen.
Hvis det er mange punkter, og spredningen er liten og linjen ser ganske jevn ut, kan punktene forbindes med linjer. For å gjøre dette, flytt markøren over et hvilket som helst punkt på kartet og trykk på høyre museknapp. I kontekstmenyen som vises, velg "Data Series Format". I et nytt vindu, på et stykke papir med «Vis»-etiketten, bør du velge riktig farge og linjetykkelse, og samtidig sjekke farge, størrelse og form på prikkene. Dette er nøyaktig hvordan relasjoner som tilnærmer eksperimentelle data er konstruert. Hvis tilnærmingen skjer med en rett linje, er to punkter ved kantene av argumentvariasjonen tilstrekkelig. Det anbefales ikke å bruke alternativet "glatt kurve" innebygd i regneark på grunn av manglende evne til å justere utjevningsparametrene.
1.3.2 Utjevning av eksperimentelle data
Eksperimentelle data innhentet ved høytemperaturforsøksinstallasjoner er preget av en stor tilfeldig målefeil. Dette bestemmes hovedsakelig av elektromagnetisk interferens fra driften av en kraftig oppvarmingsenhet. Statistisk behandling av resultater kan redusere tilfeldig feil betraktelig. Det er kjent at for en tilfeldig variabel fordelt i henhold til normalloven, er feilen til det aritmetiske gjennomsnittet bestemt fra N verdier, i N½ ganger mindre enn feilen for en enkelt måling. Med et stort antall målinger, når det er akseptabelt å anta at den tilfeldige spredningen av data over et lite segment betydelig overstiger den naturlige endringen i verdien, er en effektiv utjevningsteknikk å tilordne den neste verdien av den målte verdien et aritmetisk gjennomsnitt, beregnet fra flere verdier i et symmetrisk intervall rundt den. Matematisk uttrykkes dette med formelen:
(1.1)
og er veldig enkel å implementere i regneark. Her y i er måleresultatet, og Y i – den utjevnede verdien som brukes i stedet.
Eksperimentelle data innhentet ved bruk av digitale informasjonsinnhentingssystemer er preget av en tilfeldig feil, hvor fordelingen avviker vesentlig fra normalloven. I dette tilfellet kan det være mer effektivt å bruke medianen i stedet for det aritmetiske gjennomsnittet. I dette tilfellet tildeles den målte verdien i midten av intervallet verdien av den målte verdien som viste seg å være nærmest det aritmetiske gjennomsnittet. Det ser ut til at en liten forskjell i algoritmen kan endre resultatet veldig betydelig. For eksempel, i alternativet for medianestimat, kan det hende at noen eksperimentelle resultater ikke brukes i det hele tatt; mest sannsynlig er det nettopp de som virkelig er
"dukker opp" verdier med en spesielt stor feil.
1.3.5 Numerisk differensiering av en funksjon definert av et sett med diskrete punkter
Behovet for en slik operasjon ved behandling av eksperimentelle punkter oppstår ganske ofte. For eksempel, ved å differensiere avhengigheten av konsentrasjon på tid, finner man avhengigheten av hastigheten til prosessen på tid og av konsentrasjonen av reagenset, som igjen lar en estimere rekkefølgen av reaksjonen. Operasjonen av numerisk differensiering av en funksjon spesifisert av et sett med dens verdier ( y) som tilsvarer det tilsvarende settet med argumentverdier ( x), er basert på den omtrentlige erstatningen av differensialen til en funksjon med forholdet mellom dens endelige endring og den endelige endringen i argumentet:
(1.2)
Numerisk differensiering er sensitiv for feil forårsaket av unøyaktighet i innledende data, forkasting av serietermer osv., og må derfor utføres med forsiktighet. For å øke nøyaktigheten av å estimere den deriverte (), prøver de først å jevne ut de eksperimentelle dataene, i det minste på et lite segment, og først deretter utføre differensiering. Som et resultat, i det enkleste tilfellet, for ekvidistante noder (verdiene til argumentet avviker fra hverandre med samme mengde x), oppnås følgende formler: for den deriverte i den første ( X 1) punkt:
for den deriverte på alle andre punkter ( x), bortsett fra den siste:
for den deriverte i den siste ( x) punkt:
Hvis det er ganske mye eksperimentelle data og det er tillatt å neglisjere flere ekstreme punkter, kan du bruke sterkere utjevningsformler, for eksempel for 5 poeng:
eller med 7 poeng:
For et ujevnt arrangement av noder, vil vi begrense oss til å anbefale å bruke den modifiserte formelen (1.3) i skjemaet
(1.8)
og ikke beregne den deriverte ved start- og sluttpunkt.
Derfor, for å implementere numerisk differensiering, må du plassere passende formler i cellene i en ledig kolonne. For eksempel er ulikt fordelte argumentverdier plassert i kolonne "A" i cellene 2 til 25, og funksjonsverdier plasseres i kolonne "B" i tilsvarende celler. De deriverte verdiene skal plasseres i kolonne "C". Så i celle "C3" bør du skrive inn formel (5) i skjemaet:
= (B4 – B2)/(A4 – A2)
og kopier (strekk) til alle celler i området C4:C24.
1.3.6 Bestemmelse av polynomkoeffisienter ved minste kvadraters metode,
tilnærmet et datasett
Når du presenterer numerisk informasjon grafisk, er det ofte behov for å tegne en linje langs de eksperimentelle punktene, og avsløre egenskapene til den oppnådde avhengigheten. Dette gjøres for å bedre oppfatte informasjon og lette videre analyse av data som har noe spredning på grunn av målefeil. Ofte, basert på en teoretisk analyse av fenomenet som studeres, er det kjent på forhånd hvilken form denne linjen skal ha. For eksempel er det kjent at avhengigheten av hastigheten til en kjemisk prosess ( v) på temperatur må være eksponentiell, og eksponenten representerer den inverse temperaturen på en absolutt skala:
Dette betyr at på grafen i ln-koordinater v– 1/T skal resultere i en rett linje,
vinkelkoeffisienten som karakteriserer aktiveringsenergien ( E) prosess. Som regel kan flere rette linjer med ulike helninger trekkes gjennom forsøkspunkter. I en viss forstand vil den beste av dem være en rett linje med koeffisienter bestemt av minste kvadraters metode.
I det generelle tilfellet brukes minste kvadraters metode for å finne koeffisientene som tilnærmer avhengigheten y (x 1 , x 2 ,…x n) polynom av formen
Hvor b Og m 1 …m n er konstante koeffisienter, og x 1 …x n– et sett med uavhengige argumenter. Det vil si at i det generelle tilfellet brukes metoden til å tilnærme en funksjon av flere variabler, men den er også anvendelig for å beskrive en kompleks funksjon av en variabel x. I dette tilfellet antas det vanligvis
og det tilnærmede polynomet har formen
Når du velger graden av det tilnærmede polynomet n husk at det må være mindre enn antall målte verdier x Og y. I nesten alle tilfeller bør det ikke være mer enn 4, sjelden 5.
Denne metoden er så viktig at Excel-regneark har minst fire alternativer for å oppnå verdiene til de nødvendige koeffisientene. Vi anbefaler å bruke LINEST()-funksjonen hvis du arbeider i Excel-regneark i Microsoft Office, eller LINEST()-funksjonen i Calc-regneark i OpenOffice. De er presentert i listen over statistiske funksjoner, tilhører klassen av såkalte matrisefunksjoner og har i forbindelse med dette en rekke applikasjonsfunksjoner. For det første legges den ikke inn i én celle, men umiddelbart i et område (rektangulært område) av celler, siden funksjonen returnerer flere verdier. Den horisontale størrelsen på området bestemmes av antall koeffisienter til det tilnærmede polynomet (i eksemplet under vurdering er det to: ln v 0 og E/R), og vertikalt kan allokeres fra én til fem linjer, avhengig av hvor mye statistisk informasjon som trengs for analysen.
1.3.7 Presentasjon av resultater
Ved presentasjon av numeriske data skal et vitenskapelig og teknisk dokument gi en vurdering av deres pålitelighet og fremheve tilfeldige og systematiske feil. De gitte datafeilene må presenteres i samsvar med GOST 8.207–76.
Ved statistisk behandling av en gruppe observasjonsresultater bør følgende operasjoner utføres: eliminere kjente systematiske feil fra observasjonsresultatene;
Beregn det aritmetiske gjennomsnittet av de korrigerte observasjonsresultatene, tatt som måleresultatet; beregne estimatet for standardavviket til måleresultatet;
Beregn konfidensgrensene for den tilfeldige feilen (tilfeldig komponent av feilen) til måleresultatet;
Beregn grensene for den ikke-ekskluderte systematiske feilen (ikke-ekskluderte rester av den systematiske feilen) av måleresultatet; beregne konfidensgrensene for feilen til måleresultatet.
For å bestemme konfidensgrensene for feilen til måleresultatet, konfidenssannsynligheten R tatt lik 0,95. Med en symmetrisk konfidensfeil presenteres måleresultatene i skjemaet:
hvor er måleresultatet, ∆ er feilgrensen for måleresultatet, R– tillitssannsynlighet. Den numeriske verdien av måleresultatet må ende med et siffer med samme siffer som feilverdien ∆.
2 Beskrivelse av laboratoriearbeid
Den første delen av hver seksjon viet til spesifikt laboratoriearbeid gir informasjon om sammensetningen og strukturen til faser, mekanismen for prosesser som skjer i en fase eller i grensesnittet med nabofaser, minimum som er nødvendig for å forstå essensen av fenomenet som studeres i arbeidet. Hvis informasjonen som gis ikke er nok, bør du se forelesningsnotatene og anbefalt litteratur. Uten å forstå første del av avsnittet er det umulig å forestille seg hva som skjer i systemet som studeres etter hvert som arbeidet skrider frem, å formulere og forstå konklusjoner basert på de oppnådde resultatene.
Den neste delen av hver seksjon er viet til maskinvare- eller programvareimplementering av en ekte installasjon, eller en datamodell. Her finner du informasjon om utstyret som brukes og algoritmene som brukes. Uten å forstå denne delen, er det umulig å vurdere kildene til feil og hvilke tiltak som bør iverksettes for å minimere deres innvirkning.
Den siste delen beskriver prosedyren for å utføre målinger og bearbeide resultatene deres. Alle disse spørsmålene sendes inn til et kollokvium før arbeid eller datamaskintesting.
2.1 Studie av kinetikken til høytemperaturoksidasjon av jern (Arbeid nr. 13)
2.1.1 Generelle mønstre for jernoksidasjon
I henhold til prinsippet om sekvensen av transformasjoner A.A. Baikov, på overflaten av jern, under høytemperaturoksidasjon med atmosfærisk oksygen, dannes alle oksider som er termodynamisk stabile under disse forholdene. Ved temperaturer over 572°C består belegget av tre lag: wustitt FeO, magnetitt Fe 3 O 4, hematitt Fe 2 O 3. Wustittlaget nærmest jernet, som utgjør ca. 95 % av tykkelsen på hele belegget, har p-halvlederegenskaper. Dette betyr at i det kationiske subgitteret til FeO er det en betydelig konsentrasjon av ledige toverdige jern, og elektrisk nøytralitet er sikret på grunn av utseendet til elektron-"hull", som er partikler av jern-jern. Det anioniske subgitteret til wüstitt, som består av negativt ladede O 2 - ioner, er praktisk talt defektfritt; tilstedeværelsen av ledige plasser i kationundergitteret øker diffusjonsmobiliteten til Fe 2+ partikler gjennom wüstitt betydelig og reduserer dets beskyttende egenskaper.
Det mellomliggende laget av magnetitt er et oksid med støkiometrisk sammensetning, som har en lav konsentrasjon av defekter i krystallgitteret og som et resultat har økte beskyttende egenskaper. Dens relative tykkelse er gjennomsnittlig 4%.
Det ytre skalalaget - hematitt - har n-type ledningsevne. Tilstedeværelsen av oksygenvakanser i anionundergitteret letter diffusjonen av oksygenpartikler gjennom det, sammenlignet med jernkationer. Den relative tykkelsen på Fe 2 O 3-laget overstiger ikke 1 % .
Ved temperaturer under 572°C er wustitt termodynamisk ustabil, så skalaen består av to lag: magnetitt Fe 3 O 4 (90 % av tykkelsen) og hematitt Fe 2 O 3 (10 %).
Dannelsen av en kontinuerlig beskyttende film av kalk på overflaten av jernet fører til at det skilles fra luftatmosfæren. Ytterligere oksidasjon av metallet utføres på grunn av diffusjon av reagenser gjennom oksidfilmen. Den heterogene prosessen som vurderes består av følgende trinn: tilførsel av oksygen fra volumet av gassfasen til grensen med oksidet ved molekylær eller konvektiv diffusjon; O2-adsorpsjon på oksidoverflaten; ionisering av oksygenatomer med dannelse av O 2– anioner; diffusjon av oksygenanioner i oksidfasen til grensen med metallet; ionisering av jernatomer og deres overgang til skala i form av kationer; diffusjon av jernkationer i oksidet til grensen med gassen; krystallkjemisk handling av dannelse av nye deler av oksidfasen.
Diffusjonsmåten for metalloksidasjon realiseres hvis det mest hemmede stadiet er transporten av Fe 2+ eller O 2– partikler gjennom belegg. Tilførselen av molekylært oksygen fra gassfasen skjer relativt raskt. Når det gjelder det kinetiske regimet, er de begrensende stadiene adsorpsjon eller ionisering av partikler, så vel som handlingen av krystallkjemisk transformasjon.
Utledningen av den kinetiske ligningen for jernoksidasjonsprosessen for tilfellet med trelagsskala er ganske tungvint. Det kan forenkles betydelig, uten å endre de endelige konklusjonene, hvis vi vurderer skalaen til å være homogen i sammensetning og tar hensyn til diffusjonen gjennom den av bare Fe 2+ kationer.
La oss betegne med D diffusjonskoeffisient av Fe 2+ partikler i skala, k-t, C 1 og MED 2 likevektskonsentrasjoner av jernkationer ved grensesnittet med henholdsvis metall og luft, h- tykkelsen på oksidfilmen, S– prøveoverflate, – oksidtetthet, M– dens molare masse. Deretter, i samsvar med lovene for formell kinetikk, den spesifikke hastigheten for den kjemiske reaksjonen av jern med oksygen per overflateenhet av prøven ( v r) bestemmes av relasjonen:
I stasjonær tilstand er det lik tettheten til diffusjonsfluksen til Fe 2+ partikler.
Tatt i betraktning at den totale hastigheten på den heterogene oksidasjonsprosessen er proporsjonal med veksthastigheten til dens masse
(13.3)
kan utelukkes C 2 fra ligningene (13.1) og (13.2) og få avhengigheten av skalamassen på tid:
(13.4)
Fra det siste forholdet er det klart at det kinetiske regimet til prosessen realiseres som regel i det første oksidasjonsøyeblikket, når tykkelsen på oksidfilmen er liten og dens diffusjonsmotstand kan neglisjeres. Veksten av skalalaget bremser diffusjonen av reagenser, og prosessmodusen endres over tid til diffusjon.
En mer streng tilnærming utviklet av Wagner i ione-elektron-teorien om høytemperaturoksidasjon av metaller gjør det mulig å kvantitativt beregne hastighetskonstanten til den parabolske loven om filmvekst ved å bruke data fra uavhengige eksperimenter på den elektriske ledningsevnen til oksider:
hvor ∆ G- endring i Gibbs-energien for metalloksidasjonsreaksjonen, M– molar masse av oksidet, – dets spesifikke elektriske ledningsevne, t jeg- brøkdel av ionisk ledningsevne, z- metall valens, F– Faraday konstant.
Når du studerer kinetikken for dannelsen av veldig fine ( 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( en τ+ B), samt kubikk h 3 = Kτ (oksider – halvledere s-type) eller invers logaritmisk 1/ h = C K ln(τ) ( n- type ledningsevne) med en langsomhet i metallioneoverføringstrinnet.
2.1.2 Beskrivelse av installasjonen og prosedyre for gjennomføring av eksperimenter
Kinetikken til jernoksidasjon studeres ved hjelp av den gravimetriske metoden, som gjør det mulig å registrere endringen i massen til prøven over tid under forsøket. Installasjonsskjemaet er vist i figur 1.
Figur 1 – Eksperimentelt oppsettdiagram:
1 - jernprøve under utredning; 2 - elektrisk motstandsovn; 3 - mekanoelektrisk omformer E 2D1; 4 – personlig datamaskin med ADC-kort.
En metallprøve (1), hengt opp på en nikromkjede fra vippearmen til den mekanoelektriske omformeren E 2D1 (3), plasseres i en vertikal rørformet ovn med elektrisk motstand (2). Utgangssignalet E 2D1, proporsjonalt med endringen i prøvemasse, mates til ADC-kortet på datamaskinen som en del av installasjonen. Den konstante temperaturen i ovnen opprettholdes av en automatisk regulator; den nødvendige temperaturen for eksperimentet stilles inn av den aktuelle oppringeren på ovnens dashbord som anvist av læreren (800 - 900 °C).
Basert på resultatene av arbeidet bestemmes hastighetskonstanten for jernoksidasjonsreaksjonen og diffusjonskoeffisienten til dens ioner i oksidfilmen og om mulig aktiveringsenergien til den kjemiske reaksjonen og diffusjonen. Illustrer grafisk avhengigheten av endringen i prøvemasse og hastigheten på oksidasjonsprosessen i tide.
2.1.3 Bearbeiding og presentasjon av måleresultater
Den mekanoelektriske transduseren er utformet på en slik måte at en del av massen til det målte objektet kompenseres av en spiralfjær. Størrelsen er ukjent, men den bør forbli konstant under målinger. Som det følger av beskrivelsen av måleteknikken, er det nøyaktige tidspunktet (0) for begynnelsen av oksidasjonsprosessen ikke kjent, siden det ikke er kjent når prøven vil oppnå en temperatur som er tilstrekkelig for utvikling av oksidasjonsprosessen. Inntil det øyeblikket da prøven faktisk begynner å oksidere, er massen lik massen til det opprinnelige metallet ( m 0). Det faktum at vi ikke måler hele massen, men bare dens ukompenserte del, endrer ikke sakens essens. Forskjellen mellom den nåværende massen til prøven ( m) og metallets begynnelsemasse representerer skalamassen, derfor bør formel (13.4) for reelle eksperimentelle forhold presenteres i formen:
(13.6)
i hvilken m– målt verdi av den gjenværende ukompenserte delen av prøvemassen, m 0– det samme før starten av oksidasjonsprosessen ved lav temperatur på prøven. Fra dette forholdet er det klart at prøvemassens eksperimentelle avhengighet av tid bør beskrives med en ligning av formen:
, (13.7)
hvis koeffisienter, basert på de oppnådde måleresultatene, kan finnes ved minste kvadraters metode. Dette er illustrert med en typisk graf i fig. Punktene er måleresultatene, linjen oppnås ved å tilnærme dataene ved ligning 13.7
Punkter markert med kryss er uteliggere og bør ikke tas i betraktning ved beregning av koeffisientene til ligning 13.7 ved bruk av minste kvadraters metode.
Ved å sammenligne formlene (13.6) og (13.7) er det enkelt å koble de funnet koeffisientene med de fysiske og kjemiske mengdene som bestemmer dem:
(13.8)
I det gitte eksemplet viste verdien av m0 - verdien på ordinataksen ved = 0, å være lik 18,1 mg.
Ved å bruke disse verdiene vil verdien av prøveområdet oppnådd under forberedelse til eksperimentet ( S) og tettheten av wustitt hentet fra litteraturen (= 5,7 g/cm 3) kan være
estimer forholdet mellom diffusjonskoeffisienten og hastighetskonstanten til oksidasjonsprosessen:
(13.13)
Dette forholdet karakteriserer tykkelsen på skalafilmen der diffusjonshastighetskonstanten er lik hastighetskonstanten for den kjemiske reaksjonen av metalloksidasjon, som tilsvarer definisjonen av en strengt blandet reaksjonsmodus.
Basert på resultatene av arbeidet, bør alle verdier bestemmes ved hjelp av formler (13.7, 13.11 – 13.13): b 0 , b 1 , b 2 , m 0, 0 og D /K. For å illustrere resultatene bør det gis en graf over avhengigheten m– . Sammen med de eksperimentelle verdiene, er det tilrådelig å presentere en tilnærmet kurve.
Basert på måleresultatene må du fylle ut følgende tabell:
Tabell 1. Resultater av studiet av jernoksidasjonsprosessen.
I en tabell fylles de to første kolonnene ut når datafilen åpnes, og resten beregnes. Utjevning utføres ved 5 punkter. Ved bestemmelse av koeffisientene til det tilnærmede polynomet, brukes den første, tredje og fjerde kolonnen samtidig. Den siste kolonnen skal vise resultatene av tilnærming med polynom (13.7) ved å bruke koeffisientene funnet med minste kvadraters metode. Grafen er konstruert ved hjelp av første, tredje og femte kolonne.
Hvis flere elever utfører arbeidet, utfører hver av dem eksperimentet ved sin egen temperatur. Felles behandling av resultatene av å vurdere tykkelsen på skalalaget i en strengt blandet modus () gjør det mulig å estimere forskjellen i aktiveringsenergiene til diffusjon og kjemisk reaksjon. Faktisk er den åpenbare formelen gyldig her:
(13.14)
Lignende prosessering av koeffisienter b 2 lar oss estimere aktiveringsenergien til diffusjon. Formelen er riktig her:
(13.15)
Hvis målingene ble utført ved to temperaturer, gjøres estimatene direkte ved å bruke formlene (13.4) og (13.15); hvis det er mer enn to temperaturverdier, bør minste kvadraters metode brukes for funksjonene ln () – 1/T Og ln (b 2) – 1/T. De oppnådde verdiene er gitt i slutttabellen og diskutert i konklusjonene.
Prosedyre for behandling av arbeidsresultater
2. Konstruer en avhengighetsgraf på et eget ark m– , visuelt identifisere og fjerne avvikende verdier.
3. Utjevn de målte masseverdiene.
4. Regn ut kvadratene av masseendringen
5. Finn koeffisientene ved hjelp av minste kvadraters metode b 0 , b 1 , b 2 ligninger som tilnærmer avhengigheten av masseendring over tid.
6. Beregn masseanslaget ved begynnelsen av målingene i samsvar med den tilnærmede ligningen
7. Analyser tilnærmingsresultatene ved hjelp av sortering og eliminer feil verdier
8. Vis resultatene av tilnærmingen på avhengighetsgrafen m – .
9. Beregn egenskapene til systemet og prosessen: m 0 , 0 , D /K .
Testresultater:
en. I celle "A1" - overflatearealet til prøven, i den tilstøtende cellen "B1" - måleenheter;
b. I celle "A2" - massen til den opprinnelige prøven, i celle "B2" - måleenheter;
c. I celle "A3" - temperaturen på eksperimentet, i celle "B3" - måleenheter;
d. I celle "A4" - tykkelsen på skalalaget i strengt blandet modus, i celle "B4" - måleenheter;
e. Med utgangspunkt i celle "A10", bør konklusjoner om arbeidet være tydelig formulert.
Cellene A6-A7 skal inneholde referanser til celler på andre ark i regnearkboken som det ble utført beregninger på for å oppnå det presenterte resultatet, og ikke de numeriske verdiene selv! Hvis dette kravet ikke er oppfylt, gir bekreftelsesprogrammet meldingen "Informasjonsinnsendingsfeil."
2. Korrekt utformet avhengighetsgraf m– oppnådd eksperimentelt (poeng) og tilnærmet med et polynom (linje), på et eget ark med elektroniske tabeller med alle nødvendige signaturer og notasjoner.
Kontrollspørsmål
1. Hva er strukturen av belegg oppnådd på jern under høytemperaturoksidasjon i en luftatmosfære?
2. Hvorfor fører utseendet til wüstittfasen i skalaen til en kraftig økning i jernoksidasjonshastigheten?
3. Hva er stadiene i den heterogene prosessen med jernoksidasjon?
4. Hva er forskjellen mellom diffusjonsmodusen for jernoksidasjon og den kinetiske?
5. Hva er prosedyre og metodikk for å utføre arbeidet?
6. Hvordan identifisere modusen for oksidasjonsprosessen?
2.2 Studie av temperaturavhengigheten til den spesifikke elektriske ledningsevnen til oksidsmelter (arbeid nr. 14)
2.2.1 Generell informasjon om arten av elektrisk ledningsevne til slagger
Studiet av avhengigheten av den spesifikke elektriske ledningsevnen til slagger av deres sammensetning og temperatur er av stor betydning for metallurgi, både teoretisk og i bruk. Verdien av elektrisk ledningsevne kan ha en betydelig innvirkning på hastigheten på de viktigste reaksjonene mellom metall og slagg i stålproduksjonsprosesser, på produktiviteten til metallurgiske enheter, spesielt i elektroslaggteknologier eller lysbueovner for smelting av syntetisk slagg, hvor intensiteten av varmefrigjøring avhenger av mengden elektrisk strøm som passerer gjennom smelten. I tillegg gir spesifikk elektrisk ledningsevne, som er en strukturelt sensitiv egenskap, indirekte informasjon om strukturen til smelter, konsentrasjonen og typen av ladede partikler.
I henhold til ideene om strukturen til oksidsmelter, spesielt formulert av den vitenskapelige skolen til professor O.A. Esin, kan ikke uladede partikler være tilstede i dem. Samtidig varierer ionene i smelten mye i størrelse og struktur. Basiske oksidelementer er tilstede i form av enkle ioner, for eksempel Na +, Ca 2+, Mg 2+, Fe 2+, O 2-. Tvert imot har grunnstoffer med høy valens, som danner sure (sure) oksider, som SiO 2, TiO 2, B 2 O 3, i form av et ion, et så høyt elektrostatisk felt at de ikke kan være i smelten som enkle Si 4+ ioner. Ti 4+ , B 3+ . De bringer oksygenanioner så nært seg selv at de danner kovalente bindinger med dem og er tilstede i smelten i form av komplekse anioner, de enkleste er for eksempel SiO 4 4, TiO 4 4-, BO 3 3- , BO 4 5-. Komplekse anioner har evnen til å komplisere strukturen deres, og kombineres til to- og tredimensjonale strukturer. For eksempel kan to silisium-oksygentetraedere (SiO 4 4-) kobles sammen ved toppunktene, og danner den enkleste lineære kjeden (Si 2 O 7 6-). Dette frigjør ett oksygenion:
SiO44- + SiO44- = Si2O76- + O2-.
Disse problemstillingene kan sees mer detaljert, for eksempel i pedagogisk litteratur.
Elektrisk motstand R vanlige lineære ledere kan bestemmes ut fra relasjonen
hvor er resistiviteten, L- lengde, S– lederens tverrsnittsareal. Mengden kalles den spesifikke elektriske ledningsevnen til stoffet. Fra formel (14.1) følger det,
Dimensjonen på elektrisk ledningsevne er uttrykt i Ohm –1 m –1 = S/m (S – Siemens). Spesifikk elektrisk ledningsevne karakteriserer den elektriske ledningsevnen til et smeltevolum innelukket mellom to parallelle elektroder med et areal på 1 m 2 og plassert i en avstand på 1 m fra hverandre.
I et mer generelt tilfelle (ujevnt elektrisk felt) er elektrisk ledningsevne definert som en proporsjonalitetskoeffisient mellom strømtettheten Jeg i en leder og den elektriske potensialgradienten:
Utseendet til elektrisk ledningsevne er assosiert med overføring av ladninger i et stoff under påvirkning av et elektrisk felt. I metaller involverer overføring av elektrisitet ledningsbåndelektroner, hvis konsentrasjon er praktisk talt uavhengig av temperatur. Med økende temperatur avtar den spesifikke elektriske ledningsevnen til metaller, fordi konsentrasjonen av "frie" elektroner forblir konstant, og bremseeffekten på dem av den termiske bevegelsen til ionene i krystallgitteret øker.
I halvledere er elektriske ladningsbærere kvasifrie elektroner i ledningsbåndet eller vakanser i valensenergibåndet (elektronhull), som oppstår på grunn av termisk aktiverte overganger av elektroner fra donornivåer til ledningsbåndet til halvlederen. Med økende temperatur øker sannsynligheten for slike aktiverte overganger, og konsentrasjonen av elektriske strømbærere og elektrisk ledningsevne øker tilsvarende.
I elektrolytter, som inkluderer oksidsmelter, deltar som regel følgende ioner i overføringen av elektrisitet: Na +, Ca 2+, Mg 2+, SiO 4 4–, BO 2 – og andre. Hver av ionene ј -th type kan bidra til den totale verdien av den elektriske strømtettheten i samsvar med det kjente forholdet
hvor er den delvise elektriske ledningsevnen; Dј , Cј , z ј– diffusjonskoeffisient, konsentrasjon og ladning av ionet ј -th klasse; F– Faraday konstant; T- temperatur; R
Tydeligvis summen av mengder Jeg lik den totale strømtettheten Jeg assosiert med bevegelsen av alle ioner, og den spesifikke elektriske ledningsevnen til hele smelten er summen av de partielle ledningsevnene.
Bevegelsen av ioner i elektrolytter er en aktiveringsprosess. Dette betyr at under påvirkning av et elektrisk felt beveger ikke alle ioner seg, men bare de mest aktive, som har et visst overskudd av energi sammenlignet med gjennomsnittsnivået. Denne overflødige energien, kalt aktiveringsenergien til elektrisk ledningsevne, er nødvendig for å overvinne kreftene til interaksjonen til et gitt ion med omgivelsene, samt for å danne en tomhet (hulrom) som den går inn i. Antall aktive partikler, i samsvar med Boltzmanns lov, øker med
økende temperatur i henhold til en eksponentiell lov. Derfor 
. Sledova-
Derfor, i samsvar med (14.5), bør temperaturavhengigheten til den elektriske ledningsevnen beskrives ved summen av eksponentialer. Det er imidlertid kjent at når partikkelstørrelsen øker, øker også aktiveringsenergien deres betydelig. Derfor, i forhold (14,5), blir bidraget fra store ioner med lav mobilitet som regel neglisjert, og for resten blir delverdiene gjennomsnittet.
Som et resultat tar temperaturavhengigheten til den spesifikke elektriske ledningsevnen til oksidsmelter følgende form:
(14.6)
som stemmer godt overens med eksperimentelle data.
Typiske verdier for metallurgiske slagger som inneholder oksider CaO, SiO 2, MgO, Al 2 O 3 er i området 0,1 – 1,0 S cm –1 nær likvidustemperaturen, som er betydelig mindre enn den elektriske ledningsevnen til flytende metaller (10 5 –10 7 S cm–1). Aktiveringsenergien til elektrisk ledningsevne er nesten uavhengig av temperaturen i basiske slagger, men kan avta litt med økende temperatur i sure smelter på grunn av deres depolymerisering. Vanligvis ligger verdien i området 40–200 kJ/mol, avhengig av sammensetningen av smelten.
Ved økt innhold (over 10%) av jernoksider (FeO, Fe 2 O 3) eller andre overgangsmetalloksider (for eksempel MnO, V 2 O 3, Cr 2 O 3), arten av den elektriske ledningsevnen til slagget endringer, fordi i tillegg til den ioniske ledningsevnen i dem vises en betydelig del av elektronisk ledningsevne. Den elektroniske komponenten av konduktivitet i slike smelter skyldes bevegelsen av elektroner eller elektron-"hull" langs en relémekanisme fra et overgangsmetallkation med lavere valens til et kation med høyere valens gjennom R-orbitaler til oksygenionet som ligger mellom disse partiklene.
Den svært høye mobiliteten til elektroner i kombinasjonene Me 2+ – O 2– – Me 3+, til tross for deres relativt lave konsentrasjon, øker den elektriske ledningsevnen til slagger kraftig. Dermed kan den maksimale verdien av æ for rene jernsmelter FeO – Fe 2 O 3 være
10 2 S cm –1 , gjenstår imidlertid betydelig mindre enn metaller.
2.2.2 Beskrivelse av installasjon og måleprosedyre
Arbeidet bestemmer den spesifikke elektriske ledningsevnen til smeltet natriumtetraborat Na 2 O·2B 2 O 3 i temperaturområdet 700 – 800 °C. For å eliminere komplikasjoner forbundet med tilstedeværelsen av metall-elektrolytt-grensesnittmotstand, må studiet av elektrisk ledningsevne utføres under forhold der grensesnittmotstanden er ubetydelig. Dette kan oppnås ved å bruke vekselstrøm med tilstrekkelig høy frekvens (≈ 10 kHz) i stedet for likestrøm.
Det elektriske kretsskjemaet til installasjonen er vist i figur 2.
Figur 2. Elektrisk kretsdiagram av installasjonen for måling av den elektriske ledningsevnen til slagger:
ZG - lydfrekvensgenerator; PC - personlig datamaskin med et lydkort; Yach-løsning og Yach sl - elektrokjemiske celler som inneholder en vandig løsning av henholdsvis KCl eller slagg; R fl – referansemotstand med kjent verdi.
Vekselstrøm fra en lydfrekvensgenerator tilføres en celle som inneholder slagg og en referansemotstand med kjent verdi koblet i serie med den. Ved hjelp av PC-lydkortet måles spenningsfallet over cellen og referansemotstanden. Siden strømmen som går gjennom Rfl og Yach er den samme
(14.7)
Laboratorieinsberegner, viser og skriver til en fil forholdsverdien ( r) amplitudeverdier av vekselstrøm ved utgangen til lydgeneratoren ( U zg) og på målecellen ( U celle):
Når du vet det, kan du bestemme cellemotstanden
hvor er cellekonstanten.
For å bestemme K celle i forsøksoppsettet brukes en hjelpecelle, lik den som studeres med tanke på geometriske parametere. Begge elektrokjemiske cellene er korundbåter med en elektrolytt. De inneholder to sylindriske metallelektroder med samme tverrsnitt og lengde, plassert i samme avstand fra hverandre, for å sikre et konstant forhold (L/S) eff.
Cellen som studeres inneholder en smelte av Na 2 O · 2B 2 O 3 og plasseres i en varmeovn ved en temperatur på 700 – 800 °C. Hjelpecellen er ved romtemperatur og fylt med en 0,1 N vandig løsning av KCl, hvis elektriske ledningsevne er 0,0112 S cm –1. Kjenne til den elektriske ledningsevnen til løsningen og bestemme (se formel 14.9) den elektriske motstanden
hjelpecelle (
2.2.3 Arbeidsordre
A. Drift ved hjelp av et sanntidsmålesystem
Før du starter målingene, må ovnen varmes opp til en temperatur på 850 °C. Installasjonsprosedyren er som følger:
1. Etter å ha fullført initialiseringsprosedyren i samsvar med instruksjonene på monitorskjermen, slå av ovnen, sett "1 - referansemotstand"-bryteren til "1 - Hi"-posisjon og følg ytterligere instruksjoner.
2. Etter at indikasjonen “Switch 2 – to the “solution” position” vises, bør du følge den, og inntil indikasjonen “Switch 2 – to the 'MELT” position” vises, registrerer du motstandsforholdsverdiene som vises hvert 5. sekund.
3. Følg den andre instruksjonen og overvåk temperaturendringen. Så snart temperaturen synker under 800 °C, bruk "Xs"-tastaturkommandoen for å slå på grafvisningen og registrere temperaturverdiene og motstandsforholdene hvert 5. sekund.
4. Etter avkjøling av smelten til en temperatur under 650 °C, bør målinger initialiseres for den andre eleven som utfører arbeid på denne installasjonen. Sett bryteren "1 - referansemotstand" til posisjon "2 - Lo", og fra det øyeblikket begynner den andre eleven å registrere temperaturverdier og motstandsforhold hvert 5. sekund.
5. Når smelten er avkjølt til en temperatur på 500 °C eller motstandsforholdet når en verdi nær 6, bør målingene stoppes ved å gi "Xe"-kommandoen fra tastaturet. Fra dette øyeblikket må den andre eleven flytte bryter 2 til 'løsning'-posisjonen og skrive ned ti motstandsforholdsverdier.
B. Arbeide med data som tidligere er skrevet til en fil
Etter aktivering av programmet vises en melding om verdien av referansemotstanden på skjermen og flere motstandsforholdsverdier vises sekvensielt ( r) kalibreringscelle. Etter gjennomsnittsberegning vil disse dataene tillate deg å finne installasjonskonstanten.
Deretter vises temperatur- og motstandsforholdsverdiene for målecellen med noen sekunders mellomrom på skjermen. Denne informasjonen vises på en graf.
Programmet slår seg automatisk av og sender alle resultater til lærerens PC.
2.2.4 Bearbeiding og presentasjon av måleresultater
Basert på måleresultatene bør du fylle ut en tabell med følgende overskrift:
Tabell 1. Temperaturavhengighet av den elektriske ledningsevnen til Na 2 O 2B 2 O 3-smelten
I en tabell fylles de to første kolonnene ut når datafilen åpnes, og resten beregnes. Ved å bruke dem bør du plotte avhengigheten ln() – 10 3 /T og bruke minste kvadraters metode (LINEST-funksjonen i OpenOffice.Calc) for å bestemme verdien av aktiveringsenergien. En tilnærmet rett linje skal vises på grafen. Du bør også plotte en graf over elektrisk ledningsevne versus temperatur. Prosedyre for behandling av resultater
1. Legg inn registreringer av måleresultater i en regnearkfil.
2. Beregn gjennomsnittlig motstandsforhold for kalibreringscellen.
3. Beregn installasjonskonstanten.
4. Bygg en avhengighetsgraf r – t, visuelt identifisere og fjerne avvikende verdier. Hvis det er et stort antall av dem, bruk sortering.
5. Beregn motstanden til målecellen, den elektriske ledningsevnen til oksidsmelten ved forskjellige temperaturer, logaritmen til den elektriske ledningsevnen og den inverse absolutte temperaturen
b 0 , b 1 av ligningen som tilnærmer avhengigheten av logaritmen til elektrisk ledningsevne på den inverse temperaturen, og beregn aktiveringsenergien.
7. Plott på et eget ark en graf over avhengigheten av logaritmen for elektrisk ledningsevne på den inverse temperaturen og gi en tilnærmet avhengighet Testresultater:
1. I regnearkboken som sendes inn for vurdering, må den første siden med tittelen «Resultater» inneholde følgende informasjon:
en. I celle "A1" - starttemperaturen, i celle "B1" - måleenheter;
c. I celle "A3" - aktiveringsenergi for elektrisk ledningsevne, i celle "B3" - måleenheter;
d. I celle "A4" - den pre-eksponentielle faktoren i formelen for temperaturavhengighet av elektrisk ledningsevne, i celle "B4" - måleenheter;
e. Med utgangspunkt i celle "A5", bør konklusjoner om arbeidet være tydelig formulert.
Cellene A1-A4 skal inneholde referanser til celler på andre ark i regnearkboken som det ble utført beregninger på for å oppnå det presenterte resultatet, og ikke de numeriske verdiene selv! Hvis dette kravet ikke er oppfylt, gir bekreftelsesprogrammet meldingen "Informasjonsinnsendingsfeil."
2. En korrekt utformet graf over avhengigheten av logaritmen til elektrisk ledningsevne på den inverse temperaturen oppnådd fra eksperimentelle data (punkter) og tilnærmet med et polynom (linje), på et eget ark med regneark med alle nødvendige signaturer og notasjoner.
Kontrollspørsmål
1. Hva kalles elektrisk ledningsevne?
2. Hvilke partikler bestemmer den elektriske ledningsevnen til slagger?
3. Hva er karakteren av temperaturavhengigheten til den elektriske ledningsevnen til metaller og oksidsmelter?
4. Hva er cellekonstanten avhengig av og hvordan bestemmes den?
5. Hvorfor trenger du å bruke vekselstrøm for å bestemme?
6. Hvordan er aktiveringsenergien til elektrisk ledningsevne avhengig av temperatur?
7. Hvilke sensorer og instrumenter brukes i laboratorieoppsettet. Hvilke fysiske mengder tillater de å registrere?
8. Hvilke grafer (i hvilke koordinater) skal presenteres basert på resultatene av arbeidet?
9. Hvilke fysisk-kjemiske mengder bør oppnås etter bearbeiding av primærdataene?
10. Bestem hvilke målinger som skal tas før eksperimentet, hvilke verdier som registreres under eksperimentet, hvilke data som er relatert til primærinformasjonen, hvilken behandling den gjennomgår og hvilken informasjon som innhentes.
2.3 Studie av kinetikken til metallavsvovling med slagg på en simuleringsmodell (Arbeid nr. 15)
2.3.1 Generell informasjon om kinetikken til metallavsvovling med slagg
Svovelurenheter i stål, i mengder over 0,005 vekt. %, reduserer dets mekaniske, elektriske, anti-korrosjon og andre egenskaper betydelig, svekker sveisbarheten til metallet og fører til rødhet og kaldsprøhet. Derfor er prosessen med stålavsvovling, som skjer spesielt effektivt med slagg, av stor betydning for metallurgi av høy kvalitet.
Studiet av reaksjonens kinetiske lover, identifisering av dens mekanisme og forekomstmåte er nødvendig for effektiv kontroll av avsvovlingshastigheten, fordi Under reelle forhold for metallurgiske enheter oppnås vanligvis ikke likevektsfordelingen av svovel mellom metall og slagg.
I motsetning til de fleste andre urenheter i stål, er overgangen av svovel fra metall til slagg en reduserende prosess, ikke en oksidativ prosess [S] +2e = (S 2–).
Dette betyr at for den kontinuerlige forekomsten av den katodiske prosessen, som fører til akkumulering av positive ladninger på metallet, er det nødvendig med en samtidig overgang av andre partikler som er i stand til å donere elektroner til metallfasen. Slike medfølgende anodiske prosesser kan være oksidasjon av slaggoksygenanioner eller partikler av jern, karbon, mangan, silisium og andre metallurenheter, avhengig av sammensetningen av stålet.
2. (O 2–) = [O] + 2e,
3. = (Fe 2+) + 2e,
4. [C] + (O 2–) = CO + 2e, 5. = (Mn 2+) +2e.
Sammenlagt lar den katodiske og en hvilken som helst anodisk prosess oss skrive den støkiometriske ligningen for avsvovlingsreaksjonen i følgende form, for eksempel:
1-2. (CaO) + [S] = (CaS) + [O], H = -240 kJ/mol
1-3. + [S] +(CaO)= (FeO) + (CaS). H = -485 kJ/mol
De tilsvarende uttrykkene for likevektskonstantene har formen
(15.1)
Det er klart at prosessene valgt som eksempel og lignende kan skje samtidig. Av relasjon (15.1) følger det at graden av metallavsvovling ved konstant temperatur, dvs. konstant verdi av likevektskonstanten, øker med økende konsentrasjon av fritt oksygenion (O 2-) i oksidsmelten. Faktisk må økningen i faktoren i nevneren kompenseres med reduksjonen i den andre faktoren for å tilsvare den uendrede verdien av likevektskonstanten. Merk at innholdet av frie oksygenioner øker ved bruk av svært basisk, kalsiumoksid-rik slagg. Ved å analysere relasjon (15.2) kan vi konkludere med at innholdet av jernioner (Fe 2+) i oksidsmelten bør være minimalt, dvs. slagg må inneholde et minimum av jernoksider. Tilstedeværelsen av deoksideringsmidler (Mn, Si, Al, C) i metallet øker også fullstendigheten av stålavsvovlingen ved å redusere (Fe 2+) og [O]-innholdet.
Reaksjon 1-2 er ledsaget av varmeabsorpsjon (∆H>0), derfor vil temperaturen i den metallurgiske enheten synke etter hvert som prosessen skrider frem. Tvert imot, reaksjon 1-3 er ledsaget av frigjøring av varme (∆H<0) и, если она имеет определяющее значение, температура в агрегате будет повышаться.
Når du beskriver avsvovling kinetisk, bør følgende stadier av prosessen vurderes:
Levering av svovelpartikler fra metallvolumet til grensen med slagg, realisert først ved konvektiv diffusjon, og direkte nær metall-slagg-grensesnittet ved molekylær diffusjon; den elektrokjemiske handlingen med å tilsette elektroner til svovelatomer og dannelsen av S 2– anioner; som er en adsorpsjonskjemisk handling, fjerning av svovelanioner inn i slaggvolumet på grunn av molekylær og deretter konvektiv diffusjon.
Lignende stadier er karakteristiske for de anodiske stadiene, med deltagelse av Fe, Mn, Si-atomer eller O 2-anioner. Hvert trinn bidrar til den totale motstanden til avsvovlingsprosessen. Drivkraften for strømningen av partikler gjennom en rekke indikerte motstander er forskjellen i deres elektrokjemiske potensialer i det ikke-likevektsmetall-slagg-systemet eller den proporsjonale forskjellen mellom det faktiske og likevektselektrodepotensialet ved fasegrensesnittet, kalt overspenning .
Hastigheten til en prosess som består av et antall påfølgende trinn bestemmes av bidraget fra trinnet med høyest motstand - begrensende scene. Avhengig av mekanismen til det hastighetsbegrensende trinnet, snakker man om en diffusjons- eller kinetisk reaksjonsmodus. Hvis stadier med forskjellige forekomstmekanismer har sammenlignbare motstander, snakker vi om en blandet reaksjonsmodus. Motstanden til hvert trinn avhenger betydelig av systemets natur og egenskaper, konsentrasjonen av reagenser, intensiteten av faseblanding og temperatur. For eksempel bestemmes hastigheten på den elektrokjemiske virkningen av svovelreduksjon av størrelsen på utvekslingsstrømmen
(15.3)
Hvor I– funksjon av temperatur, C[S] og C(S 2–) – konsentrasjon av svovel i metall og slagg, α – overføringskoeffisient.
Hastigheten til trinnet for svovellevering til fasegrensen bestemmes av den begrensende diffusjonsstrømmen til disse partiklene
Hvor D[S] er svoveldiffusjonskoeffisienten, β er konveksjonskonstanten, bestemt av konveksjonsintensiteten i smelten, den er proporsjonal med kvadratroten av den lineære hastigheten til konveksjonsstrømmer i væsken.
Tilgjengelige eksperimentelle data indikerer at under normale forhold med smeltekonveksjon, skjer den elektrokjemiske handlingen med utladning av svovelioner relativt raskt, dvs. Avsvovling hemmes hovedsakelig av diffusjon av partikler i metallet eller slagget. Men med økende svovelkonsentrasjon i metallet avtar diffusjonsvanskene og prosessmodusen kan endres til kinetisk. Dette forenkles også ved tilsetning av karbon til jern, fordi utslippet av oksygenioner ved karbonmetall-slagggrensen skjer med betydelig kinetisk inhibering.
Det bør huskes at elektrokjemiske ideer om samspillet mellom metaller og elektrolytter gjør det mulig å avklare mekanismen til prosesser og forstå i detalj de forekommende fenomenene. Samtidig beholder enkle ligninger av formell kinetikk fullt ut sin gyldighet. Spesielt, for en grov analyse av eksperimentelle resultater oppnådd med betydelige feil, kan ligningen for reaksjonshastighet 1-3 skrives i sin enkleste form:
Hvor k f og k r – hastighetskonstanter for forover- og bakoverreaksjoner. Dette forholdet er tilfredsstilt hvis løsninger av svovel i jern og kalsiumsulfid og wustitt i slagg kan betraktes som uendelig fortynnet og reaksjonsrekkefølgene for disse reagensene er nær enhet. Innholdet av de gjenværende reagensene i den aktuelle reaksjonen er så høyt at hele interaksjonstiden forblir praktisk talt konstant og deres konsentrasjoner kan inkluderes i konstantene k f og k r
På den annen side, hvis avsvovlingsprosessen er langt fra likevekt, kan hastigheten på den omvendte reaksjonen neglisjeres. Da bør avsvovlingshastigheten være proporsjonal med svovelkonsentrasjonen i metallet. Denne versjonen av beskrivelsen av eksperimentelle data kan verifiseres ved å undersøke forholdet mellom logaritmen til avsvovlingshastigheten og logaritmen til svovelkonsentrasjonen i metallet. Hvis dette forholdet er lineært, og vinkelkoeffisienten til avhengigheten bør være nær enhet, er dette et argument til fordel for prosessens diffusjonsmodus.
2.3.2 Matematisk modell av prosessen
Muligheten for flere anodiske stadier kompliserer i stor grad den matematiske beskrivelsen av prosessene for avsvovling av stål som inneholder mange urenheter. I denne forbindelse ble noen forenklinger introdusert i modellen; spesielt ble kinetiske vanskeligheter i separasjonen neglisjert.
For halvreaksjoner av overgangen av jern og oksygen, i forbindelse med den aksepterte begrensningen på diffusjonskontroll, ser forholdene mye enklere ut:
(15.7)
I samsvar med betingelsen om elektrisk nøytralitet, i fravær av strøm fra en ekstern kilde, uttrykkes forbindelsen mellom strømmene for individuelle elektrodehalvreaksjoner av et enkelt forhold:
Forskjellene i elektrodeoverspenninger () bestemmes av forholdet mellom de tilsvarende produktene av aktiviteter og likevektskonstanter for reaksjonene 1-2 og 1-3:
Derivatet av svovelkonsentrasjonen i metallet med hensyn til tid bestemmes av strømmen til den første elektrodehalvreaksjonen i samsvar med ligningen:
(15.12)
Her Jeg 1 , Jeg 2 – strømtettheter av elektrodeprosesser, η 1, η 2 – deres polarisasjoner, Jeg n – begrensende partikkeldiffusjonsstrømmer ј en slags, Jeg o – utvekslingsstrømmen til det kinetiske trinnet, C[s] – svovelkonsentrasjon i metallet, α – overføringskoeffisient, P, K p er produktet av aktiviteter og likevektskonstanten til avsvovlingsreaksjonen, S– området av metall-slagg-grensesnittet, V Me – volum av metall, T- temperatur, F– Faraday konstant, R– universell gasskonstant.
I samsvar med lovene for elektrokjemisk kinetikk tar ekspresjon (15.6) hensyn til inhiberingen av diffusjonen av jernioner i slagget, siden utladnings-ioniseringsstadiet til disse partiklene å dømme etter de eksperimentelle dataene ikke er begrensende. Uttrykk (15.5) er retardasjonen av diffusjonen av svovelpartikler i slagget og metallet, samt retardasjonen av svovelioniseringen ved grenseflaten.
Ved å kombinere uttrykk (15.6 – 15.12) er det mulig å oppnå, ved hjelp av numeriske metoder, avhengigheten av svovelkonsentrasjonen i metallet på tid for utvalgte forhold.
Modellen bruker følgende parametere:
3) 
Svovelionbytterstrøm:
4) Likevektskonstant for avsvovlingsreaksjonen ( TIL R):
5) Forholdet mellom arealet av interfasegrensen og volumet av metallet
7) Konvektiv konstant (β):
Modellen gjør det mulig å analysere påvirkningen av de listede faktorene på hastigheten og fullstendigheten av avsvovling, samt å evaluere bidraget fra diffusjon og kinetisk inhibering til prosessens totale motstand.
2.3.3 Arbeidsprosedyre
Bildet generert av simuleringsprogrammet er vist i fig. . Øverst på panelet er utvalgte numeriske verdier for de målte mengdene; grafen viser alle verdiene som er oppnådd under prosesssimulering. I betegnelsene på komponentene til metall- og slaggsmelter brukes tilleggssymboler som er akseptert i litteraturen om metallurgiske emner. Firkantede parenteser indikerer at komponenten tilhører en metallsmelte, og runde parentes indikerer at komponenten tilhører en slaggsmelte. Multiplikatorer i komponentbetegnelser brukes kun for plottingsformål og bør ikke tas i betraktning ved tolkning av verdier. Under drift av modellen vises til enhver tid bare verdien av en av de målte mengdene. Etter 6 sekunder forsvinner den og neste verdi vises. I løpet av denne tidsperioden må du ha tid til å skrive ned neste verdi. For å spare tid anbefales det å ikke skrive ned konstante tall, for eksempel den ledende enheten i temperaturverdien.
Fem minutter etter starten av målingene ved klokken i øvre høyre hjørne av installasjonspanelet, ved å trykke samtidig på tastene og [Nei], hvor No er installasjonsnummeret, intensiver hastigheten på faseblandingen.
2.3.4 Bearbeiding og presentasjon av måleresultater
Tabellen over måleresultater generert av simuleringsprogrammet bør suppleres med følgende beregnede kolonner:
Tabell 1. Resultater av statistisk bearbeiding av eksperimentelle data
I tabellen i første kolonne skal du beregne tiden siden begynnelsen av prosessen i minutter.
Videre prosessering utføres etter grafisk konstruksjon - i det første trinnet av behandlingen bør en graf over temperatur versus tid plottes og dataområdet bør vurderes når svovelovergangen hovedsakelig ledsages av jernovergangen. I dette området identifiseres to regioner med identiske blandingshastigheter, og koeffisientene til tilnærmede polynomer av formen blir funnet ved bruk av minste kvadraters metode:
som følger av ligning (15.5) under de angitte forholdene. Ved å sammenligne de oppnådde verdiene av koeffisientene, trekkes konklusjoner om prosessmodusen og graden av tilnærming av systemet til likevektstilstanden. Merk at det ikke er noen dummy-ledd i ligning (15.13).
For å illustrere resultatene av eksperimentet, plott avhengigheten av svovelkonsentrasjon på tid og avsvovlingshastigheten på konsentrasjonen av kalsiumsulfid i slagget.
Prosedyre for behandling av resultater
2. Beregn hastigheten på avsvovlingsprosessen fra svovelkonsentrasjonen i metallet, logaritmene til hastigheten og svovelkonsentrasjonen.
3. Konstruer på separate ark grafer av temperaturen i enheten mot tid, slaggmasse mot tid, avsvovlingshastighet mot tid, og logaritmen for avsvovlingshastigheten mot logaritmen for svovelkonsentrasjon.
4. Ved å bruke minste kvadraters metode, estimer separat for forskjellige blandehastigheter de kinetiske egenskapene til avsvovlingsprosessen i samsvar med ligning () og reaksjonsrekkefølgen i form av svovelkonsentrasjon.
Testresultater:
1. Korrekt utformede grafer over avhengigheten av hastigheten til avsvovlingsprosessen og logaritmen til denne verdien i tide, på et eget regneark med alle nødvendige signaturer og symboler.
2. Verdier av de kinetiske egenskapene til avsvovlingsprosessen i alle varianter av prosessen, som indikerer dimensjoner (og feil).
3. Konklusjoner på arbeidet.
Kontrollspørsmål
1. Hvilke forhold er nødvendige for den mest fullstendige avsvovlingen av metall med slagg?
2. Hvilke anodiske prosesser kan følge med fjerning av svovel?
3. Hva er stadiene i prosessen med at svovel passerer gjennom interfasegrensen?
4. I hvilke tilfeller realiseres diffusjons- eller kinetisk modus for avsvovling?
5. Hva er rekkefølgen på arbeidet?
2.4 Termografisk studie av dissosiasjonsprosesser av naturlige karbonater (Verk nr. 16)
2.4.1 Generelle mønstre for karbonatdissosiasjon
Et termogram er avhengigheten av temperaturen til en prøve på tid. Den termografiske metoden for å studere prosessene for termisk dekomponering av stoffer har blitt utbredt etter at de karakteristiske trekkene til slike avhengigheter ble oppdaget: "temperaturstopp" og "skrående temperaturplatåer".
1.4
Figur 3. Illustrasjon av et termogram:
den stiplede kurven er et termogram av en hypotetisk sammenligningsprøve der dissosiasjon ikke forekommer; heltrukket linje – ekte prøve med to-trinns dissosiasjon.
Dette er karakteristiske deler av avhengigheten, der temperaturen i noen tid () enten forblir konstant (T = const) eller øker med en liten mengde (T) med en konstant hastighet (T/). Ved hjelp av numerisk eller grafisk differensiering er det mulig å bestemme med god nøyaktighet tidspunktene for tid og temperatur for begynnelsen og slutten av temperaturstoppet.
I det foreslåtte laboratoriearbeidet oppnås en slik avhengighet ved kontinuerlig oppvarming av det naturlige materialet kalsitt, hvor hovedkomponenten er kalsiumkarbonat. En bergart som hovedsakelig består av kalsitt kalles kalkstein. Kalkstein brukes i store mengder i metallurgi.
Som et resultat av brenning (varmebehandling) av kalkstein ved en endoterm reaksjon
CaCO 3 = CaO + CO 2
kalk (CaO) oppnås - en nødvendig komponent i slaggsmelten. Prosessen utføres ved temperaturer under smeltepunktet for både kalkstein og kalk. Det er kjent at karbonater og oksidene dannet av dem er gjensidig praktisk talt uløselige, derfor er reaksjonsproduktet en ny fast fase og gass. Uttrykket for likevektskonstanten, i det generelle tilfellet, har formen:
Her en– aktiviteten til faste reagenser, – partialtrykket til det gassformige reaksjonsproduktet. En annen stein kalt dolomitt er også mye brukt i metallurgi. Den består hovedsakelig av et mineral med samme navn, som er dobbeltsaltet av karbonsyre CaMg(CO 3) 2.
Kalsitt, som ethvert naturlig mineral, inneholder sammen med hovedkomponenten forskjellige urenheter, mengden og sammensetningen av disse avhenger av forekomsten av naturressursen og til og med på det spesifikke gruvestedet. Variasjonen av urenhetsforbindelser er så stor at det er nødvendig å klassifisere dem i henhold til noen egenskaper som er viktige i et bestemt tilfelle. For termodynamisk analyse er en viktig egenskap evnen til urenheter til å danne løsninger med reagenser. Vi vil anta at mineralet ikke inneholder urenheter som i det studerte området av forhold (trykk og temperatur) inngår i noen kjemiske reaksjoner med hverandre eller med hovedkomponenten eller dens nedbrytningsprodukt. I praksis er denne betingelsen strengt tatt ikke oppfylt, siden kalsitt for eksempel kan inneholde karbonater av andre metaller, men fra et synspunkt av videre analyse vil det å ta hensyn til disse reaksjonene ikke gi ny informasjon, men vil unødvendig komplisere analysen .
Alle andre urenheter kan deles inn i tre grupper:
1. Urenheter som danner en løsning med kalsiumkarbonat. Slike urenheter må selvfølgelig tas i betraktning under termodynamisk analyse og mest sannsynlig under kinetisk analyse av prosessen.
2. Urenheter som løses opp i reaksjonsproduktet – oksid. Løsningen på problemet med å ta hensyn til urenheter av denne typen avhenger av hvor raskt oppløsningen deres skjer i det faste reaksjonsproduktet og det nært beslektede problemet med dispersjon av inneslutninger av urenheter av denne typen. Hvis inneslutninger er relativt store i størrelse og deres oppløsning skjer sakte, bør de ikke tas i betraktning i termodynamisk analyse.
3. Urenheter som er uløselige i det opprinnelige karbonatet og dets nedbrytningsprodukt. Disse urenhetene bør ikke tas i betraktning i termodynamisk analyse, som om de ikke eksisterte i det hele tatt. I noen tilfeller kan de påvirke kinetikken til prosessen.
I den enkleste (grove) versjonen av analysen er det tillatt å kombinere alle urenheter av samme type og betrakte dem som en generalisert komponent. På dette grunnlaget skiller vi tre komponenter: B1, B2 og B3. Gassfasen til det termodynamiske systemet under vurdering bør også diskuteres. I laboratoriearbeid utføres dissosiasjonsprosessen i en åpen installasjon som kommuniserer med atmosfæren i rommet. I dette tilfellet er det totale trykket i det termodynamiske systemet konstant og lik en atmosfære, og i gassfasen er det et gassformig reaksjonsprodukt - karbondioksid (CO2) og luftkomponenter, forenklet - oksygen og nitrogen. Sistnevnte samhandler ikke med de andre komponentene i systemet, derfor kan oksygen og nitrogen i det aktuelle tilfellet ikke skilles fra hverandre, og i fremtiden vil vi kalle dem nøytral gassformig komponent B.
Temperaturstopp og steder har en termodynamisk forklaring. Med en kjent fasesammensetning er det mulig å forutsi stopptemperaturen ved hjelp av termodynamiske metoder. Du kan også løse det omvendte problemet - ved å bruke kjente temperaturer for å bestemme sammensetningen av fasene. Den er gitt innenfor rammen av denne studien.
Temperaturstopp og plattformer kan bare realiseres dersom visse krav til prosessens kinetikk er oppfylt. Det er naturlig å forvente at dette er krav til nesten likevektsfasesammensetninger på reaksjonsstedet og neglisjerbare gradienter i diffusjonslagene. Overholdelse av slike forhold er mulig hvis hastigheten på prosessen ikke kontrolleres av interne faktorer (diffusjonsmotstand og motstand av selve den kjemiske reaksjonen), men av eksterne - hastigheten på varmetilførselen til reaksjonsstedet. I tillegg til hovedmodusene for en heterogen reaksjon definert i fysisk kjemi: kinetisk og diffusjon, kalles denne prosessmodusen termisk.
Merk at det termiske regimet til fastfase-dissosiasjonsprosessen er mulig på grunn av reaksjonens unike natur, som krever tilførsel av en stor mengde varme, og samtidig er det ingen stadier av tilførsel av startstoffene til reaksjonssted (siden dekomponering av ett stoff skjer) og fjerning av det faste reaksjonsproduktet fra grensefasegrensesnittet (siden denne grensen beveger seg). Det er bare to diffusjonstrinn igjen: fjerning av CO2 gjennom gassfasen (tilsynelatende med svært liten motstand) og diffusjon av CO2 gjennom oksidet, som i stor grad forenkles av sprekking av oksidet som fyller volumet som tidligere var okkupert av det forflyktigede. karbonmonoksid.
La oss vurdere et termodynamisk system ved temperaturer under temperaturstoppet. Først, la oss anta at karbonatet ikke inneholder urenheter av den første og andre typen. Vi vil ta hensyn til mulig tilstedeværelse av en urenhet av den tredje typen, men bare for å vise at dette ikke trenger å gjøres. La oss anta at prøven av pulverkalsitt som studeres er sammensatt av identiske sfæriske partikler med en radius r 0 . La oss trekke grensen til det termodynamiske systemet i en viss avstand fra overflaten til en av kalsittpartiklene, liten sammenlignet med dens radius, og dermed inkludere et visst volum av gassfasen i systemet.
I systemet under vurdering er det 5 stoffer: CaO, CaCO3, B3, CO2, B og noen av dem deltar i en reaksjon. Disse stoffene er fordelt over fire faser: CaO, CaCO3, B3, gassfase, som hver er preget av sine egne verdier av forskjellige egenskaper og er atskilt fra andre faser av en synlig (i det minste under et mikroskop) grensesnitt. Det faktum at fase B3 mest sannsynlig er representert av en mengde dispergerte partikler vil ikke endre analysen - alle partikler er nesten identiske i egenskaper og kan betraktes som én fase. Det ytre trykket er konstant, så det er bare én ekstern variabel - temperatur. Dermed er alle termer for å beregne antall frihetsgrader ( Med) er definert: Med = (5 – 1) + 1 – 4 = 1.
Den oppnådde verdien betyr at når temperaturen (en parameter) endres, vil systemet bevege seg fra en likevektstilstand til en annen, og antallet og naturen til fasene vil ikke endres. Systemtilstandsparametrene vil endres: temperatur og likevektstrykk for karbondioksid og nøytral gass B ( T , P CO2 , R V).
Strengt tatt er det som er sagt ikke sant for noen temperaturer under temperaturstoppet, men bare for intervallet når reaksjonen, som opprinnelig skjedde i det kinetiske regimet, byttet til det termiske regimet, og vi kan faktisk snakke om systemets nærhet parametere til likevekt. Ved lavere temperaturer er systemet betydelig ute av likevekt, men dette påvirker ikke arten av prøvetemperaturens avhengighet av tid på noen måte.
Helt fra begynnelsen av eksperimentet, ved romtemperatur, er systemet i en likevektstilstand, men bare fordi det ikke er noen stoffer i det som kan samhandle. Dette refererer til kalsiumoksid, som under disse forholdene (partialtrykket av karbondioksid i atmosfæren er omtrent 310–4 atm, likevektstrykket er 10–23 atm) kan karbonisere. I henhold til isotermligningen for reaksjonen, skrevet under hensyntagen til uttrykket av likevektskonstanten (16.1) med aktivitetene til kondenserte stoffer lik enhet:
endringen i Gibbs energi er positiv, noe som betyr at reaksjonen bør skje i motsatt retning, men dette er ikke mulig siden det ikke er kalsiumoksid i systemet til å begynne med.
Når temperaturen øker, øker dissosiasjonselastisiteten (likevektstrykket til CO2 over karbonatet), som følger av isobarligningen:
siden den termiske effekten av reaksjonen er større enn null.
Først ved en temperatur på ca. 520 C vil dissosiasjonsreaksjonen bli termodynamisk mulig, men den vil begynne med en betydelig tidsforsinkelse (inkubasjonsperiode) som er nødvendig for kjernedannelsen av oksidfasen. Til å begynne med vil reaksjonen skje i kinetisk modus, men på grunn av autokatalyse vil motstanden til det kinetiske trinnet raskt avta så mye at reaksjonen går i termisk modus. Det er fra dette øyeblikket den termodynamiske analysen gitt ovenfor blir gyldig, og temperaturen til prøven vil begynne å ligge etter temperaturen til en hypotetisk sammenligningsprøve der dissosiasjon ikke forekommer (se figur 3).
Den betraktede termodynamiske analysen vil forbli gyldig til det øyeblikket da dissosiasjonselastisiteten når en verdi på 1 atm. I dette tilfellet frigjøres karbondioksid kontinuerlig på overflaten av prøven under et trykk på 1 atm. Den fortrenger luften, og nye porsjoner kommer fra prøven for å erstatte den. Trykket av karbondioksid kan ikke øke utover én atmosfære, siden gassen fritt slipper ut i atmosfæren rundt.
Systemet endres fundamentalt, siden det nå ikke er luft i gassfasen rundt prøven og det er en komponent mindre i systemet. Antall frihetsgrader i et slikt system er c = (4 – 1) + 1 – 4 = 0
viser seg å være lik null, og mens likevekten opprettholdes, kan ingen tilstandsparametre endres i den, inkludert temperatur.
La oss nå merke oss at alle konklusjoner (beregning av antall frihetsgrader osv.) vil forbli gyldige hvis vi ikke tar hensyn til komponent B3, som øker både antall stoffer og antall faser med én, som er gjensidig kompensert.
En temperaturstopp oppstår når all den innkommende varmen kun brukes på dissosiasjonsprosessen. Systemet fungerer som en meget god temperaturregulator når en liten tilfeldig endring i temperaturen fører til en motsatt endring i dissosiasjonshastigheten, som returnerer temperaturen til sin tidligere verdi. Den høye kvaliteten på reguleringen forklares med at et slikt system er praktisk talt treghetsfritt.
Etter hvert som dissosiasjonsprosessen utvikler seg, beveger reaksjonsfronten seg dypere inn i prøven, mens interaksjonsoverflaten avtar og tykkelsen på det faste reaksjonsproduktet øker, noe som kompliserer diffusjonen av karbondioksid fra reaksjonsstedet til prøveoverflaten. Fra et visst tidspunkt blir prosessens termiske regime til blandet og deretter til diffusjon. Allerede i blandet modus vil systemet bli betydelig ikke-likevekt og konklusjonene oppnådd fra termodynamisk analyse vil miste praktisk mening.
På grunn av reduksjonen i hastigheten på dissosiasjonsprosessen, vil den nødvendige mengden varme avta så mye at en del av den innkommende varmefluksen igjen vil begynne å bli brukt på oppvarming av systemet. Fra dette tidspunktet vil temperaturstoppet opphøre, selv om dissosiasjonsprosessen fortsatt vil fortsette inntil karbonatet er fullstendig dekomponert.
Det er ikke vanskelig å gjette at for det enkleste tilfellet som vurderes, kan verdien av stopptemperaturen finnes fra ligningen
En termodynamisk beregning ved bruk av denne ligningen ved bruk av TDHT-databasen gir en temperatur på 883°C for ren kalsitt og 834°C for ren aragonitt.
La oss nå komplisere analysen. Under dissosiasjonen av kalsittholdige urenheter av 1. og 2. type, når aktivitetene til karbonatet og oksidet ikke kan betraktes som lik enhet, vil den tilsvarende tilstanden bli mer komplisert:
Hvis vi antar at urenhetsinnholdet er lavt og de resulterende løsningene kan betraktes som uendelig fortynnede, kan den siste ligningen skrives som:
hvor er molfraksjonen av den tilsvarende urenheten.
Hvis det oppnås en skrå temperaturplattform og begge temperaturene ( T 2 > T 1) over stopptemperaturen for rent kalsiumkarbonat – K R (T 1) > 1 og K R (T 2) > 1, så er det rimelig å anta at urenheter av den andre typen er fraværende, eller ikke har tid til å løse seg opp () og estimere konsentrasjonen av urenheter av den 1. typen i begynnelsen
og ved slutten av temperaturen stopp
Den første typen urenheter bør til en viss grad akkumuleres i CaCO3 – B1-løsningen når reaksjonsfronten beveger seg. I dette tilfellet uttrykkes vinkelkoeffisienten til plattformhellingen ved forholdet:
hvor 1 er andelen av komponent B1 som går tilbake til den opprinnelige fasen når den er isolert i ren form; V S- molar volum av kalsitt; v C-; - termisk effekt av dissosiasjonsreaksjonen ved stopptemperaturen; r 0 er startradiusen til kalsittpartikkelen.
Ved å bruke referansedata, ved hjelp av denne formelen kan du beregne v C- oppløsningshastighet
rheniumkomponent B1 i kalsitt.
2.4.2 Installasjonsskjema og arbeidsprosedyre
Arbeidet studerer dissosiasjonen av kalsiumkarbonat og dolomitt av ulike fraksjoner.
Det eksperimentelle oppsettdiagrammet er vist i figur 4.
Figur 4 – Opplegg for installasjonen for å studere termogrammer for karbonatdissosiasjon:
1 – korundrør, 2 – karbonat, 3 – termoelement, 4 – ovn,
5 – autotransformator, 6 – personlig datamaskin med ADC-kort
Et korundrør (1) med et termoelement (3) og testprøven av kalsiumkarbonat (2) er installert i en ovn (4) forvarmet til 1200 K. Et termogram av prøven observeres på monitorskjermen til en personlig datamaskin. Etter å ha passert gjennom den isotermiske seksjonen, gjentas forsøket med en annen karbonatfraksjon. Når du studerer dolomitt, utføres oppvarming til to temperaturstopp er identifisert.
De resulterende termogrammene presenteres på en "temperatur - tid"-graf. For å lette sammenligningen må alle termogrammer vises på én graf. Den brukes til å bestemme temperaturen for intensiv utvikling av prosessen og sammenligne den med den som er funnet fra termodynamisk analyse. Det trekkes konklusjoner om påvirkningen av temperatur, karbonatets natur og graden av dets spredning på termogrammets natur.
2.4.3 Bearbeiding og presentasjon av måleresultater
Basert på resultatene av arbeidet ditt, bør du fylle ut følgende tabell:
Tabell 1. Resultater av studiet av dissosiasjonsprosessen av kalsiumkarbonat (dolomitt)
De to første kolonnene fylles med verdier når datafilen åpnes; de to siste kolonnene må beregnes. Utjevning utføres over fem punkter, numerisk differensiering av glattede data utføres med ekstra utjevning, også over fem punkter. Basert på resultatene av arbeidet bør to separate avhengighetsdiagram konstrueres: t– og d t/d – t .
Den resulterende temperaturstoppverdien ( T s) skal sammenlignes med den karakteristiske verdien for ren kalsitt. Hvis den observerte verdien er høyere, kan minimumsinnholdet av den første typen urenheter tilnærmet estimeres ved å bruke ligning (16.7), forutsatt at det ikke er noen urenheter av den andre typen. Hvis det motsatte forholdet observeres, kan vi konkludere med at hovedpåvirkningen utøves av urenheter av den andre typen og estimere deres minimumsinnhold, forutsatt at det ikke er noen urenheter av den første typen. Av ligning (16.6) følger det at i sistnevnte tilfelle
Det er tilrådelig å beregne verdien av likevektskonstanten ved å bruke TDHT-databasen ved å bruke metoden beskrevet i håndboken. Som et ekstremt tilfelle kan du bruke ligningen som tilnærmer avhengigheten av endringen i Gibbs-energien i reaksjonen av kalsiumkarbonat-dissosiasjon med temperatur:
G 0 = B 0 + B 1 · T + B 2 · T 2 ,
tar verdiene til koeffisientene lik: B 0 = 177820, J/mol; B 1 = -162,61, J/(mol K), B 3 = 0,00765, Jmol-1K-2.
Merk . Hvis studentene i kurset "Fysisk kjemi" ikke er kjent med TDHT-databasen og ikke har utført de tilsvarende beregningene i praktiske klasser, bør de bruke Shvartsman-Temkin-ligningen og data fra oppslagsboken.
Prosedyre for behandling av resultater
1. Legg inn resultatene av manuell registrering av informasjon i en regnearkfil.
2. Utfør utjevning av temperaturverdier.
3. Tegn en graf over temperatur versus tid på et eget ark.
4. Differensieer temperaturverdier over tid med utjevning på 5 punkter.
5. Konstruer en graf over temperaturderivatets avhengighet av temperatur over tid på et eget ark, og bestem egenskapene til stedene.
Testresultater:
1. I regnearkboken som sendes inn for vurdering, må den første siden med tittelen «Resultater» inneholde følgende informasjon:
en. I celle "A1" - temperaturstoppverdien (gjennomsnitt for en skrånende plattform), i celle "B1" - måleenheter;
b. I celle "A2" - varigheten av temperaturstoppet, i celle "B2" - måleenheter;
c. I celle "A3" - skråningen til stedet, i celle "B3" - måleenheter;
d. I celle "A4" - typen urenhet eller "0" hvis tilstedeværelsen av urenheter ikke oppdages;
e. I celle "A5" - molfraksjonen av urenheten;
f. Fra celle "A7" bør konklusjoner om arbeidet formuleres tydelig.
Cellene A1, A3 og A5 skal inneholde referanser til celler på andre ark i regnearkboken som beregningene ble utført på for å produsere resultatene som presenteres, ikke selve numeriske verdier! Hvis dette kravet ikke er oppfylt, gir bekreftelsesprogrammet meldingen "Informasjonsinnsendingsfeil."
2. Korrekt utformede grafer av temperatur versus tid, derivert temperatur versus tid versus temperatur, og derivert temperatur versus tid versus tid på separate regnearkark med alle nødvendige signaturer og notasjoner.
3. Temperaturanslag for stopp og deres varighet.
4. Konklusjoner på arbeidet.
Kontrollspørsmål
1. Hva er temperaturen der karbonatet begynner å dissosiere i luft avhengig av?
2. Hvorfor øker elastisiteten til karbonittdissosiasjonen med økende temperatur?
3. Hvor mange frihetsgrader har systemet der det er etablert likevekt mellom stoffene CaO, CO 2, CaCO 3?
4. Hvordan vil termogrammets natur endres hvis dissosiasjonsproduktet danner faste løsninger med det opprinnelige stoffet?
5. Hvilken modus for den heterogene reaksjonen av karbonatdissosiasjon tilsvarer den isotermiske delen av termogrammet?
6. Hvordan vil utseendet til termogrammet endres under dissosiasjonen av polydisperst karbonat?
7. Hva er forskjellen mellom termogrammer oppnådd ved et totalt trykk på 101,3 kPa og 50 kPa?
2.5 Studie av temperaturavhengigheten til viskositeten til oksidsmelter (Arbeid nr. 17)
2.5.1 Arten av viskøs motstand av oksidsmelter
Viskositet er en av de viktigste fysiske og kjemiske egenskapene til slaggsmelter. Det har en betydelig innvirkning på diffusjonsmobiliteten til ioner, og derfor på kinetikken for interaksjon av metall med slagg, hastigheten på varme og masseoverføringsprosesser i metallurgiske enheter. Studiet av temperaturavhengigheten av viskositet gir indirekte informasjon om strukturelle transformasjoner i oksidsmelter og endringer i parametrene til komplekse anioner. Sammensetningen, og derfor viskositetsverdien, avhenger av formålet med slagget. For eksempel, for å intensivere diffusjonstrinnene av redoksinteraksjonen mellom metall og slagg (avsvovling, defosforisering, etc.), velges sammensetningen av slagget slik at dets viskositet er lav. Tvert imot, for å hindre overføring av hydrogen eller nitrogen til stålet gjennom slagget fra gassfasen, innføres slagg med økt viskositet.
En av de kvantitative egenskapene til viskositet kan være koeffisienten for dynamisk viskositet (η), som er definert som proporsjonalitetskoeffisienten i Newtons lov om indre friksjon
Hvor F– indre friksjonskraft mellom to tilstøtende væskelag, grad υ – hastighetsgradient, S– overflateareal av kontakt mellom lagene. SI-enheten for dynamisk viskositet er [η] = N s/m 2 = Pa s.
Det er kjent at fluidstrøm er en serie av partikkelhopp til en tilstøtende stabil posisjon. Prosessen er aktiveringsmessig. For å gjøre hopp må partikkelen ha tilstrekkelig tilførsel av energi sammenlignet med gjennomsnittsverdien. Overflødig energi er nødvendig for å bryte de kjemiske bindingene til en partikkel i bevegelse og danne en tomhet (hulrom) i volumet av smelten den passerer inn i. Med økende temperatur øker den gjennomsnittlige energien til partikler og flere av dem kan delta i strømmen, noe som fører til en nedgang i viskositeten. Antallet slike "aktive" partikler øker med temperaturen i henhold til den eksponentielle Boltzmann-fordelingsloven. Følgelig har avhengigheten av viskositetskoeffisienten på temperaturen en eksponentiell form
hvor η 0 er en koeffisient som er litt avhengig av temperatur, Eη – aktiveringsenergi av viskøs strømning. Det karakteriserer minimumsreserven av kinetisk energi til en mol aktive partikler som er i stand til å delta i strømmen.
Strukturen til oksidsmelter har en betydelig effekt på viskositetskoeffisienten. I motsetning til bevegelsen av ioner under påvirkning av et elektrisk felt, i viskøs strømning beveger alle partikler av væsken seg i bevegelsesretningen sekvensielt. Det mest hemme stadiet er bevegelsen av store partikler, som gir det største bidraget til verdien av η. Som et resultat viser aktiveringsenergien til viskøs strømning seg å være større enn for elektrisk ledningsevne ( E η > E).
I sure slagger som inneholder oksider Si, P, B, er det en høy konsentrasjon av store komplekse anioner i form av kjeder, ringer, tetraedre og andre romlige strukturer (f.eks.
Og så videre.). Tilstedeværelsen av store partikler øker viskositeten til smelten, fordi deres bevegelse krever mer energi sammenlignet med små.
Tilsetninger av basiske oksider (CaO, MgO, MnO) fører til en økning i konsentrasjonen av enkle kationer (Ca 2+, Mg 2+, Mn 2+) i smelten. De innførte O2– anionene bidrar til depolymeriseringen av smelten, dvs. dekomponering av komplekse anioner, for eksempel,
Som et resultat avtar slaggens viskositet.
Avhengig av temperatur og sammensetning kan viskositeten til metallurgisk slagg variere innenfor et ganske bredt område (0,01 – 1 Pa s). Disse verdiene er størrelsesordener høyere enn viskositeten til flytende metaller, noe som skyldes tilstedeværelsen av relativt store strømningsenheter i slaggen.
Den reduserte eksponentielle avhengigheten av η av T(17.2) beskriver godt de eksperimentelle dataene for basisk slagger som inneholder mindre enn 35 mol. % SiO 2. I slike smelter er aktiveringsenergien til viskøs strømning Eη er konstant og har en liten verdi (45 – 80 kJ/mol). Når temperaturen synker, endres η litt, og først ved størkning begynner den å øke intensivt.
I sure slagger med høy konsentrasjon av kompleksdannende komponenter, kan aktiveringsenergien avta med økende temperatur: E η = E 0 / T, som er forårsaket av disaggregering av komplekse anioner ved oppvarming. Eksperimentelle data i dette tilfellet er linearisert i koordinater " lnη – 1/ T 2".
2.5.2 Beskrivelse av installasjonen og prosedyre for måling av viskositet
For å måle viskositetskoeffisienten brukes et rotasjonsviskosimeter i arbeidet (Figur 5). Utformingen og prinsippet for drift av denne enheten er som følger. Testvæsken (2) plasseres i en sylindrisk smeltedigel (1), hvori en spindel (4) opphengt i en elastisk streng (5) er nedsenket. Under forsøket overføres dreiemomentet fra den elektriske motoren (9) til skiven (7), og fra denne gjennom strengen til spindelen.
Viskositeten til oksidsmelten bedømmes av strengens vridningsvinkel, som bestemmes på en skala (8). Når spindelen roterer, skaper den viskøse motstanden til væsken et bremsemoment som vrir strengen inntil momentet for elastisk deformasjon av strengen blir lik momentet til de viskøse motstandskreftene. I dette tilfellet vil rotasjonshastighetene til skiven og spindelen være de samme. Tilsvarende denne tilstanden, kan vridningsvinkelen til strengen (∆φ) måles ved å sammenligne posisjonen til pilen (10) i forhold til skalaen: initial - før du slår på den elektriske motoren og stabil - etter slått på. Jo høyere viskositeten til væsken η er, desto større er vridningsvinkelen til strengen ∆φ. Hvis strengdeformasjonene ikke overskrider grensen (tilsvarer gyldigheten av Hookes lov), så er verdien ∆φ proporsjonal med η og kan skrives:
Ligningskoeffisient k, kalt viskosimeterkonstanten, avhenger av dimensjonene til smeltedigelen og spindelen, samt av de elastiske egenskapene til strengen. Når diameteren på strengen minker, øker følsomheten til viskosimeteret.
Figur 5 – Installasjonsskjema for måling av viskositet:
1 – smeltedigel, 2 – smelte under studie, 3 – spindelhode,
4 – spindel, 5 – streng, 6 – øvre del av installasjonen, 7 – skive,
8 – skala, 9 – elektrisk motor, 10 – pil, 11 – ovn, 12 – transformator,
13 – temperaturkontrollenhet, 14 – termoelement.
For å bestemme viskosimeterkonstanten k En væske med kjent viskositet plasseres i digelen - en løsning av kolofonium i transformatorolje. I dette tilfellet bestemmes ∆φ0 i et forsøk ved romtemperatur. Beregn deretter viskositeten (η0) til referansevæsken ved en gitt temperatur k i henhold til formelen:
Fant verdi k brukes til å beregne viskositetskoeffisienten til oksidsmelten.
2.5.3 Arbeidsprosedyre
For å bli kjent med viskositetsegenskapene til metallurgiske slagger, i dette laboratoriearbeidet studeres Na 2 O · 2B 2 O 3-smelten. Målinger utføres i temperaturområdet 850–750 o C. Etter å ha nådd starttemperaturen (850 o C), settes viskosimeternålen til null. Slå deretter på den elektriske motoren og fikser den stasjonære vrivinkelen til strengen ∆φ t . Gjenta målingen av ∆φ t ved andre temperaturer uten å slå av viskosimeteret. Eksperimentet stoppes når vridningsvinkelen til strengen begynner å overstige 720°.
2.5.4 Bearbeiding og presentasjon av måleresultater
Basert på måleresultatene, fyll ut følgende tabell.
Tabell 1. Temperaturavhengighet av viskositet
I tabellen er de to første kolonnene fylt ut basert på resultatene av manuell registrering av temperaturavlesninger på monitorskjermen og vrivinkelen til tråden på viskosimeterskalaen. De resterende kolonnene beregnes.
For å sjekke gjennomførbarheten av den eksponentielle loven om endring i viskositetskoeffisienten med temperatur (17.2), konstruer en graf i koordinatene "Ln(η) – 10 3 / T" Aktiveringsenergien blir funnet ved å bruke funksjonen LINEST() (OpenOffice.Calc) eller LINEST() (MicrosoftOffice.Exel), som bruker dem på den femte og sjette kolonnen i tabellen.
Konklusjonene sammenligner de oppnådde dataene η og E η med de som er kjent for metallurgiske slagger, diskuterer arten av temperaturavhengigheten til viskositet, dens sammenheng med strukturelle endringer i smelten.
Prosedyre for behandling av resultater
1. Ta målinger på kalibreringscellen og beregn installasjonskonstanten
2. Legg inn resultatene av manuell registrering av informasjon i en regnearkfil.
3. Beregn viskositetsverdier.
4. Tegn en graf over viskositet mot temperatur på et eget ark.
5. Beregn logaritmen av viskositet og den resiproke absolutte temperaturen for hele settet med måleresultater.
6. Finn koeffisientene ved å bruke minste kvadraters metode b 0 , b 1 av ligningen som tilnærmer avhengigheten av logaritmen av viskositet på den inverse temperaturen, og beregn aktiveringsenergien.
7. Plott avhengigheten til logaritmen av viskositet på et eget ark av den inverse temperaturen og gi en tilnærmet avhengighet Testresultater:
1. I regnearkboken som sendes inn for vurdering, må den første siden med tittelen «Resultater» inneholde følgende informasjon:
en. I celle "A1" - starttemperaturen, i celle "B1" - måleenheter;
b. I celle "A2" - slutttemperatur, i celle "B2" - måleenheter;
c. I celle "A3" - aktiveringsenergien til viskøs strømning ved lave temperaturer, i celle "B3" - måleenheter;
d. I celle "A4" - den pre-eksponentielle faktoren i formelen for temperaturavhengighet av elektrisk ledningsevne ved lave temperaturer, i celle "B4" - måleenheter;
e. I celle "A5" - aktiveringsenergien til viskøs strømning ved høye temperaturer, i celle "B5" - måleenheter;
f. I celle "A6" - den pre-eksponentielle faktoren i formelen for temperaturavhengighet av elektrisk ledningsevne ved høye temperaturer, i celle "B6" - måleenheter;
g. Fra celle "A7" bør konklusjoner om arbeidet formuleres tydelig.
Cellene A1-A6 skal inneholde referanser til celler på andre ark i regnearkboken som det ble utført beregninger på for å oppnå det presenterte resultatet, og ikke de numeriske verdiene selv! Hvis dette kravet ikke er oppfylt, gir bekreftelsesprogrammet meldingen "Informasjonsinnsendingsfeil."
2. Korrekt utformede grafer over avhengighetene av viskositet på temperatur og logaritmen av viskositet på den inverse temperaturen, hentet fra eksperimentelle data (punkter) og tilnærmet med et polynom (linje), på separate ark med regneark med alle nødvendige signaturer og symboler . Kontrollspørsmål
1. I hvilken form er komponentene i oksidsmelten bestående av CaO, Na 2 O, SiO 2, B 2 O 3, Al 2 O 3?
2. Hva kalles viskositetskoeffisienten?
3. Hvordan vil temperaturavhengigheten til slaggviskositeten endres når basiske oksider tilsettes den?
4. I hvilke enheter måles viskositet?
5. Hvordan bestemmes viskosimeterkonstanten?
6. Hva bestemmer aktiveringsenergien til viskøs strømning?
7. Hva er årsaken til nedgangen i viskositet med økende temperatur?
8. Hvordan beregnes aktiveringsenergien til viskøs strømning?
2.6 Reduksjon av mangan fra oksidsmelte til stål
(Verk nr. 18)
2.6.1 Generelle prinsipper for elektrokjemisk interaksjon mellom metall og slagg
Prosessene for interaksjon av flytende metall med smeltet slagg er av stor teknisk betydning og forekommer i mange metallurgiske enheter. Produktiviteten til disse enhetene, så vel som kvaliteten på det ferdige metallet, bestemmes i stor grad av hastigheten og fullstendigheten av overgangen til visse elementer over fasegrensen.
Den samtidige forekomsten av et betydelig antall fysiske og kjemiske prosesser i ulike faser, høye temperaturer og tilstedeværelsen av hydrodynamiske og varmestrømmer gjør det vanskelig å eksperimentelt studere prosessene for interaksjon av faser under industrielle og laboratoriemessige forhold. Slike komplekse systemer studeres ved hjelp av modeller som reflekterer individuelle, men mest betydningsfulle aspekter ved objektet som vurderes. I dette arbeidet lar en matematisk modell av prosessene som skjer ved metall-slagg-grensesnittet oss analysere endringen i volumetriske konsentrasjoner av komponenter og hastigheten på deres overgang over grensesnittet avhengig av tid.
Reduksjonen av mangan fra oksidsmelten skjer ved en elektrokjemisk halvreaksjon:
(Mn 2+) + 2e =
De medfølgende prosessene må være oksidasjonsprosesser. Selvfølgelig kan dette være en jernoksidasjonsprosess
= (Fe2+) + 2e
eller urenheter i stålsammensetningen, for eksempel silisium. Siden et fireladet silisiumion ikke kan være tilstede i slagget, er denne prosessen ledsaget av dannelsen av et silisium-oksygen-tetraeder i samsvar med den elektrokjemiske halvreaksjonen:
4(O 2-) = (SiO 4 4-) + 4e
Uavhengig forekomst av bare en av de gitte elektrodehalvreaksjonene er umulig, fordi dette fører til akkumulering av ladninger i det elektriske dobbeltlaget ved fasegrensen, noe som forhindrer overgangen til stoffet.
Likevektstilstanden for hver av dem er preget av likevektselektrodepotensialet ()
hvor er standardpotensialet, er aktiviteten til de oksiderte og reduserte formene av stoffet, z– antall elektroner som deltar i elektrodeprosessen, R– universell gasskonstant, F– Faraday konstant, T- temperatur.
Reduksjonen av mangan fra slagg til metall oppnås som et resultat av den kombinerte forekomsten av minst to elektrodehalvreaksjoner. Hastighetene deres er stilt inn slik at det ikke er noen akkumulering av ladninger ved grensesnittet. I dette tilfellet får metallpotensialet en stasjonær verdi, hvor hastighetene for generering og assimilering av elektroner er de samme. Forskjellen mellom det faktiske, dvs. stasjonært potensial og dets likevektsverdi kalles polarisering (overspenning) av elektroden, . Polarisering karakteriserer graden av fjerning av et system fra likevekt og bestemmer overgangshastigheten til komponenter over fasegrensen i samsvar med lovene for elektrokjemisk kinetikk.
Fra et standpunkt til klassisk termodynamikk forekommer prosesser i systemet i en eller annen retning i utvinningen av mangan fra slagg med silisium oppløst i jern:
2(MnO) + = 2 + (SiO 2) H = -590 kJ/mol
og selve løsningsmidlet (oksidasjon av mangan med jernoksid i slagget
(MnO) + = + (FeO) =. H = 128 kJ/mol
Fra et synspunkt av formell kinetikk, bør hastigheten på den første reaksjonen, bestemt av for eksempel endringen i silisiuminnholdet i metallet bort fra likevekt i det kinetiske regimet, avhenge av produktet av konsentrasjonene av manganoksid i slagg og silisium i metallet til en viss grad. I diffusjonsmodus bør reaksjonshastigheten avhenge lineært av konsentrasjonen av komponenten hvis diffusjon er hindret. Tilsvarende resonnement kan gjøres for den andre reaksjonen.
Likevektskonstant for en reaksjon uttrykt i form av aktivitet
er kun en funksjon av temperaturen.
Forhold mellom likevektskonsentrasjoner av mangan i slagg og metall
kalles fordelingskoeffisienten til mangan, som derimot avhenger av sammensetningen av fasene og fungerer som en kvantitativ karakteristikk av fordelingen av dette elementet mellom slagget og metallet.
2.6.2 Prosessmodell
Simuleringsmodellen tar for seg tre elektrodehalvreaksjoner som kan oppstå mellom oksidsmelten CaO – MnO – FeO – SiO 2 – Al 2 O 3 og flytende jern som inneholder Mn og Si som urenheter. Det er gjort en antagelse om diffusjonsmåten for deres forekomst. Hemming av diffusjon av Fe 2+ partikler i slagget, silisium i metallet og mangan i begge faser er tatt i betraktning. Det generelle likningssystemet som beskriver modellen har formen
Hvor υ ј – hastighet på elektrodehalvreaksjon, η j- polarisering, jeg j– tettheten til den begrensende diffusjonsstrømmen, DJ– diffusjonskoeffisient, β – konvektiv konstant, Cj– konsentrasjon.
Simuleringsmodellprogrammet lar deg løse likningssystemet (18.4) – (18.8), som gjør det mulig å fastslå hvordan volumkonsentrasjonen av komponenter og deres overgangshastigheter endres over tid under interaksjonen mellom metall og slagg. Beregningsresultatene vises. Informasjonen mottatt fra monitorskjermen inkluderer en grafisk representasjon av endringer i konsentrasjonene til hovedkomponentene, deres nåværende verdier, samt temperaturverdier og konveksjonskonstanter (Figur 8).
Blokkskjemaet til programmet for simuleringsmodellen av samspillet mellom metall og slagg er presentert i figur 7. Programmet opererer i en syklus som stopper først etter at den angitte simuleringstiden har gått (ca. 10 minutter).
Figur 7 – Blokkdiagram av simuleringsmodellprogrammet
2.6.3 Arbeidsprosedyre
Bildet generert av simuleringsprogrammet er vist i figur 8 (høyre panel). Øverst på panelet er utvalgte numeriske verdier for de målte mengdene; grafen viser alle verdiene som er oppnådd under prosesssimulering. I betegnelsene på komponentene til metall- og slaggsmelter brukes tilleggssymboler som er akseptert i litteraturen om metallurgiske emner. Firkantede parenteser indikerer at komponenten tilhører en metallsmelte, og runde parentes indikerer at komponenten tilhører en slaggsmelte. Multiplikatorer i komponentbetegnelser brukes kun for plottingsformål og bør ikke tas i betraktning ved tolkning av verdier. Under drift av modellen vises til enhver tid bare verdien av en av de målte mengdene. Etter 6 sekunder forsvinner den og neste verdi vises. I løpet av denne tidsperioden må du ha tid til å skrive ned neste verdi. For å spare tid anbefales det å ikke skrive ned konstante tall, for eksempel den ledende enheten i temperaturverdien.
Fig. 8. Bilde av monitorskjermen når du utfører arbeid nr. 18 på forskjellige stadier av prosessene.
Fire til fem minutter etter at installasjonen starter, tilsett forvarmet manganoksid til slaggen, noe som gjøres ved å trykke Alt-tasten og talltasten på hovedtastaturet samtidig med nummeret til installasjonen din. Rekkefølgen for behandling av resultatene:
1. Legg inn resultatene av manuell registrering av informasjon i en regnearkfil.
2. Beregn hastigheten på prosessene for overgang av elementer over interfasegrensen og logaritmene til disse verdiene før og etter tilsetning av manganoksid til slagget med en metallsmeltemasse på 1400 kg.
3. Konstruer på separate ark grafer av temperatur mot tid, manganovergangshastighet mot tid, logaritme av silisiumovergangshastighet mot logaritme av silisiumkonsentrasjon i metallet.
4. Bruk minste kvadraters metode, estimer de kinetiske egenskapene til silisiumovergangsprosessen.
Testresultater:
1. Korrekt formaterte grafer oppført i forrige seksjon, på et eget regneark med alle nødvendige signaturer og notasjoner.
2. Verdier av rekkefølgen til silisiumoksidasjonsreaksjonen før og etter introduksjonen av manganoksid, som indikerer feil.
3. Konklusjoner på arbeidet.
Kontrollspørsmål
1. Hvorfor er det behov for å modellere stålproduksjonsprosesser?
2. Hva er arten av interaksjonen mellom metall og slagg og hvordan kommer dette til uttrykk?
3. Hvilket potensial kalles stasjonært?
4. Hvilket potensial kalles likevekt?
5. Hva er elektrodepolarisering (overspenning)?
6. Hva er fordelingskoeffisienten til mangan mellom metall og slagg?
7. Hva er fordelingskonstanten til mangan mellom metall og slagg avhengig av?
8. Hvilke faktorer påvirker overgangshastigheten til mangan fra metall til slagg i diffusjonsmodus?
Bibliografi
1. Lynchevsky, B.V. Teknikk for metallurgisk eksperiment [Tekst] / B.V. Lynchevsky. – M.: Metallurgi, 1992. – 240 s.
2. Arsentiev, P.P. Fysisk-kjemiske metoder for å studere metallurgiske prosesser [Tekst]: lærebok for universiteter / P.P. Arsentiev, V.V. Yakovlev, M.G. Krasheninnikov, L.A. Pronin et al. - M.: Metallurgy, 1988. - 511 s.
3. Popel, S.I. Interaksjon av smeltet metall med gass og slagg [Tekst]: lærebok / S.I. Popel, Yu.P. Nikitin, L.A. Barmin og andre - Sverdlovsk: red. UPI oppkalt etter CM. Kirova, 1975, – 184 s.
4. Popel, S.I. Teori om metallurgiske prosesser [Tekst]: lærebok / S.I. Popel, A.I. Sotnikov, V.N. Boronenkov. – M.: Metallurgi, 1986. – 463 s.
5. Lepinskikh, B.M. Transportegenskaper til metall og slaggsmelter [Tekst]: Directory / B.M. Lepinskikh, A.A. Belousov / Under. utg. Vatolina N.A. – M.: Metallurgi, 1995. – 649 s.
6. Belay, G.E. Organisering av et metallurgisk eksperiment [Tekst]: lærebok / G.E. Belay, V.V. Dembovsky, O.V. Sotsenko. – M.: Kjemi, 1982. – 228 s.
7. Panfilov, A.M. Beregning av termodynamiske egenskaper ved høye temperaturer [Elektronisk ressurs]: pedagogisk og metodisk håndbok for studenter ved metallurgiske og fysiske ingeniørfakulteter av alle former for utdanning / A.M. Panfilov, N.S. Semenova – Jekaterinburg: USTU-UPI, 2009. – 33 s.
8. Panfilov, A.M. Termodynamiske beregninger i Excel-regneark [Elektronisk ressurs]: retningslinjer for studenter ved metallurgiske og fysikk-tekniske fakulteter av alle former for utdanning / A.M. Panfilov, N.S. Semenova - Jekaterinburg: USTUUPI, 2009. - 31 s.
9. Kort oppslagsbok over fysiske og kjemiske mengder / Pod. utg. A.A. Ravdel og A.M. Ponomareva. L.: Kjemi, 1983. – 232 s.
Federal Agency for Education
Statens utdanningsinstitusjon for høyere profesjonsutdanning "Ural State Technical University - UPI"
ER. Panfilov
Pedagogisk elektronisk tekstutgave
Utarbeidet av Institutt for "Teori om metallurgiske prosesser"
Vitenskapelig redaktør: prof., lege. chem. Science M.A. Spiridonov
Retningslinjer for laboratoriearbeid i fagene "Fysisk-kjemi av metallurgiske systemer og prosesser", "Teori om metallurgiske prosesser" for studenter av alle former for opplæring i metallurgiske spesialiteter.
Reglene for organisering av arbeid i verkstedet "Teori om metallurgiske prosesser" til TMP-avdelingen (spesialisert publikum) er regulert
Mt-431 oppkalt etter. O.A. Esina). Metodikken og prosedyren for å utføre laboratoriearbeid er beskrevet, kravene til innhold og formatering av rapporter om laboratoriearbeid i samsvar med gjeldende GOST-er og anbefalinger for implementering er gitt.
© Statens utdanningsinstitusjon for høyere profesjonsutdanning USTU-UPI, 2008
Jekaterinburg
Introduksjon................................................. ...................................................... ............................................................ ................... 4
1 Organisering av arbeidet i et laboratorieverksted om teori om metallurgiske prosesser................... 4
1.1 Forberedelse til laboratoriearbeid.................................................. ...................................................... .............. .. 5 1.2 Anbefalinger for behandling av måleresultater og rapportering........................... .......... 5
1.3.1 Plotte grafer................................................... ...................................................... ............................................ 5
1.3.2 Utjevning av eksperimentelle data........................................... ........................................................ 7
1.3.5 Numerisk differensiering av en funksjon definert av et sett med diskrete punkter................................ 8
tilnærming til et visst sett med data......................................... ........................................................ 9
1.3.7 Presentasjon av resultater......................................... ........................................................ .............................. 10
2 Beskrivelse av laboratoriearbeid.................................................. ........................................................ ........................................................... elleve
2.1 Studie av kinetikken ved høytemperaturoksidasjon av jern (Arbeid nr. 13) ........................... 12
2.1.1 Generelle mønstre for jernoksidasjon........................................... ........................................................................ 12 2.1.2 Beskrivelse av installasjonen og fremgangsmåten for gjennomføring av eksperimenter...................................... ................................ ..... 14
2.1.3 Bearbeiding og presentasjon av måleresultater.......................................... ........................................... 15
Kontrollspørsmål ................................................... ................................................................ ...................................... 17
2.2 Studie av temperaturavhengigheten til den elektriske ledningsevnen til oksidsmelter
(Verk nr. 14) ................................................ ...................................................... ............................................................ ..... 19
2.2.1 Generell informasjon om arten av elektrisk ledningsevne til slagger................................. ............... 19
2.2.2 Beskrivelse av installasjonen og måleprosedyren......................................... ............................................ 21
2.2.3 Arbeidsordre ................................................... ...................................................... ..................... 23
2.2.4 Bearbeiding og presentasjon av måleresultater.......................................... ........... ................... 24
Kontrollspørsmål ................................................... ................................................................ ...................................... 25
2.3 Studie av kinetikken til metallavsvovling med slagg på en simuleringsmodell (Work No.
15) ............................................................................................................................................................ 26
2.3.1 Generell informasjon om kinetikken til metallavsvovling med slagg................................... ............... ..... 26
2.3.2 Matematisk modell av prosessen........................................... ........................................................................ ...... 29
2.3.3 Arbeidsprosedyre......................................................... ............................................................... ..................... ...... tretti
2.3.4 Bearbeiding og presentasjon av måleresultater.......................................... ........... ................... 31
Kontrollspørsmål ................................................... ................................................................ ...................................... 32
2.4 Termografisk studie av prosessene for dissosiasjon av naturlige karbonater (Arbeid nr. 16) 33
2.4.1 Generelle mønstre for karbonatdissosiasjon........................................... ........................................ 33
2.4.2 Installasjonsskjema og arbeidsprosedyre........................................... ........................................... 39
2.4.3 Bearbeiding og presentasjon av måleresultater.......................................... ........... ................... 39
Kontrollspørsmål ................................................... ................................................................ ...................... 41
2.5 Studie av temperaturavhengigheten til viskositeten til oksidsmelter (Arbeid nr. 17) ................... 42
2.5.1 Arten av viskøs motstand av oksidsmelter......................................... ............................ 42
2.5.2 Beskrivelse av installasjonen og prosedyre for måling av viskositet................................. ............................ 43
2.5.3 Arbeidsprosedyre......................................................... ............................................................... ...................... ...... 45
2.5.4 Bearbeiding og presentasjon av måleresultater.......................................... ........... ................... 45 Testspørsmål................. ................................................................ ........................................................................ ................ 46
2.6 Reduksjon av mangan fra oksidsmelte til stål (Verk nr. 18)
2.6.1 Generelle prinsipper for elektrokjemisk vekselvirkning mellom metall og slagg................................... 47
2.6.2 Prosessmodell......................................................... ...................................................... ............................................ 49
2.6.3 Arbeidsprosedyre......................................................... ............................................................... ...................... ...... 50
Kontrollspørsmål ................................................... ................................................................ ...................................... 52 Referanser............... ........................................................ ................................................................... ................................ ..... 53
| STP USTU-UPI 1-96 |
Enterprise standard. Generelle krav og regler for utarbeidelse av vitnemål og kursprosjekter (arbeider). |
| GOST R 1,5-2002 |
GSS. Standarder. Generelle krav til konstruksjon, presentasjon, utforming, innhold og betegnelse. |
| GOST 2,105-95 |
ESKD. Generelle krav til tekstdokumenter. |
| GOST 2.106-96 |
ESKD. Tekstdokumenter. |
| GOST 6.30 2003 |
USD. Samlet system for organisatorisk og administrativ dokumentasjon. Dokumentasjonskrav. |
| GOST 7.32-2001 |
SIBID. Forskningsrapport. |
| GOST 7,54-88 |
SIBID. Presentasjon av numeriske data om egenskaper til stoffer og materialer i vitenskapelige og tekniske dokumenter. Generelle Krav. |
| GOST 8.417-2002 |
GSOEI. Mengdeenheter |
Notasjoner og forkortelser
| Statlig standard for den tidligere Sovjetunionen eller mellomstatlig standard (for øyeblikket). |
|
| En standard vedtatt av den russiske føderasjonens statskomité for standardisering og metrologi (Gosstandart of Russia) eller den russiske føderasjonens statskomité for bolig- og konstruksjonspolitikk (Gosstroy of Russia). |
|
| Statens standardiseringssystem. |
|
| Statlig system for å sikre enhetlighet i målinger. |
|
| Informasjonsteknologi |
|
| Minste kvadratiske metode |
|
| Personlig datamaskin |
|
| Enterprise standard |
|
| Teori om metallurgiske prosesser |
Introduksjon
Ved å utføre laboratoriearbeid for å studere egenskapene i metallslaggsystemet og prosessene som forekommer i metallurgiske enheter, kan vi bedre forstå egenskapene til den fysisk-kjemiske analysemetoden og få ferdigheter i dens praktiske anvendelse. I tillegg blir studenten kjent med implementering av noen metoder for eksperimentell og modellforskning av individuelle fysisk-kjemiske egenskaper og metallurgiske prosesser generelt, tilegner seg ferdigheter i å bearbeide, analysere og presentere eksperimentell informasjon.
1 Organisering av arbeid i laboratorieverksted om teori om metallurgiske prosesser
I et laboratorieverksted om teorien om metallurgiske prosesser er det viktigste datamaskininnsamlingen av eksperimentell informasjon. Dette bestemmer en rekke funksjoner i organiseringen av arbeidet:
Hver elev får en individuell oppgave, fullfører hele eksperimentet eller en spesifisert del av det, og behandler informasjonen som mottas. Resultatet av arbeidet inkluderer de oppnådde numeriske egenskapene til fenomenet som studeres og feilene i deres bestemmelse, grafer som illustrerer de identifiserte funksjonene og konklusjoner hentet fra hele settet med informasjon. Avviket mellom de kvantitative resultatene av arbeid gitt i elevrapporter sammenlignet med kontrollkarakterer bør ikke overstige 5 %.
Hovedalternativet for å formatere resultatene er å behandle eksperimentelle data, plotte grafer og formulere konklusjoner i Microsoft.Excel eller OpenOffice.Calc-regneark.
Med tillatelse fra lærer er det midlertidig mulig å levere en håndskrevet rapport med nødvendige illustrasjoner og grafer laget på millimeterpapir.
Rapport om utført laboratoriearbeid leveres til læreren som gjennomfører laboratorieverkstedet senest på arbeidsdagen før neste laboratoriearbeid. Rekkefølgen for overføring (via e-post, i en pause til enhver lærer eller laboratorieassistent som for tiden leder klasser) bestemmes av læreren.
Studenter som ikke har levert rapport om tidligere arbeid i tide og ikke har bestått kollokviet (prøven) får ikke delta i neste laboratoriearbeid.
Kun studenter som har gjennomført en innledende orientering om sikre arbeidstiltak på laboratorieverksted og har signert instruksjonsjournalen får utføre laboratoriearbeid.
Arbeid med oppvarming og måling av elektriske instrumenter, med kjemiske glassvarer og reagenser utføres i henhold til sikkerhetsinstruksene i laboratoriet.
Etter endt arbeid rydder eleven på arbeidsplassen og overleverer laboratorieassistenten.
1.1 Forberedelse til laboratoriearbeid
Hovedkildene ved forberedelse til timen er denne håndboken, lærebøker og læremidler anbefalt av foreleser, og forelesningsnotater.
Som forberedelse til laboratoriearbeid skal studenten i uken før timen lese og forstå materialet knyttet til fenomenet som studeres, forstå utformingen av installasjonen og målemetodene og behandle resultatene ved hjelp av diagrammene gitt i manualen. Hvis det oppstår vanskeligheter, er det nødvendig å bruke anbefalt litteratur og konsultasjoner med foreleser og lærere som gjennomfører laboratorietimer.
Elevens beredskap til å utføre arbeidet kontrolleres av læreren ved å intervjue hver elev individuelt eller ved å gjennomføre datatesting. En utilstrekkelig forberedt student er pålagt å studere materialet knyttet til dette arbeidet i løpet av timen, og fullføre den eksperimentelle delen av arbeidet i en tilleggstime etter re-testing. Tid og fremgangsmåte for gjentatte timer er regulert av en spesiell timeplan.
1.2 Anbefalinger for behandling av måleresultater og rapportering
I henhold til GOST 7.54-88 må eksperimentelle numeriske data presenteres i form av titteltabeller. Eksempeltabeller er gitt for hver lab.
Ved behandling av måleresultater er det nødvendig å bruke statistisk prosessering: bruk utjevning av eksperimentelle data, bruk minste kvadraters metode ved estimering av avhengighetsparametere, etc. og sørg for å evaluere feilen til de oppnådde verdiene. For å utføre slik behandling er det gitt spesielle statistiske funksjoner i regneark. Det nødvendige settet med funksjoner er også tilgjengelig i kalkulatorer beregnet for vitenskapelige (tekniske) beregninger.
1.3.1 Grafer
Når du utfører eksperimenter, registreres som regel verdiene til flere parametere samtidig. Ved å analysere forholdet deres kan vi trekke konklusjoner om det observerte fenomenet. Visuell representasjon av numeriske data gjør det ekstremt enkelt å analysere relasjonene deres - og derfor er grafer et så viktig skritt i arbeidet med informasjon. Merk at blant de faste parameterne er det alltid minst én uavhengig variabel - en verdi hvis verdi endres av seg selv (tid) eller som er satt av eksperimentatoren. De resterende parametrene bestemmes av verdiene til de uavhengige variablene. Når du konstruerer grafer, bør du følge noen regler:
Verdien av den uavhengige variabelen er plottet langs x-aksen (horisontal akse), og verdien av funksjonen er plottet langs ordinataksen (vertikal akse).
Skalaene langs aksene bør velges for å bruke grafområdet så informativt som mulig - slik at det er færre tomme områder der det ikke er eksperimentelle punkter og linjer med funksjonelle avhengigheter. For å oppfylle dette kravet er det ofte nødvendig å spesifisere en verdi som ikke er null ved opprinnelsen til koordinataksen. I dette tilfellet må alle eksperimentelle resultater presenteres på grafen.
Verdiene langs aksene skal som regel være multipler av et heltall (1, 2, 4, 5) og være jevnt fordelt. Det er strengt uakseptabelt å indikere resultatene av spesifikke målinger på aksene. Skalaenhetene som velges bør ikke være for små eller for store (skal ikke inneholde flere innledende eller etterfølgende nuller). For å sikre dette kravet bør det benyttes en skalafaktor på formen 10 X, som inngår i aksebetegnelsen.
Linjen for funksjonell avhengighet må være enten rett eller jevn kurve. Det er tillatt å koble eksperimentelle punkter med en brutt linje bare på stadiet av foreløpig analyse.
Når du konstruerer grafer ved hjelp av regneark, vil mange av disse kravene oppfylles automatisk, men vanligvis ikke alle og ikke i full utstrekning, så du må nesten alltid justere den resulterende representasjonen.
Regneark har en spesiell tjeneste - Chart Wizard (Hovedmeny: Sett inn diagram). Den enkleste måten å få tilgang til det på er først å velge et område med celler som inkluderer både et argument og en funksjon (flere funksjoner), og aktivere "Chart Wizard"-knappen på standardpanelet med musen.
På denne måten vil du få en mal over tidsplanen, som fortsatt må jobbes med, siden det automatiske valget av mange standard tidsplanparametere mest sannsynlig ikke vil sikre at alle krav oppfylles.
Kontroller først størrelsen på tallene på aksene og bokstavene i akseetikettene og funksjonsetikettene i forklaringen. Det er ønskelig at skriftstørrelsen er den samme overalt, ikke mindre enn 10 og ikke mer enn 14 poeng, men du må angi verdien for hver inskripsjon separat. For å gjøre dette, flytt markøren over objektet av interesse (akse, etikett, forklaring) og trykk på høyre museknapp. I kontekstmenyen som vises, velg "Format (element)" og i den nye menyen på arket med "Font"-etiketten, velg ønsket verdi. Når du formaterer en akse, bør du i tillegg se og eventuelt endre verdiene på papirarkene merket "Skala" og "Tall". Hvis du ikke forstår hvilke endringer det foreslåtte valget vil føre til, ikke vær redd for å prøve et hvilket som helst alternativ, fordi du alltid kan nekte endringene som er gjort ved å trykke på Ctrl + Z-tastene, eller velge hovedmenyen "Rediger" - Avbryt , eller ved å klikke på knappen "Avbryt" på standardverktøylinjen.
Hvis det er mange punkter, og spredningen er liten og linjen ser ganske jevn ut, kan punktene forbindes med linjer. For å gjøre dette, flytt markøren over et hvilket som helst punkt på kartet og trykk på høyre museknapp. I kontekstmenyen som vises, velg "Data Series Format". I et nytt vindu, på et stykke papir med «Vis»-etiketten, bør du velge riktig farge og linjetykkelse, og samtidig sjekke farge, størrelse og form på prikkene. Dette er nøyaktig hvordan relasjoner som tilnærmer eksperimentelle data er konstruert. Hvis tilnærmingen skjer med en rett linje, er to punkter ved kantene av argumentvariasjonen tilstrekkelig. Det anbefales ikke å bruke alternativet "glatt kurve" innebygd i regneark på grunn av manglende evne til å justere utjevningsparametrene.
1.3.2 Utjevning av eksperimentelle data
Eksperimentelle data innhentet ved høytemperaturforsøksinstallasjoner er preget av en stor tilfeldig målefeil. Dette bestemmes hovedsakelig av elektromagnetisk interferens fra driften av en kraftig oppvarmingsenhet. Statistisk behandling av resultater kan redusere tilfeldig feil betraktelig. Det er kjent at for en tilfeldig variabel fordelt i henhold til normalloven, er feilen til det aritmetiske gjennomsnittet bestemt fra N verdier, i N½ ganger mindre enn feilen for en enkelt måling. Med et stort antall målinger, når det er akseptabelt å anta at den tilfeldige spredningen av data over et lite segment betydelig overstiger den naturlige endringen i verdien, er en effektiv utjevningsteknikk å tilordne den neste verdien av den målte verdien et aritmetisk gjennomsnitt, beregnet fra flere verdier i et symmetrisk intervall rundt den. Matematisk uttrykkes dette med formelen:
(1.1)
og er veldig enkel å implementere i regneark. Her y i er måleresultatet, og Y i – den utjevnede verdien som brukes i stedet.
Eksperimentelle data innhentet ved bruk av digitale informasjonsinnhentingssystemer er preget av en tilfeldig feil, hvor fordelingen avviker vesentlig fra normalloven. I dette tilfellet kan det være mer effektivt å bruke medianen i stedet for det aritmetiske gjennomsnittet. I dette tilfellet tildeles den målte verdien i midten av intervallet verdien av den målte verdien som viste seg å være nærmest det aritmetiske gjennomsnittet. Det ser ut til at en liten forskjell i algoritmen kan endre resultatet veldig betydelig. For eksempel, i alternativet for medianestimat, kan det hende at noen eksperimentelle resultater ikke brukes i det hele tatt; mest sannsynlig er det nettopp de som virkelig er
"dukker opp" verdier med en spesielt stor feil.
1.3.5 Numerisk differensiering av en funksjon definert av et sett med diskrete punkter
Behovet for en slik operasjon ved behandling av eksperimentelle punkter oppstår ganske ofte. For eksempel, ved å differensiere avhengigheten av konsentrasjon på tid, finner man avhengigheten av hastigheten til prosessen på tid og av konsentrasjonen av reagenset, som igjen lar en estimere rekkefølgen av reaksjonen. Operasjonen av numerisk differensiering av en funksjon spesifisert av et sett med dens verdier ( y) som tilsvarer det tilsvarende settet med argumentverdier ( x), er basert på den omtrentlige erstatningen av differensialen til en funksjon med forholdet mellom dens endelige endring og den endelige endringen i argumentet:
(1.2)
Numerisk differensiering er sensitiv for feil forårsaket av unøyaktighet i innledende data, forkasting av serietermer osv., og må derfor utføres med forsiktighet. For å øke nøyaktigheten av å estimere den deriverte (), prøver de først å jevne ut de eksperimentelle dataene, i det minste på et lite segment, og først deretter utføre differensiering. Som et resultat, i det enkleste tilfellet, for ekvidistante noder (verdiene til argumentet avviker fra hverandre med samme mengde x), oppnås følgende formler: for den deriverte i den første ( X 1) punkt:
for den deriverte på alle andre punkter ( x), bortsett fra den siste:
for den deriverte i den siste ( x) punkt:
Hvis det er ganske mye eksperimentelle data og det er tillatt å neglisjere flere ekstreme punkter, kan du bruke sterkere utjevningsformler, for eksempel for 5 poeng:
eller med 7 poeng:
For et ujevnt arrangement av noder, vil vi begrense oss til å anbefale å bruke den modifiserte formelen (1.3) i skjemaet
(1.8)
og ikke beregne den deriverte ved start- og sluttpunkt.
Derfor, for å implementere numerisk differensiering, må du plassere passende formler i cellene i en ledig kolonne. For eksempel er ulikt fordelte argumentverdier plassert i kolonne "A" i cellene 2 til 25, og funksjonsverdier plasseres i kolonne "B" i tilsvarende celler. De deriverte verdiene skal plasseres i kolonne "C". Så i celle "C3" bør du skrive inn formel (5) i skjemaet:
= (B4 – B2)/(A4 – A2)
og kopier (strekk) til alle celler i området C4:C24.
1.3.6 Bestemmelse av polynomkoeffisienter ved minste kvadraters metode,
tilnærmet et datasett
Når du presenterer numerisk informasjon grafisk, er det ofte behov for å tegne en linje langs de eksperimentelle punktene, og avsløre egenskapene til den oppnådde avhengigheten. Dette gjøres for å bedre oppfatte informasjon og lette videre analyse av data som har noe spredning på grunn av målefeil. Ofte, basert på en teoretisk analyse av fenomenet som studeres, er det kjent på forhånd hvilken form denne linjen skal ha. For eksempel er det kjent at avhengigheten av hastigheten til en kjemisk prosess ( v) på temperatur må være eksponentiell, og eksponenten representerer den inverse temperaturen på en absolutt skala:
Dette betyr at på grafen i ln-koordinater v– 1/T skal resultere i en rett linje,
vinkelkoeffisienten som karakteriserer aktiveringsenergien ( E) prosess. Som regel kan flere rette linjer med ulike helninger trekkes gjennom forsøkspunkter. I en viss forstand vil den beste av dem være en rett linje med koeffisienter bestemt av minste kvadraters metode.
I det generelle tilfellet brukes minste kvadraters metode for å finne koeffisientene som tilnærmer avhengigheten y (x 1 , x 2 ,…x n) polynom av formen
Hvor b Og m 1 …m n er konstante koeffisienter, og x 1 …x n– et sett med uavhengige argumenter. Det vil si at i det generelle tilfellet brukes metoden til å tilnærme en funksjon av flere variabler, men den er også anvendelig for å beskrive en kompleks funksjon av en variabel x. I dette tilfellet antas det vanligvis
og det tilnærmede polynomet har formen
Når du velger graden av det tilnærmede polynomet n husk at det må være mindre enn antall målte verdier x Og y. I nesten alle tilfeller bør det ikke være mer enn 4, sjelden 5.
Denne metoden er så viktig at Excel-regneark har minst fire alternativer for å oppnå verdiene til de nødvendige koeffisientene. Vi anbefaler å bruke LINEST()-funksjonen hvis du arbeider i Excel-regneark i Microsoft Office, eller LINEST()-funksjonen i Calc-regneark i OpenOffice. De er presentert i listen over statistiske funksjoner, tilhører klassen av såkalte matrisefunksjoner og har i forbindelse med dette en rekke applikasjonsfunksjoner. For det første legges den ikke inn i én celle, men umiddelbart i et område (rektangulært område) av celler, siden funksjonen returnerer flere verdier. Den horisontale størrelsen på området bestemmes av antall koeffisienter til det tilnærmede polynomet (i eksemplet under vurdering er det to: ln v 0 og E/R), og vertikalt kan allokeres fra én til fem linjer, avhengig av hvor mye statistisk informasjon som trengs for analysen.
1.3.7 Presentasjon av resultater
Ved presentasjon av numeriske data skal et vitenskapelig og teknisk dokument gi en vurdering av deres pålitelighet og fremheve tilfeldige og systematiske feil. De gitte datafeilene må presenteres i samsvar med GOST 8.207–76.
Ved statistisk behandling av en gruppe observasjonsresultater bør følgende operasjoner utføres: eliminere kjente systematiske feil fra observasjonsresultatene;
Beregn det aritmetiske gjennomsnittet av de korrigerte observasjonsresultatene, tatt som måleresultatet; beregne estimatet for standardavviket til måleresultatet;
Beregn konfidensgrensene for den tilfeldige feilen (tilfeldig komponent av feilen) til måleresultatet;
Beregn grensene for den ikke-ekskluderte systematiske feilen (ikke-ekskluderte rester av den systematiske feilen) av måleresultatet; beregne konfidensgrensene for feilen til måleresultatet.
For å bestemme konfidensgrensene for feilen til måleresultatet, konfidenssannsynligheten R tatt lik 0,95. Med en symmetrisk konfidensfeil presenteres måleresultatene i skjemaet:
hvor er måleresultatet, ∆ er feilgrensen for måleresultatet, R– tillitssannsynlighet. Den numeriske verdien av måleresultatet må ende med et siffer med samme siffer som feilverdien ∆.
2 Beskrivelse av laboratoriearbeid
Den første delen av hver seksjon viet til spesifikt laboratoriearbeid gir informasjon om sammensetningen og strukturen til faser, mekanismen for prosesser som skjer i en fase eller i grensesnittet med nabofaser, minimum som er nødvendig for å forstå essensen av fenomenet som studeres i arbeidet. Hvis informasjonen som gis ikke er nok, bør du se forelesningsnotatene og anbefalt litteratur. Uten å forstå første del av avsnittet er det umulig å forestille seg hva som skjer i systemet som studeres etter hvert som arbeidet skrider frem, å formulere og forstå konklusjoner basert på de oppnådde resultatene.
Den neste delen av hver seksjon er viet til maskinvare- eller programvareimplementering av en ekte installasjon, eller en datamodell. Her finner du informasjon om utstyret som brukes og algoritmene som brukes. Uten å forstå denne delen, er det umulig å vurdere kildene til feil og hvilke tiltak som bør iverksettes for å minimere deres innvirkning.
Den siste delen beskriver prosedyren for å utføre målinger og bearbeide resultatene deres. Alle disse spørsmålene sendes inn til et kollokvium før arbeid eller datamaskintesting.
2.1 Studie av kinetikken til høytemperaturoksidasjon av jern (Arbeid nr. 13)
2.1.1 Generelle mønstre for jernoksidasjon
I henhold til prinsippet om sekvensen av transformasjoner A.A. Baikov, på overflaten av jern, under høytemperaturoksidasjon med atmosfærisk oksygen, dannes alle oksider som er termodynamisk stabile under disse forholdene. Ved temperaturer over 572°C består belegget av tre lag: wustitt FeO, magnetitt Fe 3 O 4, hematitt Fe 2 O 3. Wustittlaget nærmest jernet, som utgjør ca. 95 % av tykkelsen på hele belegget, har p-halvlederegenskaper. Dette betyr at i det kationiske subgitteret til FeO er det en betydelig konsentrasjon av ledige toverdige jern, og elektrisk nøytralitet er sikret på grunn av utseendet til elektron-"hull", som er partikler av jern-jern. Det anioniske subgitteret til wüstitt, som består av negativt ladede O 2 - ioner, er praktisk talt defektfritt; tilstedeværelsen av ledige plasser i kationundergitteret øker diffusjonsmobiliteten til Fe 2+ partikler gjennom wüstitt betydelig og reduserer dets beskyttende egenskaper.
Det mellomliggende laget av magnetitt er et oksid med støkiometrisk sammensetning, som har en lav konsentrasjon av defekter i krystallgitteret og som et resultat har økte beskyttende egenskaper. Dens relative tykkelse er gjennomsnittlig 4%.
Det ytre skalalaget - hematitt - har n-type ledningsevne. Tilstedeværelsen av oksygenvakanser i anionundergitteret letter diffusjonen av oksygenpartikler gjennom det, sammenlignet med jernkationer. Den relative tykkelsen på Fe 2 O 3-laget overstiger ikke 1 % .
Ved temperaturer under 572°C er wustitt termodynamisk ustabil, så skalaen består av to lag: magnetitt Fe 3 O 4 (90 % av tykkelsen) og hematitt Fe 2 O 3 (10 %).
Dannelsen av en kontinuerlig beskyttende film av kalk på overflaten av jernet fører til at det skilles fra luftatmosfæren. Ytterligere oksidasjon av metallet utføres på grunn av diffusjon av reagenser gjennom oksidfilmen. Den heterogene prosessen som vurderes består av følgende trinn: tilførsel av oksygen fra volumet av gassfasen til grensen med oksidet ved molekylær eller konvektiv diffusjon; O2-adsorpsjon på oksidoverflaten; ionisering av oksygenatomer med dannelse av O 2– anioner; diffusjon av oksygenanioner i oksidfasen til grensen med metallet; ionisering av jernatomer og deres overgang til skala i form av kationer; diffusjon av jernkationer i oksidet til grensen med gassen; krystallkjemisk handling av dannelse av nye deler av oksidfasen.
Diffusjonsmåten for metalloksidasjon realiseres hvis det mest hemmede stadiet er transporten av Fe 2+ eller O 2– partikler gjennom belegg. Tilførselen av molekylært oksygen fra gassfasen skjer relativt raskt. Når det gjelder det kinetiske regimet, er de begrensende stadiene adsorpsjon eller ionisering av partikler, så vel som handlingen av krystallkjemisk transformasjon.
Utledningen av den kinetiske ligningen for jernoksidasjonsprosessen for tilfellet med trelagsskala er ganske tungvint. Det kan forenkles betydelig, uten å endre de endelige konklusjonene, hvis vi vurderer skalaen til å være homogen i sammensetning og tar hensyn til diffusjonen gjennom den av bare Fe 2+ kationer.
La oss betegne med D diffusjonskoeffisient av Fe 2+ partikler i skala, k-t, C 1 og MED 2 likevektskonsentrasjoner av jernkationer ved grensesnittet med henholdsvis metall og luft, h- tykkelsen på oksidfilmen, S– prøveoverflate, – oksidtetthet, M– dens molare masse. Deretter, i samsvar med lovene for formell kinetikk, den spesifikke hastigheten for den kjemiske reaksjonen av jern med oksygen per overflateenhet av prøven ( v r) bestemmes av relasjonen:
I stasjonær tilstand er det lik tettheten til diffusjonsfluksen til Fe 2+ partikler.
Tatt i betraktning at den totale hastigheten på den heterogene oksidasjonsprosessen er proporsjonal med veksthastigheten til dens masse
(13.3)
kan utelukkes C 2 fra ligningene (13.1) og (13.2) og få avhengigheten av skalamassen på tid:
(13.4)
Fra det siste forholdet er det klart at det kinetiske regimet til prosessen realiseres som regel i det første oksidasjonsøyeblikket, når tykkelsen på oksidfilmen er liten og dens diffusjonsmotstand kan neglisjeres. Veksten av skalalaget bremser diffusjonen av reagenser, og prosessmodusen endres over tid til diffusjon.
En mer streng tilnærming utviklet av Wagner i ione-elektron-teorien om høytemperaturoksidasjon av metaller gjør det mulig å kvantitativt beregne hastighetskonstanten til den parabolske loven om filmvekst ved å bruke data fra uavhengige eksperimenter på den elektriske ledningsevnen til oksider:
hvor ∆ G- endring i Gibbs-energien for metalloksidasjonsreaksjonen, M– molar masse av oksidet, – dets spesifikke elektriske ledningsevne, t jeg- brøkdel av ionisk ledningsevne, z- metall valens, F– Faraday konstant.
Når du studerer kinetikken for dannelsen av veldig fine ( 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( en τ+ B), samt kubikk h 3 = Kτ (oksider – halvledere s-type) eller invers logaritmisk 1/ h = C K ln(τ) ( n- type ledningsevne) med en langsomhet i metallioneoverføringstrinnet.
2.1.2 Beskrivelse av installasjonen og prosedyre for gjennomføring av eksperimenter
Kinetikken til jernoksidasjon studeres ved hjelp av den gravimetriske metoden, som gjør det mulig å registrere endringen i massen til prøven over tid under forsøket. Installasjonsskjemaet er vist i figur 1.
Figur 1 – Eksperimentelt oppsettdiagram:
1 - jernprøve under utredning; 2 - elektrisk motstandsovn; 3 - mekanoelektrisk omformer E 2D1; 4 – personlig datamaskin med ADC-kort.
En metallprøve (1), hengt opp på en nikromkjede fra vippearmen til den mekanoelektriske omformeren E 2D1 (3), plasseres i en vertikal rørformet ovn med elektrisk motstand (2). Utgangssignalet E 2D1, proporsjonalt med endringen i prøvemasse, mates til ADC-kortet på datamaskinen som en del av installasjonen. Den konstante temperaturen i ovnen opprettholdes av en automatisk regulator; den nødvendige temperaturen for eksperimentet stilles inn av den aktuelle oppringeren på ovnens dashbord som anvist av læreren (800 - 900 °C).
Basert på resultatene av arbeidet bestemmes hastighetskonstanten for jernoksidasjonsreaksjonen og diffusjonskoeffisienten til dens ioner i oksidfilmen og om mulig aktiveringsenergien til den kjemiske reaksjonen og diffusjonen. Illustrer grafisk avhengigheten av endringen i prøvemasse og hastigheten på oksidasjonsprosessen i tide.
2.1.3 Bearbeiding og presentasjon av måleresultater
Den mekanoelektriske transduseren er utformet på en slik måte at en del av massen til det målte objektet kompenseres av en spiralfjær. Størrelsen er ukjent, men den bør forbli konstant under målinger. Som det følger av beskrivelsen av måleteknikken, er det nøyaktige tidspunktet (0) for begynnelsen av oksidasjonsprosessen ikke kjent, siden det ikke er kjent når prøven vil oppnå en temperatur som er tilstrekkelig for utvikling av oksidasjonsprosessen. Inntil det øyeblikket da prøven faktisk begynner å oksidere, er massen lik massen til det opprinnelige metallet ( m 0). Det faktum at vi ikke måler hele massen, men bare dens ukompenserte del, endrer ikke sakens essens. Forskjellen mellom den nåværende massen til prøven ( m) og metallets begynnelsemasse representerer skalamassen, derfor bør formel (13.4) for reelle eksperimentelle forhold presenteres i formen:
(13.6)
i hvilken m– målt verdi av den gjenværende ukompenserte delen av prøvemassen, m 0– det samme før starten av oksidasjonsprosessen ved lav temperatur på prøven. Fra dette forholdet er det klart at prøvemassens eksperimentelle avhengighet av tid bør beskrives med en ligning av formen:
, (13.7)
hvis koeffisienter, basert på de oppnådde måleresultatene, kan finnes ved minste kvadraters metode. Dette er illustrert med en typisk graf i fig. Punktene er måleresultatene, linjen oppnås ved å tilnærme dataene ved ligning 13.7
Punkter markert med kryss er uteliggere og bør ikke tas i betraktning ved beregning av koeffisientene til ligning 13.7 ved bruk av minste kvadraters metode.
Ved å sammenligne formlene (13.6) og (13.7) er det enkelt å koble de funnet koeffisientene med de fysiske og kjemiske mengdene som bestemmer dem:
(13.8)
I det gitte eksemplet viste verdien av m0 - verdien på ordinataksen ved = 0, å være lik 18,1 mg.
Ved å bruke disse verdiene vil verdien av prøveområdet oppnådd under forberedelse til eksperimentet ( S) og tettheten av wustitt hentet fra litteraturen (= 5,7 g/cm 3) kan være
estimer forholdet mellom diffusjonskoeffisienten og hastighetskonstanten til oksidasjonsprosessen:
(13.13)
Dette forholdet karakteriserer tykkelsen på skalafilmen der diffusjonshastighetskonstanten er lik hastighetskonstanten for den kjemiske reaksjonen av metalloksidasjon, som tilsvarer definisjonen av en strengt blandet reaksjonsmodus.
Basert på resultatene av arbeidet, bør alle verdier bestemmes ved hjelp av formler (13.7, 13.11 – 13.13): b 0 , b 1 , b 2 , m 0, 0 og D /K. For å illustrere resultatene bør det gis en graf over avhengigheten m– . Sammen med de eksperimentelle verdiene, er det tilrådelig å presentere en tilnærmet kurve.
Basert på måleresultatene må du fylle ut følgende tabell:
Tabell 1. Resultater av studiet av jernoksidasjonsprosessen.
I en tabell fylles de to første kolonnene ut når datafilen åpnes, og resten beregnes. Utjevning utføres ved 5 punkter. Ved bestemmelse av koeffisientene til det tilnærmede polynomet, brukes den første, tredje og fjerde kolonnen samtidig. Den siste kolonnen skal vise resultatene av tilnærming med polynom (13.7) ved å bruke koeffisientene funnet med minste kvadraters metode. Grafen er konstruert ved hjelp av første, tredje og femte kolonne.
Hvis flere elever utfører arbeidet, utfører hver av dem eksperimentet ved sin egen temperatur. Felles behandling av resultatene av å vurdere tykkelsen på skalalaget i en strengt blandet modus () gjør det mulig å estimere forskjellen i aktiveringsenergiene til diffusjon og kjemisk reaksjon. Faktisk er den åpenbare formelen gyldig her:
(13.14)
Lignende prosessering av koeffisienter b 2 lar oss estimere aktiveringsenergien til diffusjon. Formelen er riktig her:
(13.15)
Hvis målingene ble utført ved to temperaturer, gjøres estimatene direkte ved å bruke formlene (13.4) og (13.15); hvis det er mer enn to temperaturverdier, bør minste kvadraters metode brukes for funksjonene ln () – 1/T Og ln (b 2) – 1/T. De oppnådde verdiene er gitt i slutttabellen og diskutert i konklusjonene.
Prosedyre for behandling av arbeidsresultater
2. Konstruer en avhengighetsgraf på et eget ark m– , visuelt identifisere og fjerne avvikende verdier.
3. Utjevn de målte masseverdiene.
4. Regn ut kvadratene av masseendringen
5. Finn koeffisientene ved hjelp av minste kvadraters metode b 0 , b 1 , b 2 ligninger som tilnærmer avhengigheten av masseendring over tid.
6. Beregn masseanslaget ved begynnelsen av målingene i samsvar med den tilnærmede ligningen
7. Analyser tilnærmingsresultatene ved hjelp av sortering og eliminer feil verdier
8. Vis resultatene av tilnærmingen på avhengighetsgrafen m – .
9. Beregn egenskapene til systemet og prosessen: m 0 , 0 , D /K .
Testresultater:
en. I celle "A1" - overflatearealet til prøven, i den tilstøtende cellen "B1" - måleenheter;
b. I celle "A2" - massen til den opprinnelige prøven, i celle "B2" - måleenheter;
c. I celle "A3" - temperaturen på eksperimentet, i celle "B3" - måleenheter;
d. I celle "A4" - tykkelsen på skalalaget i strengt blandet modus, i celle "B4" - måleenheter;
e. Med utgangspunkt i celle "A10", bør konklusjoner om arbeidet være tydelig formulert.
Cellene A6-A7 skal inneholde referanser til celler på andre ark i regnearkboken som det ble utført beregninger på for å oppnå det presenterte resultatet, og ikke de numeriske verdiene selv! Hvis dette kravet ikke er oppfylt, gir bekreftelsesprogrammet meldingen "Informasjonsinnsendingsfeil."
2. Korrekt utformet avhengighetsgraf m– oppnådd eksperimentelt (poeng) og tilnærmet med et polynom (linje), på et eget ark med elektroniske tabeller med alle nødvendige signaturer og notasjoner.
Kontrollspørsmål
1. Hva er strukturen av belegg oppnådd på jern under høytemperaturoksidasjon i en luftatmosfære?
2. Hvorfor fører utseendet til wüstittfasen i skalaen til en kraftig økning i jernoksidasjonshastigheten?
3. Hva er stadiene i den heterogene prosessen med jernoksidasjon?
4. Hva er forskjellen mellom diffusjonsmodusen for jernoksidasjon og den kinetiske?
5. Hva er prosedyre og metodikk for å utføre arbeidet?
6. Hvordan identifisere modusen for oksidasjonsprosessen?
2.2 Studie av temperaturavhengigheten til den spesifikke elektriske ledningsevnen til oksidsmelter (arbeid nr. 14)
2.2.1 Generell informasjon om arten av elektrisk ledningsevne til slagger
Studiet av avhengigheten av den spesifikke elektriske ledningsevnen til slagger av deres sammensetning og temperatur er av stor betydning for metallurgi, både teoretisk og i bruk. Verdien av elektrisk ledningsevne kan ha en betydelig innvirkning på hastigheten på de viktigste reaksjonene mellom metall og slagg i stålproduksjonsprosesser, på produktiviteten til metallurgiske enheter, spesielt i elektroslaggteknologier eller lysbueovner for smelting av syntetisk slagg, hvor intensiteten av varmefrigjøring avhenger av mengden elektrisk strøm som passerer gjennom smelten. I tillegg gir spesifikk elektrisk ledningsevne, som er en strukturelt sensitiv egenskap, indirekte informasjon om strukturen til smelter, konsentrasjonen og typen av ladede partikler.
I henhold til ideene om strukturen til oksidsmelter, spesielt formulert av den vitenskapelige skolen til professor O.A. Esin, kan ikke uladede partikler være tilstede i dem. Samtidig varierer ionene i smelten mye i størrelse og struktur. Basiske oksidelementer er tilstede i form av enkle ioner, for eksempel Na +, Ca 2+, Mg 2+, Fe 2+, O 2-. Tvert imot har grunnstoffer med høy valens, som danner sure (sure) oksider, som SiO 2, TiO 2, B 2 O 3, i form av et ion, et så høyt elektrostatisk felt at de ikke kan være i smelten som enkle Si 4+ ioner. Ti 4+ , B 3+ . De bringer oksygenanioner så nært seg selv at de danner kovalente bindinger med dem og er tilstede i smelten i form av komplekse anioner, de enkleste er for eksempel SiO 4 4, TiO 4 4-, BO 3 3- , BO 4 5-. Komplekse anioner har evnen til å komplisere strukturen deres, og kombineres til to- og tredimensjonale strukturer. For eksempel kan to silisium-oksygentetraedere (SiO 4 4-) kobles sammen ved toppunktene, og danner den enkleste lineære kjeden (Si 2 O 7 6-). Dette frigjør ett oksygenion:
SiO44- + SiO44- = Si2O76- + O2-.
Disse problemstillingene kan sees mer detaljert, for eksempel i pedagogisk litteratur.
Elektrisk motstand R vanlige lineære ledere kan bestemmes ut fra relasjonen
hvor er resistiviteten, L- lengde, S– lederens tverrsnittsareal. Mengden kalles den spesifikke elektriske ledningsevnen til stoffet. Fra formel (14.1) følger det,
Dimensjonen på elektrisk ledningsevne er uttrykt i Ohm –1 m –1 = S/m (S – Siemens). Spesifikk elektrisk ledningsevne karakteriserer den elektriske ledningsevnen til et smeltevolum innelukket mellom to parallelle elektroder med et areal på 1 m 2 og plassert i en avstand på 1 m fra hverandre.
I et mer generelt tilfelle (ujevnt elektrisk felt) er elektrisk ledningsevne definert som en proporsjonalitetskoeffisient mellom strømtettheten Jeg i en leder og den elektriske potensialgradienten:
Utseendet til elektrisk ledningsevne er assosiert med overføring av ladninger i et stoff under påvirkning av et elektrisk felt. I metaller involverer overføring av elektrisitet ledningsbåndelektroner, hvis konsentrasjon er praktisk talt uavhengig av temperatur. Med økende temperatur avtar den spesifikke elektriske ledningsevnen til metaller, fordi konsentrasjonen av "frie" elektroner forblir konstant, og bremseeffekten på dem av den termiske bevegelsen til ionene i krystallgitteret øker.
I halvledere er elektriske ladningsbærere kvasifrie elektroner i ledningsbåndet eller vakanser i valensenergibåndet (elektronhull), som oppstår på grunn av termisk aktiverte overganger av elektroner fra donornivåer til ledningsbåndet til halvlederen. Med økende temperatur øker sannsynligheten for slike aktiverte overganger, og konsentrasjonen av elektriske strømbærere og elektrisk ledningsevne øker tilsvarende.
I elektrolytter, som inkluderer oksidsmelter, deltar som regel følgende ioner i overføringen av elektrisitet: Na +, Ca 2+, Mg 2+, SiO 4 4–, BO 2 – og andre. Hver av ionene ј -th type kan bidra til den totale verdien av den elektriske strømtettheten i samsvar med det kjente forholdet
hvor er den delvise elektriske ledningsevnen; Dј , Cј , z ј– diffusjonskoeffisient, konsentrasjon og ladning av ionet ј -th klasse; F– Faraday konstant; T- temperatur; R
Tydeligvis summen av mengder Jeg lik den totale strømtettheten Jeg assosiert med bevegelsen av alle ioner, og den spesifikke elektriske ledningsevnen til hele smelten er summen av de partielle ledningsevnene.
Bevegelsen av ioner i elektrolytter er en aktiveringsprosess. Dette betyr at under påvirkning av et elektrisk felt beveger ikke alle ioner seg, men bare de mest aktive, som har et visst overskudd av energi sammenlignet med gjennomsnittsnivået. Denne overflødige energien, kalt aktiveringsenergien til elektrisk ledningsevne, er nødvendig for å overvinne kreftene til interaksjonen til et gitt ion med omgivelsene, samt for å danne en tomhet (hulrom) som den går inn i. Antall aktive partikler, i samsvar med Boltzmanns lov, øker med
økende temperatur i henhold til en eksponentiell lov. Derfor 
. Sledova-
Derfor, i samsvar med (14.5), bør temperaturavhengigheten til den elektriske ledningsevnen beskrives ved summen av eksponentialer. Det er imidlertid kjent at når partikkelstørrelsen øker, øker også aktiveringsenergien deres betydelig. Derfor, i forhold (14,5), blir bidraget fra store ioner med lav mobilitet som regel neglisjert, og for resten blir delverdiene gjennomsnittet.
Som et resultat tar temperaturavhengigheten til den spesifikke elektriske ledningsevnen til oksidsmelter følgende form:
(14.6)
som stemmer godt overens med eksperimentelle data.
Typiske verdier for metallurgiske slagger som inneholder oksider CaO, SiO 2, MgO, Al 2 O 3 er i området 0,1 – 1,0 S cm –1 nær likvidustemperaturen, som er betydelig mindre enn den elektriske ledningsevnen til flytende metaller (10 5 –10 7 S cm–1). Aktiveringsenergien til elektrisk ledningsevne er nesten uavhengig av temperaturen i basiske slagger, men kan avta litt med økende temperatur i sure smelter på grunn av deres depolymerisering. Vanligvis ligger verdien i området 40–200 kJ/mol, avhengig av sammensetningen av smelten.
Ved økt innhold (over 10%) av jernoksider (FeO, Fe 2 O 3) eller andre overgangsmetalloksider (for eksempel MnO, V 2 O 3, Cr 2 O 3), arten av den elektriske ledningsevnen til slagget endringer, fordi i tillegg til den ioniske ledningsevnen i dem vises en betydelig del av elektronisk ledningsevne. Den elektroniske komponenten av konduktivitet i slike smelter skyldes bevegelsen av elektroner eller elektron-"hull" langs en relémekanisme fra et overgangsmetallkation med lavere valens til et kation med høyere valens gjennom R-orbitaler til oksygenionet som ligger mellom disse partiklene.
Den svært høye mobiliteten til elektroner i kombinasjonene Me 2+ – O 2– – Me 3+, til tross for deres relativt lave konsentrasjon, øker den elektriske ledningsevnen til slagger kraftig. Dermed kan den maksimale verdien av æ for rene jernsmelter FeO – Fe 2 O 3 være
10 2 S cm –1 , gjenstår imidlertid betydelig mindre enn metaller.
2.2.2 Beskrivelse av installasjon og måleprosedyre
Arbeidet bestemmer den spesifikke elektriske ledningsevnen til smeltet natriumtetraborat Na 2 O·2B 2 O 3 i temperaturområdet 700 – 800 °C. For å eliminere komplikasjoner forbundet med tilstedeværelsen av metall-elektrolytt-grensesnittmotstand, må studiet av elektrisk ledningsevne utføres under forhold der grensesnittmotstanden er ubetydelig. Dette kan oppnås ved å bruke vekselstrøm med tilstrekkelig høy frekvens (≈ 10 kHz) i stedet for likestrøm.
Det elektriske kretsskjemaet til installasjonen er vist i figur 2.
Figur 2. Elektrisk kretsdiagram av installasjonen for måling av den elektriske ledningsevnen til slagger:
ZG - lydfrekvensgenerator; PC - personlig datamaskin med et lydkort; Yach-løsning og Yach sl - elektrokjemiske celler som inneholder en vandig løsning av henholdsvis KCl eller slagg; R fl – referansemotstand med kjent verdi.
Vekselstrøm fra en lydfrekvensgenerator tilføres en celle som inneholder slagg og en referansemotstand med kjent verdi koblet i serie med den. Ved hjelp av PC-lydkortet måles spenningsfallet over cellen og referansemotstanden. Siden strømmen som går gjennom Rfl og Yach er den samme
(14.7)
Laboratorieinsberegner, viser og skriver til en fil forholdsverdien ( r) amplitudeverdier av vekselstrøm ved utgangen til lydgeneratoren ( U zg) og på målecellen ( U celle):
Når du vet det, kan du bestemme cellemotstanden
hvor er cellekonstanten.
For å bestemme K celle i forsøksoppsettet brukes en hjelpecelle, lik den som studeres med tanke på geometriske parametere. Begge elektrokjemiske cellene er korundbåter med en elektrolytt. De inneholder to sylindriske metallelektroder med samme tverrsnitt og lengde, plassert i samme avstand fra hverandre, for å sikre et konstant forhold (L/S) eff.
Cellen som studeres inneholder en smelte av Na 2 O · 2B 2 O 3 og plasseres i en varmeovn ved en temperatur på 700 – 800 °C. Hjelpecellen er ved romtemperatur og fylt med en 0,1 N vandig løsning av KCl, hvis elektriske ledningsevne er 0,0112 S cm –1. Kjenne til den elektriske ledningsevnen til løsningen og bestemme (se formel 14.9) den elektriske motstanden
hjelpecelle (
2.2.3 Arbeidsordre
A. Drift ved hjelp av et sanntidsmålesystem
Før du starter målingene, må ovnen varmes opp til en temperatur på 850 °C. Installasjonsprosedyren er som følger:
1. Etter å ha fullført initialiseringsprosedyren i samsvar med instruksjonene på monitorskjermen, slå av ovnen, sett "1 - referansemotstand"-bryteren til "1 - Hi"-posisjon og følg ytterligere instruksjoner.
2. Etter at indikasjonen “Switch 2 – to the “solution” position” vises, bør du følge den, og inntil indikasjonen “Switch 2 – to the 'MELT” position” vises, registrerer du motstandsforholdsverdiene som vises hvert 5. sekund.
3. Følg den andre instruksjonen og overvåk temperaturendringen. Så snart temperaturen synker under 800 °C, bruk "Xs"-tastaturkommandoen for å slå på grafvisningen og registrere temperaturverdiene og motstandsforholdene hvert 5. sekund.
4. Etter avkjøling av smelten til en temperatur under 650 °C, bør målinger initialiseres for den andre eleven som utfører arbeid på denne installasjonen. Sett bryteren "1 - referansemotstand" til posisjon "2 - Lo", og fra det øyeblikket begynner den andre eleven å registrere temperaturverdier og motstandsforhold hvert 5. sekund.
5. Når smelten er avkjølt til en temperatur på 500 °C eller motstandsforholdet når en verdi nær 6, bør målingene stoppes ved å gi "Xe"-kommandoen fra tastaturet. Fra dette øyeblikket må den andre eleven flytte bryter 2 til 'løsning'-posisjonen og skrive ned ti motstandsforholdsverdier.
B. Arbeide med data som tidligere er skrevet til en fil
Etter aktivering av programmet vises en melding om verdien av referansemotstanden på skjermen og flere motstandsforholdsverdier vises sekvensielt ( r) kalibreringscelle. Etter gjennomsnittsberegning vil disse dataene tillate deg å finne installasjonskonstanten.
Deretter vises temperatur- og motstandsforholdsverdiene for målecellen med noen sekunders mellomrom på skjermen. Denne informasjonen vises på en graf.
Programmet slår seg automatisk av og sender alle resultater til lærerens PC.
2.2.4 Bearbeiding og presentasjon av måleresultater
Basert på måleresultatene bør du fylle ut en tabell med følgende overskrift:
Tabell 1. Temperaturavhengighet av den elektriske ledningsevnen til Na 2 O 2B 2 O 3-smelten
I en tabell fylles de to første kolonnene ut når datafilen åpnes, og resten beregnes. Ved å bruke dem bør du plotte avhengigheten ln() – 10 3 /T og bruke minste kvadraters metode (LINEST-funksjonen i OpenOffice.Calc) for å bestemme verdien av aktiveringsenergien. En tilnærmet rett linje skal vises på grafen. Du bør også plotte en graf over elektrisk ledningsevne versus temperatur. Prosedyre for behandling av resultater
1. Legg inn registreringer av måleresultater i en regnearkfil.
2. Beregn gjennomsnittlig motstandsforhold for kalibreringscellen.
3. Beregn installasjonskonstanten.
4. Bygg en avhengighetsgraf r – t, visuelt identifisere og fjerne avvikende verdier. Hvis det er et stort antall av dem, bruk sortering.
5. Beregn motstanden til målecellen, den elektriske ledningsevnen til oksidsmelten ved forskjellige temperaturer, logaritmen til den elektriske ledningsevnen og den inverse absolutte temperaturen
b 0 , b 1 av ligningen som tilnærmer avhengigheten av logaritmen til elektrisk ledningsevne på den inverse temperaturen, og beregn aktiveringsenergien.
7. Plott på et eget ark en graf over avhengigheten av logaritmen for elektrisk ledningsevne på den inverse temperaturen og gi en tilnærmet avhengighet Testresultater:
1. I regnearkboken som sendes inn for vurdering, må den første siden med tittelen «Resultater» inneholde følgende informasjon:
en. I celle "A1" - starttemperaturen, i celle "B1" - måleenheter;
c. I celle "A3" - aktiveringsenergi for elektrisk ledningsevne, i celle "B3" - måleenheter;
d. I celle "A4" - den pre-eksponentielle faktoren i formelen for temperaturavhengighet av elektrisk ledningsevne, i celle "B4" - måleenheter;
e. Med utgangspunkt i celle "A5", bør konklusjoner om arbeidet være tydelig formulert.
Cellene A1-A4 skal inneholde referanser til celler på andre ark i regnearkboken som det ble utført beregninger på for å oppnå det presenterte resultatet, og ikke de numeriske verdiene selv! Hvis dette kravet ikke er oppfylt, gir bekreftelsesprogrammet meldingen "Informasjonsinnsendingsfeil."
2. En korrekt utformet graf over avhengigheten av logaritmen til elektrisk ledningsevne på den inverse temperaturen oppnådd fra eksperimentelle data (punkter) og tilnærmet med et polynom (linje), på et eget ark med regneark med alle nødvendige signaturer og notasjoner.
Kontrollspørsmål
1. Hva kalles elektrisk ledningsevne?
2. Hvilke partikler bestemmer den elektriske ledningsevnen til slagger?
3. Hva er karakteren av temperaturavhengigheten til den elektriske ledningsevnen til metaller og oksidsmelter?
4. Hva er cellekonstanten avhengig av og hvordan bestemmes den?
5. Hvorfor trenger du å bruke vekselstrøm for å bestemme?
6. Hvordan er aktiveringsenergien til elektrisk ledningsevne avhengig av temperatur?
7. Hvilke sensorer og instrumenter brukes i laboratorieoppsettet. Hvilke fysiske mengder tillater de å registrere?
8. Hvilke grafer (i hvilke koordinater) skal presenteres basert på resultatene av arbeidet?
9. Hvilke fysisk-kjemiske mengder bør oppnås etter bearbeiding av primærdataene?
10. Bestem hvilke målinger som skal tas før eksperimentet, hvilke verdier som registreres under eksperimentet, hvilke data som er relatert til primærinformasjonen, hvilken behandling den gjennomgår og hvilken informasjon som innhentes.
2.3 Studie av kinetikken til metallavsvovling med slagg på en simuleringsmodell (Arbeid nr. 15)
2.3.1 Generell informasjon om kinetikken til metallavsvovling med slagg
Svovelurenheter i stål, i mengder over 0,005 vekt. %, reduserer dets mekaniske, elektriske, anti-korrosjon og andre egenskaper betydelig, svekker sveisbarheten til metallet og fører til rødhet og kaldsprøhet. Derfor er prosessen med stålavsvovling, som skjer spesielt effektivt med slagg, av stor betydning for metallurgi av høy kvalitet.
Studiet av reaksjonens kinetiske lover, identifisering av dens mekanisme og forekomstmåte er nødvendig for effektiv kontroll av avsvovlingshastigheten, fordi Under reelle forhold for metallurgiske enheter oppnås vanligvis ikke likevektsfordelingen av svovel mellom metall og slagg.
I motsetning til de fleste andre urenheter i stål, er overgangen av svovel fra metall til slagg en reduserende prosess, ikke en oksidativ prosess [S] +2e = (S 2–).
Dette betyr at for den kontinuerlige forekomsten av den katodiske prosessen, som fører til akkumulering av positive ladninger på metallet, er det nødvendig med en samtidig overgang av andre partikler som er i stand til å donere elektroner til metallfasen. Slike medfølgende anodiske prosesser kan være oksidasjon av slaggoksygenanioner eller partikler av jern, karbon, mangan, silisium og andre metallurenheter, avhengig av sammensetningen av stålet.
2. (O 2–) = [O] + 2e,
3. = (Fe 2+) + 2e,
4. [C] + (O 2–) = CO + 2e, 5. = (Mn 2+) +2e.
Sammenlagt lar den katodiske og en hvilken som helst anodisk prosess oss skrive den støkiometriske ligningen for avsvovlingsreaksjonen i følgende form, for eksempel:
1-2. (CaO) + [S] = (CaS) + [O], H = -240 kJ/mol
1-3. + [S] +(CaO)= (FeO) + (CaS). H = -485 kJ/mol
De tilsvarende uttrykkene for likevektskonstantene har formen
(15.1)
Det er klart at prosessene valgt som eksempel og lignende kan skje samtidig. Av relasjon (15.1) følger det at graden av metallavsvovling ved konstant temperatur, dvs. konstant verdi av likevektskonstanten, øker med økende konsentrasjon av fritt oksygenion (O 2-) i oksidsmelten. Faktisk må økningen i faktoren i nevneren kompenseres med reduksjonen i den andre faktoren for å tilsvare den uendrede verdien av likevektskonstanten. Merk at innholdet av frie oksygenioner øker ved bruk av svært basisk, kalsiumoksid-rik slagg. Ved å analysere relasjon (15.2) kan vi konkludere med at innholdet av jernioner (Fe 2+) i oksidsmelten bør være minimalt, dvs. slagg må inneholde et minimum av jernoksider. Tilstedeværelsen av deoksideringsmidler (Mn, Si, Al, C) i metallet øker også fullstendigheten av stålavsvovlingen ved å redusere (Fe 2+) og [O]-innholdet.
Reaksjon 1-2 er ledsaget av varmeabsorpsjon (∆H>0), derfor vil temperaturen i den metallurgiske enheten synke etter hvert som prosessen skrider frem. Tvert imot, reaksjon 1-3 er ledsaget av frigjøring av varme (∆H<0) и, если она имеет определяющее значение, температура в агрегате будет повышаться.
Når du beskriver avsvovling kinetisk, bør følgende stadier av prosessen vurderes:
Levering av svovelpartikler fra metallvolumet til grensen med slagg, realisert først ved konvektiv diffusjon, og direkte nær metall-slagg-grensesnittet ved molekylær diffusjon; den elektrokjemiske handlingen med å tilsette elektroner til svovelatomer og dannelsen av S 2– anioner; som er en adsorpsjonskjemisk handling, fjerning av svovelanioner inn i slaggvolumet på grunn av molekylær og deretter konvektiv diffusjon.
Lignende stadier er karakteristiske for de anodiske stadiene, med deltagelse av Fe, Mn, Si-atomer eller O 2-anioner. Hvert trinn bidrar til den totale motstanden til avsvovlingsprosessen. Drivkraften for strømningen av partikler gjennom en rekke indikerte motstander er forskjellen i deres elektrokjemiske potensialer i det ikke-likevektsmetall-slagg-systemet eller den proporsjonale forskjellen mellom det faktiske og likevektselektrodepotensialet ved fasegrensesnittet, kalt overspenning .
Hastigheten til en prosess som består av et antall påfølgende trinn bestemmes av bidraget fra trinnet med høyest motstand - begrensende scene. Avhengig av mekanismen til det hastighetsbegrensende trinnet, snakker man om en diffusjons- eller kinetisk reaksjonsmodus. Hvis stadier med forskjellige forekomstmekanismer har sammenlignbare motstander, snakker vi om en blandet reaksjonsmodus. Motstanden til hvert trinn avhenger betydelig av systemets natur og egenskaper, konsentrasjonen av reagenser, intensiteten av faseblanding og temperatur. For eksempel bestemmes hastigheten på den elektrokjemiske virkningen av svovelreduksjon av størrelsen på utvekslingsstrømmen
(15.3)
Hvor I– funksjon av temperatur, C[S] og C(S 2–) – konsentrasjon av svovel i metall og slagg, α – overføringskoeffisient.
Hastigheten til trinnet for svovellevering til fasegrensen bestemmes av den begrensende diffusjonsstrømmen til disse partiklene
Hvor D[S] er svoveldiffusjonskoeffisienten, β er konveksjonskonstanten, bestemt av konveksjonsintensiteten i smelten, den er proporsjonal med kvadratroten av den lineære hastigheten til konveksjonsstrømmer i væsken.
Tilgjengelige eksperimentelle data indikerer at under normale forhold med smeltekonveksjon, skjer den elektrokjemiske handlingen med utladning av svovelioner relativt raskt, dvs. Avsvovling hemmes hovedsakelig av diffusjon av partikler i metallet eller slagget. Men med økende svovelkonsentrasjon i metallet avtar diffusjonsvanskene og prosessmodusen kan endres til kinetisk. Dette forenkles også ved tilsetning av karbon til jern, fordi utslippet av oksygenioner ved karbonmetall-slagggrensen skjer med betydelig kinetisk inhibering.
Det bør huskes at elektrokjemiske ideer om samspillet mellom metaller og elektrolytter gjør det mulig å avklare mekanismen til prosesser og forstå i detalj de forekommende fenomenene. Samtidig beholder enkle ligninger av formell kinetikk fullt ut sin gyldighet. Spesielt, for en grov analyse av eksperimentelle resultater oppnådd med betydelige feil, kan ligningen for reaksjonshastighet 1-3 skrives i sin enkleste form:
Hvor k f og k r – hastighetskonstanter for forover- og bakoverreaksjoner. Dette forholdet er tilfredsstilt hvis løsninger av svovel i jern og kalsiumsulfid og wustitt i slagg kan betraktes som uendelig fortynnet og reaksjonsrekkefølgene for disse reagensene er nær enhet. Innholdet av de gjenværende reagensene i den aktuelle reaksjonen er så høyt at hele interaksjonstiden forblir praktisk talt konstant og deres konsentrasjoner kan inkluderes i konstantene k f og k r
På den annen side, hvis avsvovlingsprosessen er langt fra likevekt, kan hastigheten på den omvendte reaksjonen neglisjeres. Da bør avsvovlingshastigheten være proporsjonal med svovelkonsentrasjonen i metallet. Denne versjonen av beskrivelsen av eksperimentelle data kan verifiseres ved å undersøke forholdet mellom logaritmen til avsvovlingshastigheten og logaritmen til svovelkonsentrasjonen i metallet. Hvis dette forholdet er lineært, og vinkelkoeffisienten til avhengigheten bør være nær enhet, er dette et argument til fordel for prosessens diffusjonsmodus.
2.3.2 Matematisk modell av prosessen
Muligheten for flere anodiske stadier kompliserer i stor grad den matematiske beskrivelsen av prosessene for avsvovling av stål som inneholder mange urenheter. I denne forbindelse ble noen forenklinger introdusert i modellen; spesielt ble kinetiske vanskeligheter i separasjonen neglisjert.
For halvreaksjoner av overgangen av jern og oksygen, i forbindelse med den aksepterte begrensningen på diffusjonskontroll, ser forholdene mye enklere ut:
(15.7)
I samsvar med betingelsen om elektrisk nøytralitet, i fravær av strøm fra en ekstern kilde, uttrykkes forbindelsen mellom strømmene for individuelle elektrodehalvreaksjoner av et enkelt forhold:
Forskjellene i elektrodeoverspenninger () bestemmes av forholdet mellom de tilsvarende produktene av aktiviteter og likevektskonstanter for reaksjonene 1-2 og 1-3:
Derivatet av svovelkonsentrasjonen i metallet med hensyn til tid bestemmes av strømmen til den første elektrodehalvreaksjonen i samsvar med ligningen:
(15.12)
Her Jeg 1 , Jeg 2 – strømtettheter av elektrodeprosesser, η 1, η 2 – deres polarisasjoner, Jeg n – begrensende partikkeldiffusjonsstrømmer ј en slags, Jeg o – utvekslingsstrømmen til det kinetiske trinnet, C[s] – svovelkonsentrasjon i metallet, α – overføringskoeffisient, P, K p er produktet av aktiviteter og likevektskonstanten til avsvovlingsreaksjonen, S– området av metall-slagg-grensesnittet, V Me – volum av metall, T- temperatur, F– Faraday konstant, R– universell gasskonstant.
I samsvar med lovene for elektrokjemisk kinetikk tar ekspresjon (15.6) hensyn til inhiberingen av diffusjonen av jernioner i slagget, siden utladnings-ioniseringsstadiet til disse partiklene å dømme etter de eksperimentelle dataene ikke er begrensende. Uttrykk (15.5) er retardasjonen av diffusjonen av svovelpartikler i slagget og metallet, samt retardasjonen av svovelioniseringen ved grenseflaten.
Ved å kombinere uttrykk (15.6 – 15.12) er det mulig å oppnå, ved hjelp av numeriske metoder, avhengigheten av svovelkonsentrasjonen i metallet på tid for utvalgte forhold.
Modellen bruker følgende parametere:
3) 
Svovelionbytterstrøm:
4) Likevektskonstant for avsvovlingsreaksjonen ( TIL R):
5) Forholdet mellom arealet av interfasegrensen og volumet av metallet
7) Konvektiv konstant (β):
Modellen gjør det mulig å analysere påvirkningen av de listede faktorene på hastigheten og fullstendigheten av avsvovling, samt å evaluere bidraget fra diffusjon og kinetisk inhibering til prosessens totale motstand.
2.3.3 Arbeidsprosedyre
Bildet generert av simuleringsprogrammet er vist i fig. . Øverst på panelet er utvalgte numeriske verdier for de målte mengdene; grafen viser alle verdiene som er oppnådd under prosesssimulering. I betegnelsene på komponentene til metall- og slaggsmelter brukes tilleggssymboler som er akseptert i litteraturen om metallurgiske emner. Firkantede parenteser indikerer at komponenten tilhører en metallsmelte, og runde parentes indikerer at komponenten tilhører en slaggsmelte. Multiplikatorer i komponentbetegnelser brukes kun for plottingsformål og bør ikke tas i betraktning ved tolkning av verdier. Under drift av modellen vises til enhver tid bare verdien av en av de målte mengdene. Etter 6 sekunder forsvinner den og neste verdi vises. I løpet av denne tidsperioden må du ha tid til å skrive ned neste verdi. For å spare tid anbefales det å ikke skrive ned konstante tall, for eksempel den ledende enheten i temperaturverdien.
Fem minutter etter starten av målingene ved klokken i øvre høyre hjørne av installasjonspanelet, ved å trykke samtidig på tastene og [Nei], hvor No er installasjonsnummeret, intensiver hastigheten på faseblandingen.
2.3.4 Bearbeiding og presentasjon av måleresultater
Tabellen over måleresultater generert av simuleringsprogrammet bør suppleres med følgende beregnede kolonner:
Tabell 1. Resultater av statistisk bearbeiding av eksperimentelle data
I tabellen i første kolonne skal du beregne tiden siden begynnelsen av prosessen i minutter.
Videre prosessering utføres etter grafisk konstruksjon - i det første trinnet av behandlingen bør en graf over temperatur versus tid plottes og dataområdet bør vurderes når svovelovergangen hovedsakelig ledsages av jernovergangen. I dette området identifiseres to regioner med identiske blandingshastigheter, og koeffisientene til tilnærmede polynomer av formen blir funnet ved bruk av minste kvadraters metode:
som følger av ligning (15.5) under de angitte forholdene. Ved å sammenligne de oppnådde verdiene av koeffisientene, trekkes konklusjoner om prosessmodusen og graden av tilnærming av systemet til likevektstilstanden. Merk at det ikke er noen dummy-ledd i ligning (15.13).
For å illustrere resultatene av eksperimentet, plott avhengigheten av svovelkonsentrasjon på tid og avsvovlingshastigheten på konsentrasjonen av kalsiumsulfid i slagget.
Prosedyre for behandling av resultater
2. Beregn hastigheten på avsvovlingsprosessen fra svovelkonsentrasjonen i metallet, logaritmene til hastigheten og svovelkonsentrasjonen.
3. Konstruer på separate ark grafer av temperaturen i enheten mot tid, slaggmasse mot tid, avsvovlingshastighet mot tid, og logaritmen for avsvovlingshastigheten mot logaritmen for svovelkonsentrasjon.
4. Ved å bruke minste kvadraters metode, estimer separat for forskjellige blandehastigheter de kinetiske egenskapene til avsvovlingsprosessen i samsvar med ligning () og reaksjonsrekkefølgen i form av svovelkonsentrasjon.
Testresultater:
1. Korrekt utformede grafer over avhengigheten av hastigheten til avsvovlingsprosessen og logaritmen til denne verdien i tide, på et eget regneark med alle nødvendige signaturer og symboler.
2. Verdier av de kinetiske egenskapene til avsvovlingsprosessen i alle varianter av prosessen, som indikerer dimensjoner (og feil).
3. Konklusjoner på arbeidet.
Kontrollspørsmål
1. Hvilke forhold er nødvendige for den mest fullstendige avsvovlingen av metall med slagg?
2. Hvilke anodiske prosesser kan følge med fjerning av svovel?
3. Hva er stadiene i prosessen med at svovel passerer gjennom interfasegrensen?
4. I hvilke tilfeller realiseres diffusjons- eller kinetisk modus for avsvovling?
5. Hva er rekkefølgen på arbeidet?
2.4 Termografisk studie av dissosiasjonsprosesser av naturlige karbonater (Verk nr. 16)
2.4.1 Generelle mønstre for karbonatdissosiasjon
Et termogram er avhengigheten av temperaturen til en prøve på tid. Den termografiske metoden for å studere prosessene for termisk dekomponering av stoffer har blitt utbredt etter at de karakteristiske trekkene til slike avhengigheter ble oppdaget: "temperaturstopp" og "skrående temperaturplatåer".
1.4
Figur 3. Illustrasjon av et termogram:
den stiplede kurven er et termogram av en hypotetisk sammenligningsprøve der dissosiasjon ikke forekommer; heltrukket linje – ekte prøve med to-trinns dissosiasjon.
Dette er karakteristiske deler av avhengigheten, der temperaturen i noen tid () enten forblir konstant (T = const) eller øker med en liten mengde (T) med en konstant hastighet (T/). Ved hjelp av numerisk eller grafisk differensiering er det mulig å bestemme med god nøyaktighet tidspunktene for tid og temperatur for begynnelsen og slutten av temperaturstoppet.
I det foreslåtte laboratoriearbeidet oppnås en slik avhengighet ved kontinuerlig oppvarming av det naturlige materialet kalsitt, hvor hovedkomponenten er kalsiumkarbonat. En bergart som hovedsakelig består av kalsitt kalles kalkstein. Kalkstein brukes i store mengder i metallurgi.
Som et resultat av brenning (varmebehandling) av kalkstein ved en endoterm reaksjon
CaCO 3 = CaO + CO 2
kalk (CaO) oppnås - en nødvendig komponent i slaggsmelten. Prosessen utføres ved temperaturer under smeltepunktet for både kalkstein og kalk. Det er kjent at karbonater og oksidene dannet av dem er gjensidig praktisk talt uløselige, derfor er reaksjonsproduktet en ny fast fase og gass. Uttrykket for likevektskonstanten, i det generelle tilfellet, har formen:
Her en– aktiviteten til faste reagenser, – partialtrykket til det gassformige reaksjonsproduktet. En annen stein kalt dolomitt er også mye brukt i metallurgi. Den består hovedsakelig av et mineral med samme navn, som er dobbeltsaltet av karbonsyre CaMg(CO 3) 2.
Kalsitt, som ethvert naturlig mineral, inneholder sammen med hovedkomponenten forskjellige urenheter, mengden og sammensetningen av disse avhenger av forekomsten av naturressursen og til og med på det spesifikke gruvestedet. Variasjonen av urenhetsforbindelser er så stor at det er nødvendig å klassifisere dem i henhold til noen egenskaper som er viktige i et bestemt tilfelle. For termodynamisk analyse er en viktig egenskap evnen til urenheter til å danne løsninger med reagenser. Vi vil anta at mineralet ikke inneholder urenheter som i det studerte området av forhold (trykk og temperatur) inngår i noen kjemiske reaksjoner med hverandre eller med hovedkomponenten eller dens nedbrytningsprodukt. I praksis er denne betingelsen strengt tatt ikke oppfylt, siden kalsitt for eksempel kan inneholde karbonater av andre metaller, men fra et synspunkt av videre analyse vil det å ta hensyn til disse reaksjonene ikke gi ny informasjon, men vil unødvendig komplisere analysen .
Alle andre urenheter kan deles inn i tre grupper:
1. Urenheter som danner en løsning med kalsiumkarbonat. Slike urenheter må selvfølgelig tas i betraktning under termodynamisk analyse og mest sannsynlig under kinetisk analyse av prosessen.
2. Urenheter som løses opp i reaksjonsproduktet – oksid. Løsningen på problemet med å ta hensyn til urenheter av denne typen avhenger av hvor raskt oppløsningen deres skjer i det faste reaksjonsproduktet og det nært beslektede problemet med dispersjon av inneslutninger av urenheter av denne typen. Hvis inneslutninger er relativt store i størrelse og deres oppløsning skjer sakte, bør de ikke tas i betraktning i termodynamisk analyse.
3. Urenheter som er uløselige i det opprinnelige karbonatet og dets nedbrytningsprodukt. Disse urenhetene bør ikke tas i betraktning i termodynamisk analyse, som om de ikke eksisterte i det hele tatt. I noen tilfeller kan de påvirke kinetikken til prosessen.
I den enkleste (grove) versjonen av analysen er det tillatt å kombinere alle urenheter av samme type og betrakte dem som en generalisert komponent. På dette grunnlaget skiller vi tre komponenter: B1, B2 og B3. Gassfasen til det termodynamiske systemet under vurdering bør også diskuteres. I laboratoriearbeid utføres dissosiasjonsprosessen i en åpen installasjon som kommuniserer med atmosfæren i rommet. I dette tilfellet er det totale trykket i det termodynamiske systemet konstant og lik en atmosfære, og i gassfasen er det et gassformig reaksjonsprodukt - karbondioksid (CO2) og luftkomponenter, forenklet - oksygen og nitrogen. Sistnevnte samhandler ikke med de andre komponentene i systemet, derfor kan oksygen og nitrogen i det aktuelle tilfellet ikke skilles fra hverandre, og i fremtiden vil vi kalle dem nøytral gassformig komponent B.
Temperaturstopp og steder har en termodynamisk forklaring. Med en kjent fasesammensetning er det mulig å forutsi stopptemperaturen ved hjelp av termodynamiske metoder. Du kan også løse det omvendte problemet - ved å bruke kjente temperaturer for å bestemme sammensetningen av fasene. Den er gitt innenfor rammen av denne studien.
Temperaturstopp og plattformer kan bare realiseres dersom visse krav til prosessens kinetikk er oppfylt. Det er naturlig å forvente at dette er krav til nesten likevektsfasesammensetninger på reaksjonsstedet og neglisjerbare gradienter i diffusjonslagene. Overholdelse av slike forhold er mulig hvis hastigheten på prosessen ikke kontrolleres av interne faktorer (diffusjonsmotstand og motstand av selve den kjemiske reaksjonen), men av eksterne - hastigheten på varmetilførselen til reaksjonsstedet. I tillegg til hovedmodusene for en heterogen reaksjon definert i fysisk kjemi: kinetisk og diffusjon, kalles denne prosessmodusen termisk.
Merk at det termiske regimet til fastfase-dissosiasjonsprosessen er mulig på grunn av reaksjonens unike natur, som krever tilførsel av en stor mengde varme, og samtidig er det ingen stadier av tilførsel av startstoffene til reaksjonssted (siden dekomponering av ett stoff skjer) og fjerning av det faste reaksjonsproduktet fra grensefasegrensesnittet (siden denne grensen beveger seg). Det er bare to diffusjonstrinn igjen: fjerning av CO2 gjennom gassfasen (tilsynelatende med svært liten motstand) og diffusjon av CO2 gjennom oksidet, som i stor grad forenkles av sprekking av oksidet som fyller volumet som tidligere var okkupert av det forflyktigede. karbonmonoksid.
La oss vurdere et termodynamisk system ved temperaturer under temperaturstoppet. Først, la oss anta at karbonatet ikke inneholder urenheter av den første og andre typen. Vi vil ta hensyn til mulig tilstedeværelse av en urenhet av den tredje typen, men bare for å vise at dette ikke trenger å gjøres. La oss anta at prøven av pulverkalsitt som studeres er sammensatt av identiske sfæriske partikler med en radius r 0 . La oss trekke grensen til det termodynamiske systemet i en viss avstand fra overflaten til en av kalsittpartiklene, liten sammenlignet med dens radius, og dermed inkludere et visst volum av gassfasen i systemet.
I systemet under vurdering er det 5 stoffer: CaO, CaCO3, B3, CO2, B og noen av dem deltar i en reaksjon. Disse stoffene er fordelt over fire faser: CaO, CaCO3, B3, gassfase, som hver er preget av sine egne verdier av forskjellige egenskaper og er atskilt fra andre faser av en synlig (i det minste under et mikroskop) grensesnitt. Det faktum at fase B3 mest sannsynlig er representert av en mengde dispergerte partikler vil ikke endre analysen - alle partikler er nesten identiske i egenskaper og kan betraktes som én fase. Det ytre trykket er konstant, så det er bare én ekstern variabel - temperatur. Dermed er alle termer for å beregne antall frihetsgrader ( Med) er definert: Med = (5 – 1) + 1 – 4 = 1.
Den oppnådde verdien betyr at når temperaturen (en parameter) endres, vil systemet bevege seg fra en likevektstilstand til en annen, og antallet og naturen til fasene vil ikke endres. Systemtilstandsparametrene vil endres: temperatur og likevektstrykk for karbondioksid og nøytral gass B ( T , P CO2 , R V).
Strengt tatt er det som er sagt ikke sant for noen temperaturer under temperaturstoppet, men bare for intervallet når reaksjonen, som opprinnelig skjedde i det kinetiske regimet, byttet til det termiske regimet, og vi kan faktisk snakke om systemets nærhet parametere til likevekt. Ved lavere temperaturer er systemet betydelig ute av likevekt, men dette påvirker ikke arten av prøvetemperaturens avhengighet av tid på noen måte.
Helt fra begynnelsen av eksperimentet, ved romtemperatur, er systemet i en likevektstilstand, men bare fordi det ikke er noen stoffer i det som kan samhandle. Dette refererer til kalsiumoksid, som under disse forholdene (partialtrykket av karbondioksid i atmosfæren er omtrent 310–4 atm, likevektstrykket er 10–23 atm) kan karbonisere. I henhold til isotermligningen for reaksjonen, skrevet under hensyntagen til uttrykket av likevektskonstanten (16.1) med aktivitetene til kondenserte stoffer lik enhet:
endringen i Gibbs energi er positiv, noe som betyr at reaksjonen bør skje i motsatt retning, men dette er ikke mulig siden det ikke er kalsiumoksid i systemet til å begynne med.
Når temperaturen øker, øker dissosiasjonselastisiteten (likevektstrykket til CO2 over karbonatet), som følger av isobarligningen:
siden den termiske effekten av reaksjonen er større enn null.
Først ved en temperatur på ca. 520 C vil dissosiasjonsreaksjonen bli termodynamisk mulig, men den vil begynne med en betydelig tidsforsinkelse (inkubasjonsperiode) som er nødvendig for kjernedannelsen av oksidfasen. Til å begynne med vil reaksjonen skje i kinetisk modus, men på grunn av autokatalyse vil motstanden til det kinetiske trinnet raskt avta så mye at reaksjonen går i termisk modus. Det er fra dette øyeblikket den termodynamiske analysen gitt ovenfor blir gyldig, og temperaturen til prøven vil begynne å ligge etter temperaturen til en hypotetisk sammenligningsprøve der dissosiasjon ikke forekommer (se figur 3).
Den betraktede termodynamiske analysen vil forbli gyldig til det øyeblikket da dissosiasjonselastisiteten når en verdi på 1 atm. I dette tilfellet frigjøres karbondioksid kontinuerlig på overflaten av prøven under et trykk på 1 atm. Den fortrenger luften, og nye porsjoner kommer fra prøven for å erstatte den. Trykket av karbondioksid kan ikke øke utover én atmosfære, siden gassen fritt slipper ut i atmosfæren rundt.
Systemet endres fundamentalt, siden det nå ikke er luft i gassfasen rundt prøven og det er en komponent mindre i systemet. Antall frihetsgrader i et slikt system er c = (4 – 1) + 1 – 4 = 0
viser seg å være lik null, og mens likevekten opprettholdes, kan ingen tilstandsparametre endres i den, inkludert temperatur.
La oss nå merke oss at alle konklusjoner (beregning av antall frihetsgrader osv.) vil forbli gyldige hvis vi ikke tar hensyn til komponent B3, som øker både antall stoffer og antall faser med én, som er gjensidig kompensert.
En temperaturstopp oppstår når all den innkommende varmen kun brukes på dissosiasjonsprosessen. Systemet fungerer som en meget god temperaturregulator når en liten tilfeldig endring i temperaturen fører til en motsatt endring i dissosiasjonshastigheten, som returnerer temperaturen til sin tidligere verdi. Den høye kvaliteten på reguleringen forklares med at et slikt system er praktisk talt treghetsfritt.
Etter hvert som dissosiasjonsprosessen utvikler seg, beveger reaksjonsfronten seg dypere inn i prøven, mens interaksjonsoverflaten avtar og tykkelsen på det faste reaksjonsproduktet øker, noe som kompliserer diffusjonen av karbondioksid fra reaksjonsstedet til prøveoverflaten. Fra et visst tidspunkt blir prosessens termiske regime til blandet og deretter til diffusjon. Allerede i blandet modus vil systemet bli betydelig ikke-likevekt og konklusjonene oppnådd fra termodynamisk analyse vil miste praktisk mening.
På grunn av reduksjonen i hastigheten på dissosiasjonsprosessen, vil den nødvendige mengden varme avta så mye at en del av den innkommende varmefluksen igjen vil begynne å bli brukt på oppvarming av systemet. Fra dette tidspunktet vil temperaturstoppet opphøre, selv om dissosiasjonsprosessen fortsatt vil fortsette inntil karbonatet er fullstendig dekomponert.
Det er ikke vanskelig å gjette at for det enkleste tilfellet som vurderes, kan verdien av stopptemperaturen finnes fra ligningen
En termodynamisk beregning ved bruk av denne ligningen ved bruk av TDHT-databasen gir en temperatur på 883°C for ren kalsitt og 834°C for ren aragonitt.
La oss nå komplisere analysen. Under dissosiasjonen av kalsittholdige urenheter av 1. og 2. type, når aktivitetene til karbonatet og oksidet ikke kan betraktes som lik enhet, vil den tilsvarende tilstanden bli mer komplisert:
Hvis vi antar at urenhetsinnholdet er lavt og de resulterende løsningene kan betraktes som uendelig fortynnede, kan den siste ligningen skrives som:
hvor er molfraksjonen av den tilsvarende urenheten.
Hvis det oppnås en skrå temperaturplattform og begge temperaturene ( T 2 > T 1) over stopptemperaturen for rent kalsiumkarbonat – K R (T 1) > 1 og K R (T 2) > 1, så er det rimelig å anta at urenheter av den andre typen er fraværende, eller ikke har tid til å løse seg opp () og estimere konsentrasjonen av urenheter av den 1. typen i begynnelsen
og ved slutten av temperaturen stopp
Den første typen urenheter bør til en viss grad akkumuleres i CaCO3 – B1-løsningen når reaksjonsfronten beveger seg. I dette tilfellet uttrykkes vinkelkoeffisienten til plattformhellingen ved forholdet:
hvor 1 er andelen av komponent B1 som går tilbake til den opprinnelige fasen når den er isolert i ren form; V S- molar volum av kalsitt; v C-; - termisk effekt av dissosiasjonsreaksjonen ved stopptemperaturen; r 0 er startradiusen til kalsittpartikkelen.
Ved å bruke referansedata, ved hjelp av denne formelen kan du beregne v C- oppløsningshastighet
rheniumkomponent B1 i kalsitt.
2.4.2 Installasjonsskjema og arbeidsprosedyre
Arbeidet studerer dissosiasjonen av kalsiumkarbonat og dolomitt av ulike fraksjoner.
Det eksperimentelle oppsettdiagrammet er vist i figur 4.
Figur 4 – Opplegg for installasjonen for å studere termogrammer for karbonatdissosiasjon:
1 – korundrør, 2 – karbonat, 3 – termoelement, 4 – ovn,
5 – autotransformator, 6 – personlig datamaskin med ADC-kort
Et korundrør (1) med et termoelement (3) og testprøven av kalsiumkarbonat (2) er installert i en ovn (4) forvarmet til 1200 K. Et termogram av prøven observeres på monitorskjermen til en personlig datamaskin. Etter å ha passert gjennom den isotermiske seksjonen, gjentas forsøket med en annen karbonatfraksjon. Når du studerer dolomitt, utføres oppvarming til to temperaturstopp er identifisert.
De resulterende termogrammene presenteres på en "temperatur - tid"-graf. For å lette sammenligningen må alle termogrammer vises på én graf. Den brukes til å bestemme temperaturen for intensiv utvikling av prosessen og sammenligne den med den som er funnet fra termodynamisk analyse. Det trekkes konklusjoner om påvirkningen av temperatur, karbonatets natur og graden av dets spredning på termogrammets natur.
2.4.3 Bearbeiding og presentasjon av måleresultater
Basert på resultatene av arbeidet ditt, bør du fylle ut følgende tabell:
Tabell 1. Resultater av studiet av dissosiasjonsprosessen av kalsiumkarbonat (dolomitt)
De to første kolonnene fylles med verdier når datafilen åpnes; de to siste kolonnene må beregnes. Utjevning utføres over fem punkter, numerisk differensiering av glattede data utføres med ekstra utjevning, også over fem punkter. Basert på resultatene av arbeidet bør to separate avhengighetsdiagram konstrueres: t– og d t/d – t .
Den resulterende temperaturstoppverdien ( T s) skal sammenlignes med den karakteristiske verdien for ren kalsitt. Hvis den observerte verdien er høyere, kan minimumsinnholdet av den første typen urenheter tilnærmet estimeres ved å bruke ligning (16.7), forutsatt at det ikke er noen urenheter av den andre typen. Hvis det motsatte forholdet observeres, kan vi konkludere med at hovedpåvirkningen utøves av urenheter av den andre typen og estimere deres minimumsinnhold, forutsatt at det ikke er noen urenheter av den første typen. Av ligning (16.6) følger det at i sistnevnte tilfelle
Det er tilrådelig å beregne verdien av likevektskonstanten ved å bruke TDHT-databasen ved å bruke metoden beskrevet i håndboken. Som et ekstremt tilfelle kan du bruke ligningen som tilnærmer avhengigheten av endringen i Gibbs-energien i reaksjonen av kalsiumkarbonat-dissosiasjon med temperatur:
G 0 = B 0 + B 1 · T + B 2 · T 2 ,
tar verdiene til koeffisientene lik: B 0 = 177820, J/mol; B 1 = -162,61, J/(mol K), B 3 = 0,00765, Jmol-1K-2.
Merk . Hvis studentene i kurset "Fysisk kjemi" ikke er kjent med TDHT-databasen og ikke har utført de tilsvarende beregningene i praktiske klasser, bør de bruke Shvartsman-Temkin-ligningen og data fra oppslagsboken.
Prosedyre for behandling av resultater
1. Legg inn resultatene av manuell registrering av informasjon i en regnearkfil.
2. Utfør utjevning av temperaturverdier.
3. Tegn en graf over temperatur versus tid på et eget ark.
4. Differensieer temperaturverdier over tid med utjevning på 5 punkter.
5. Konstruer en graf over temperaturderivatets avhengighet av temperatur over tid på et eget ark, og bestem egenskapene til stedene.
Testresultater:
1. I regnearkboken som sendes inn for vurdering, må den første siden med tittelen «Resultater» inneholde følgende informasjon:
en. I celle "A1" - temperaturstoppverdien (gjennomsnitt for en skrånende plattform), i celle "B1" - måleenheter;
b. I celle "A2" - varigheten av temperaturstoppet, i celle "B2" - måleenheter;
c. I celle "A3" - skråningen til stedet, i celle "B3" - måleenheter;
d. I celle "A4" - typen urenhet eller "0" hvis tilstedeværelsen av urenheter ikke oppdages;
e. I celle "A5" - molfraksjonen av urenheten;
f. Fra celle "A7" bør konklusjoner om arbeidet formuleres tydelig.
Cellene A1, A3 og A5 skal inneholde referanser til celler på andre ark i regnearkboken som beregningene ble utført på for å produsere resultatene som presenteres, ikke selve numeriske verdier! Hvis dette kravet ikke er oppfylt, gir bekreftelsesprogrammet meldingen "Informasjonsinnsendingsfeil."
2. Korrekt utformede grafer av temperatur versus tid, derivert temperatur versus tid versus temperatur, og derivert temperatur versus tid versus tid på separate regnearkark med alle nødvendige signaturer og notasjoner.
3. Temperaturanslag for stopp og deres varighet.
4. Konklusjoner på arbeidet.
Kontrollspørsmål
1. Hva er temperaturen der karbonatet begynner å dissosiere i luft avhengig av?
2. Hvorfor øker elastisiteten til karbonittdissosiasjonen med økende temperatur?
3. Hvor mange frihetsgrader har systemet der det er etablert likevekt mellom stoffene CaO, CO 2, CaCO 3?
4. Hvordan vil termogrammets natur endres hvis dissosiasjonsproduktet danner faste løsninger med det opprinnelige stoffet?
5. Hvilken modus for den heterogene reaksjonen av karbonatdissosiasjon tilsvarer den isotermiske delen av termogrammet?
6. Hvordan vil utseendet til termogrammet endres under dissosiasjonen av polydisperst karbonat?
7. Hva er forskjellen mellom termogrammer oppnådd ved et totalt trykk på 101,3 kPa og 50 kPa?
2.5 Studie av temperaturavhengigheten til viskositeten til oksidsmelter (Arbeid nr. 17)
2.5.1 Arten av viskøs motstand av oksidsmelter
Viskositet er en av de viktigste fysiske og kjemiske egenskapene til slaggsmelter. Det har en betydelig innvirkning på diffusjonsmobiliteten til ioner, og derfor på kinetikken for interaksjon av metall med slagg, hastigheten på varme og masseoverføringsprosesser i metallurgiske enheter. Studiet av temperaturavhengigheten av viskositet gir indirekte informasjon om strukturelle transformasjoner i oksidsmelter og endringer i parametrene til komplekse anioner. Sammensetningen, og derfor viskositetsverdien, avhenger av formålet med slagget. For eksempel, for å intensivere diffusjonstrinnene av redoksinteraksjonen mellom metall og slagg (avsvovling, defosforisering, etc.), velges sammensetningen av slagget slik at dets viskositet er lav. Tvert imot, for å hindre overføring av hydrogen eller nitrogen til stålet gjennom slagget fra gassfasen, innføres slagg med økt viskositet.
En av de kvantitative egenskapene til viskositet kan være koeffisienten for dynamisk viskositet (η), som er definert som proporsjonalitetskoeffisienten i Newtons lov om indre friksjon
Hvor F– indre friksjonskraft mellom to tilstøtende væskelag, grad υ – hastighetsgradient, S– overflateareal av kontakt mellom lagene. SI-enheten for dynamisk viskositet er [η] = N s/m 2 = Pa s.
Det er kjent at fluidstrøm er en serie av partikkelhopp til en tilstøtende stabil posisjon. Prosessen er aktiveringsmessig. For å gjøre hopp må partikkelen ha tilstrekkelig tilførsel av energi sammenlignet med gjennomsnittsverdien. Overflødig energi er nødvendig for å bryte de kjemiske bindingene til en partikkel i bevegelse og danne en tomhet (hulrom) i volumet av smelten den passerer inn i. Med økende temperatur øker den gjennomsnittlige energien til partikler og flere av dem kan delta i strømmen, noe som fører til en nedgang i viskositeten. Antallet slike "aktive" partikler øker med temperaturen i henhold til den eksponentielle Boltzmann-fordelingsloven. Følgelig har avhengigheten av viskositetskoeffisienten på temperaturen en eksponentiell form
hvor η 0 er en koeffisient som er litt avhengig av temperatur, Eη – aktiveringsenergi av viskøs strømning. Det karakteriserer minimumsreserven av kinetisk energi til en mol aktive partikler som er i stand til å delta i strømmen.
Strukturen til oksidsmelter har en betydelig effekt på viskositetskoeffisienten. I motsetning til bevegelsen av ioner under påvirkning av et elektrisk felt, i viskøs strømning beveger alle partikler av væsken seg i bevegelsesretningen sekvensielt. Det mest hemme stadiet er bevegelsen av store partikler, som gir det største bidraget til verdien av η. Som et resultat viser aktiveringsenergien til viskøs strømning seg å være større enn for elektrisk ledningsevne ( E η > E).
I sure slagger som inneholder oksider Si, P, B, er det en høy konsentrasjon av store komplekse anioner i form av kjeder, ringer, tetraedre og andre romlige strukturer (f.eks.
Og så videre.). Tilstedeværelsen av store partikler øker viskositeten til smelten, fordi deres bevegelse krever mer energi sammenlignet med små.
Tilsetninger av basiske oksider (CaO, MgO, MnO) fører til en økning i konsentrasjonen av enkle kationer (Ca 2+, Mg 2+, Mn 2+) i smelten. De innførte O2– anionene bidrar til depolymeriseringen av smelten, dvs. dekomponering av komplekse anioner, for eksempel,
Som et resultat avtar slaggens viskositet.
Avhengig av temperatur og sammensetning kan viskositeten til metallurgisk slagg variere innenfor et ganske bredt område (0,01 – 1 Pa s). Disse verdiene er størrelsesordener høyere enn viskositeten til flytende metaller, noe som skyldes tilstedeværelsen av relativt store strømningsenheter i slaggen.
Den reduserte eksponentielle avhengigheten av η av T(17.2) beskriver godt de eksperimentelle dataene for basisk slagger som inneholder mindre enn 35 mol. % SiO 2. I slike smelter er aktiveringsenergien til viskøs strømning Eη er konstant og har en liten verdi (45 – 80 kJ/mol). Når temperaturen synker, endres η litt, og først ved størkning begynner den å øke intensivt.
I sure slagger med høy konsentrasjon av kompleksdannende komponenter, kan aktiveringsenergien avta med økende temperatur: E η = E 0 / T, som er forårsaket av disaggregering av komplekse anioner ved oppvarming. Eksperimentelle data i dette tilfellet er linearisert i koordinater " lnη – 1/ T 2".
2.5.2 Beskrivelse av installasjonen og prosedyre for måling av viskositet
For å måle viskositetskoeffisienten brukes et rotasjonsviskosimeter i arbeidet (Figur 5). Utformingen og prinsippet for drift av denne enheten er som følger. Testvæsken (2) plasseres i en sylindrisk smeltedigel (1), hvori en spindel (4) opphengt i en elastisk streng (5) er nedsenket. Under forsøket overføres dreiemomentet fra den elektriske motoren (9) til skiven (7), og fra denne gjennom strengen til spindelen.
Viskositeten til oksidsmelten bedømmes av strengens vridningsvinkel, som bestemmes på en skala (8). Når spindelen roterer, skaper den viskøse motstanden til væsken et bremsemoment som vrir strengen inntil momentet for elastisk deformasjon av strengen blir lik momentet til de viskøse motstandskreftene. I dette tilfellet vil rotasjonshastighetene til skiven og spindelen være de samme. Tilsvarende denne tilstanden, kan vridningsvinkelen til strengen (∆φ) måles ved å sammenligne posisjonen til pilen (10) i forhold til skalaen: initial - før du slår på den elektriske motoren og stabil - etter slått på. Jo høyere viskositeten til væsken η er, desto større er vridningsvinkelen til strengen ∆φ. Hvis strengdeformasjonene ikke overskrider grensen (tilsvarer gyldigheten av Hookes lov), så er verdien ∆φ proporsjonal med η og kan skrives:
Ligningskoeffisient k, kalt viskosimeterkonstanten, avhenger av dimensjonene til smeltedigelen og spindelen, samt av de elastiske egenskapene til strengen. Når diameteren på strengen minker, øker følsomheten til viskosimeteret.
Figur 5 – Installasjonsskjema for måling av viskositet:
1 – smeltedigel, 2 – smelte under studie, 3 – spindelhode,
4 – spindel, 5 – streng, 6 – øvre del av installasjonen, 7 – skive,
8 – skala, 9 – elektrisk motor, 10 – pil, 11 – ovn, 12 – transformator,
13 – temperaturkontrollenhet, 14 – termoelement.
For å bestemme viskosimeterkonstanten k En væske med kjent viskositet plasseres i digelen - en løsning av kolofonium i transformatorolje. I dette tilfellet bestemmes ∆φ0 i et forsøk ved romtemperatur. Beregn deretter viskositeten (η0) til referansevæsken ved en gitt temperatur k i henhold til formelen:
Fant verdi k brukes til å beregne viskositetskoeffisienten til oksidsmelten.
2.5.3 Arbeidsprosedyre
For å bli kjent med viskositetsegenskapene til metallurgiske slagger, i dette laboratoriearbeidet studeres Na 2 O · 2B 2 O 3-smelten. Målinger utføres i temperaturområdet 850–750 o C. Etter å ha nådd starttemperaturen (850 o C), settes viskosimeternålen til null. Slå deretter på den elektriske motoren og fikser den stasjonære vrivinkelen til strengen ∆φ t . Gjenta målingen av ∆φ t ved andre temperaturer uten å slå av viskosimeteret. Eksperimentet stoppes når vridningsvinkelen til strengen begynner å overstige 720°.
2.5.4 Bearbeiding og presentasjon av måleresultater
Basert på måleresultatene, fyll ut følgende tabell.
Tabell 1. Temperaturavhengighet av viskositet
I tabellen er de to første kolonnene fylt ut basert på resultatene av manuell registrering av temperaturavlesninger på monitorskjermen og vrivinkelen til tråden på viskosimeterskalaen. De resterende kolonnene beregnes.
For å sjekke gjennomførbarheten av den eksponentielle loven om endring i viskositetskoeffisienten med temperatur (17.2), konstruer en graf i koordinatene "Ln(η) – 10 3 / T" Aktiveringsenergien blir funnet ved å bruke funksjonen LINEST() (OpenOffice.Calc) eller LINEST() (MicrosoftOffice.Exel), som bruker dem på den femte og sjette kolonnen i tabellen.
Konklusjonene sammenligner de oppnådde dataene η og E η med de som er kjent for metallurgiske slagger, diskuterer arten av temperaturavhengigheten til viskositet, dens sammenheng med strukturelle endringer i smelten.
Prosedyre for behandling av resultater
1. Ta målinger på kalibreringscellen og beregn installasjonskonstanten
2. Legg inn resultatene av manuell registrering av informasjon i en regnearkfil.
3. Beregn viskositetsverdier.
4. Tegn en graf over viskositet mot temperatur på et eget ark.
5. Beregn logaritmen av viskositet og den resiproke absolutte temperaturen for hele settet med måleresultater.
6. Finn koeffisientene ved å bruke minste kvadraters metode b 0 , b 1 av ligningen som tilnærmer avhengigheten av logaritmen av viskositet på den inverse temperaturen, og beregn aktiveringsenergien.
7. Plott avhengigheten til logaritmen av viskositet på et eget ark av den inverse temperaturen og gi en tilnærmet avhengighet Testresultater:
1. I regnearkboken som sendes inn for vurdering, må den første siden med tittelen «Resultater» inneholde følgende informasjon:
en. I celle "A1" - starttemperaturen, i celle "B1" - måleenheter;
b. I celle "A2" - slutttemperatur, i celle "B2" - måleenheter;
c. I celle "A3" - aktiveringsenergien til viskøs strømning ved lave temperaturer, i celle "B3" - måleenheter;
d. I celle "A4" - den pre-eksponentielle faktoren i formelen for temperaturavhengighet av elektrisk ledningsevne ved lave temperaturer, i celle "B4" - måleenheter;
e. I celle "A5" - aktiveringsenergien til viskøs strømning ved høye temperaturer, i celle "B5" - måleenheter;
f. I celle "A6" - den pre-eksponentielle faktoren i formelen for temperaturavhengighet av elektrisk ledningsevne ved høye temperaturer, i celle "B6" - måleenheter;
g. Fra celle "A7" bør konklusjoner om arbeidet formuleres tydelig.
Cellene A1-A6 skal inneholde referanser til celler på andre ark i regnearkboken som det ble utført beregninger på for å oppnå det presenterte resultatet, og ikke de numeriske verdiene selv! Hvis dette kravet ikke er oppfylt, gir bekreftelsesprogrammet meldingen "Informasjonsinnsendingsfeil."
2. Korrekt utformede grafer over avhengighetene av viskositet på temperatur og logaritmen av viskositet på den inverse temperaturen, hentet fra eksperimentelle data (punkter) og tilnærmet med et polynom (linje), på separate ark med regneark med alle nødvendige signaturer og symboler . Kontrollspørsmål
1. I hvilken form er komponentene i oksidsmelten bestående av CaO, Na 2 O, SiO 2, B 2 O 3, Al 2 O 3?
2. Hva kalles viskositetskoeffisienten?
3. Hvordan vil temperaturavhengigheten til slaggviskositeten endres når basiske oksider tilsettes den?
4. I hvilke enheter måles viskositet?
5. Hvordan bestemmes viskosimeterkonstanten?
6. Hva bestemmer aktiveringsenergien til viskøs strømning?
7. Hva er årsaken til nedgangen i viskositet med økende temperatur?
8. Hvordan beregnes aktiveringsenergien til viskøs strømning?
2.6 Reduksjon av mangan fra oksidsmelte til stål
(Verk nr. 18)
2.6.1 Generelle prinsipper for elektrokjemisk interaksjon mellom metall og slagg
Prosessene for interaksjon av flytende metall med smeltet slagg er av stor teknisk betydning og forekommer i mange metallurgiske enheter. Produktiviteten til disse enhetene, så vel som kvaliteten på det ferdige metallet, bestemmes i stor grad av hastigheten og fullstendigheten av overgangen til visse elementer over fasegrensen.
Den samtidige forekomsten av et betydelig antall fysiske og kjemiske prosesser i ulike faser, høye temperaturer og tilstedeværelsen av hydrodynamiske og varmestrømmer gjør det vanskelig å eksperimentelt studere prosessene for interaksjon av faser under industrielle og laboratoriemessige forhold. Slike komplekse systemer studeres ved hjelp av modeller som reflekterer individuelle, men mest betydningsfulle aspekter ved objektet som vurderes. I dette arbeidet lar en matematisk modell av prosessene som skjer ved metall-slagg-grensesnittet oss analysere endringen i volumetriske konsentrasjoner av komponenter og hastigheten på deres overgang over grensesnittet avhengig av tid.
Reduksjonen av mangan fra oksidsmelten skjer ved en elektrokjemisk halvreaksjon:
(Mn 2+) + 2e =
De medfølgende prosessene må være oksidasjonsprosesser. Selvfølgelig kan dette være en jernoksidasjonsprosess
= (Fe2+) + 2e
eller urenheter i stålsammensetningen, for eksempel silisium. Siden et fireladet silisiumion ikke kan være tilstede i slagget, er denne prosessen ledsaget av dannelsen av et silisium-oksygen-tetraeder i samsvar med den elektrokjemiske halvreaksjonen:
4(O 2-) = (SiO 4 4-) + 4e
Uavhengig forekomst av bare en av de gitte elektrodehalvreaksjonene er umulig, fordi dette fører til akkumulering av ladninger i det elektriske dobbeltlaget ved fasegrensen, noe som forhindrer overgangen til stoffet.
Likevektstilstanden for hver av dem er preget av likevektselektrodepotensialet ()
hvor er standardpotensialet, er aktiviteten til de oksiderte og reduserte formene av stoffet, z– antall elektroner som deltar i elektrodeprosessen, R– universell gasskonstant, F– Faraday konstant, T- temperatur.
Reduksjonen av mangan fra slagg til metall oppnås som et resultat av den kombinerte forekomsten av minst to elektrodehalvreaksjoner. Hastighetene deres er stilt inn slik at det ikke er noen akkumulering av ladninger ved grensesnittet. I dette tilfellet får metallpotensialet en stasjonær verdi, hvor hastighetene for generering og assimilering av elektroner er de samme. Forskjellen mellom det faktiske, dvs. stasjonært potensial og dets likevektsverdi kalles polarisering (overspenning) av elektroden, . Polarisering karakteriserer graden av fjerning av et system fra likevekt og bestemmer overgangshastigheten til komponenter over fasegrensen i samsvar med lovene for elektrokjemisk kinetikk.
Fra et standpunkt til klassisk termodynamikk forekommer prosesser i systemet i en eller annen retning i utvinningen av mangan fra slagg med silisium oppløst i jern:
2(MnO) + = 2 + (SiO 2) H = -590 kJ/mol
og selve løsningsmidlet (oksidasjon av mangan med jernoksid i slagget
(MnO) + = + (FeO) =. H = 128 kJ/mol
Fra et synspunkt av formell kinetikk, bør hastigheten på den første reaksjonen, bestemt av for eksempel endringen i silisiuminnholdet i metallet bort fra likevekt i det kinetiske regimet, avhenge av produktet av konsentrasjonene av manganoksid i slagg og silisium i metallet til en viss grad. I diffusjonsmodus bør reaksjonshastigheten avhenge lineært av konsentrasjonen av komponenten hvis diffusjon er hindret. Tilsvarende resonnement kan gjøres for den andre reaksjonen.
Likevektskonstant for en reaksjon uttrykt i form av aktivitet
er kun en funksjon av temperaturen.
Forhold mellom likevektskonsentrasjoner av mangan i slagg og metall
kalles fordelingskoeffisienten til mangan, som derimot avhenger av sammensetningen av fasene og fungerer som en kvantitativ karakteristikk av fordelingen av dette elementet mellom slagget og metallet.
2.6.2 Prosessmodell
Simuleringsmodellen tar for seg tre elektrodehalvreaksjoner som kan oppstå mellom oksidsmelten CaO – MnO – FeO – SiO 2 – Al 2 O 3 og flytende jern som inneholder Mn og Si som urenheter. Det er gjort en antagelse om diffusjonsmåten for deres forekomst. Hemming av diffusjon av Fe 2+ partikler i slagget, silisium i metallet og mangan i begge faser er tatt i betraktning. Det generelle likningssystemet som beskriver modellen har formen
Hvor υ ј – hastighet på elektrodehalvreaksjon, η j- polarisering, jeg j– tettheten til den begrensende diffusjonsstrømmen, DJ– diffusjonskoeffisient, β – konvektiv konstant, Cj– konsentrasjon.
Simuleringsmodellprogrammet lar deg løse likningssystemet (18.4) – (18.8), som gjør det mulig å fastslå hvordan volumkonsentrasjonen av komponenter og deres overgangshastigheter endres over tid under interaksjonen mellom metall og slagg. Beregningsresultatene vises. Informasjonen mottatt fra monitorskjermen inkluderer en grafisk representasjon av endringer i konsentrasjonene til hovedkomponentene, deres nåværende verdier, samt temperaturverdier og konveksjonskonstanter (Figur 8).
Blokkskjemaet til programmet for simuleringsmodellen av samspillet mellom metall og slagg er presentert i figur 7. Programmet opererer i en syklus som stopper først etter at den angitte simuleringstiden har gått (ca. 10 minutter).
Figur 7 – Blokkdiagram av simuleringsmodellprogrammet
2.6.3 Arbeidsprosedyre
Bildet generert av simuleringsprogrammet er vist i figur 8 (høyre panel). Øverst på panelet er utvalgte numeriske verdier for de målte mengdene; grafen viser alle verdiene som er oppnådd under prosesssimulering. I betegnelsene på komponentene til metall- og slaggsmelter brukes tilleggssymboler som er akseptert i litteraturen om metallurgiske emner. Firkantede parenteser indikerer at komponenten tilhører en metallsmelte, og runde parentes indikerer at komponenten tilhører en slaggsmelte. Multiplikatorer i komponentbetegnelser brukes kun for plottingsformål og bør ikke tas i betraktning ved tolkning av verdier. Under drift av modellen vises til enhver tid bare verdien av en av de målte mengdene. Etter 6 sekunder forsvinner den og neste verdi vises. I løpet av denne tidsperioden må du ha tid til å skrive ned neste verdi. For å spare tid anbefales det å ikke skrive ned konstante tall, for eksempel den ledende enheten i temperaturverdien.
Fig. 8. Bilde av monitorskjermen når du utfører arbeid nr. 18 på forskjellige stadier av prosessene.
Fire til fem minutter etter at installasjonen starter, tilsett forvarmet manganoksid til slaggen, noe som gjøres ved å trykke Alt-tasten og talltasten på hovedtastaturet samtidig med nummeret til installasjonen din. Rekkefølgen for behandling av resultatene:
1. Legg inn resultatene av manuell registrering av informasjon i en regnearkfil.
2. Beregn hastigheten på prosessene for overgang av elementer over interfasegrensen og logaritmene til disse verdiene før og etter tilsetning av manganoksid til slagget med en metallsmeltemasse på 1400 kg.
3. Konstruer på separate ark grafer av temperatur mot tid, manganovergangshastighet mot tid, logaritme av silisiumovergangshastighet mot logaritme av silisiumkonsentrasjon i metallet.
4. Bruk minste kvadraters metode, estimer de kinetiske egenskapene til silisiumovergangsprosessen.
Testresultater:
1. Korrekt formaterte grafer oppført i forrige seksjon, på et eget regneark med alle nødvendige signaturer og notasjoner.
2. Verdier av rekkefølgen til silisiumoksidasjonsreaksjonen før og etter introduksjonen av manganoksid, som indikerer feil.
3. Konklusjoner på arbeidet.
Kontrollspørsmål
1. Hvorfor er det behov for å modellere stålproduksjonsprosesser?
2. Hva er arten av interaksjonen mellom metall og slagg og hvordan kommer dette til uttrykk?
3. Hvilket potensial kalles stasjonært?
4. Hvilket potensial kalles likevekt?
5. Hva er elektrodepolarisering (overspenning)?
6. Hva er fordelingskoeffisienten til mangan mellom metall og slagg?
7. Hva er fordelingskonstanten til mangan mellom metall og slagg avhengig av?
8. Hvilke faktorer påvirker overgangshastigheten til mangan fra metall til slagg i diffusjonsmodus?
Bibliografi
1. Lynchevsky, B.V. Teknikk for metallurgisk eksperiment [Tekst] / B.V. Lynchevsky. – M.: Metallurgi, 1992. – 240 s.
2. Arsentiev, P.P. Fysisk-kjemiske metoder for å studere metallurgiske prosesser [Tekst]: lærebok for universiteter / P.P. Arsentiev, V.V. Yakovlev, M.G. Krasheninnikov, L.A. Pronin et al. - M.: Metallurgy, 1988. - 511 s.
3. Popel, S.I. Interaksjon av smeltet metall med gass og slagg [Tekst]: lærebok / S.I. Popel, Yu.P. Nikitin, L.A. Barmin og andre - Sverdlovsk: red. UPI oppkalt etter CM. Kirova, 1975, – 184 s.
4. Popel, S.I. Teori om metallurgiske prosesser [Tekst]: lærebok / S.I. Popel, A.I. Sotnikov, V.N. Boronenkov. – M.: Metallurgi, 1986. – 463 s.
5. Lepinskikh, B.M. Transportegenskaper til metall og slaggsmelter [Tekst]: Directory / B.M. Lepinskikh, A.A. Belousov / Under. utg. Vatolina N.A. – M.: Metallurgi, 1995. – 649 s.
6. Belay, G.E. Organisering av et metallurgisk eksperiment [Tekst]: lærebok / G.E. Belay, V.V. Dembovsky, O.V. Sotsenko. – M.: Kjemi, 1982. – 228 s.
7. Panfilov, A.M. Beregning av termodynamiske egenskaper ved høye temperaturer [Elektronisk ressurs]: pedagogisk og metodisk håndbok for studenter ved metallurgiske og fysiske ingeniørfakulteter av alle former for utdanning / A.M. Panfilov, N.S. Semenova – Jekaterinburg: USTU-UPI, 2009. – 33 s.
8. Panfilov, A.M. Termodynamiske beregninger i Excel-regneark [Elektronisk ressurs]: retningslinjer for studenter ved metallurgiske og fysikk-tekniske fakulteter av alle former for utdanning / A.M. Panfilov, N.S. Semenova - Jekaterinburg: USTUUPI, 2009. - 31 s.
9. Kort oppslagsbok over fysiske og kjemiske mengder / Pod. utg. A.A. Ravdel og A.M. Ponomareva. L.: Kjemi, 1983. – 232 s.
UDDANNELSES- OG VITENSKAPSMINISTERIET I REPUBLIKKEN KAZAKHSTAN RSE "KARAGANDA STATE INDUSTRIAL UNIVERSITY" INSTITUTT FOR "METALLURGY AND MATERIALS SCIENCE" Opptaksprøveprogram for mastergrad i spesialitet 6M070900 TemiraMetallurgy,12000 Fundamental, 3M070900 metallurgiske prosesser. Inndeling av metaller i jernholdige og ikke-jernholdige. Grunnleggende lover for fysisk og kjemisk likevekt brukt i produksjon av metaller og legeringer. Beregnede egenskaper for likevekt. 2. Råvarer for metallurgisk produksjon og deres tilberedning. Malm. Generelle egenskaper ved malm. Drivstoff for metallurgisk produksjon, fast, flytende og gassformig Tilberedning av malm for smelting. Skjematiske diagrammer over utvinning, knusing og agglomerering av malm. Prosesser som skjer under agglomerering av malm. Hovedkomponenter i ladninger 3. Jernproduksjon. Generelt diagram over produksjonsprosessen. Masovnsprofil. Grunnleggende elementer og deres formål. Flussmidler og masovnsbrensel. Reduksjon av jernoksider og dekomponering av karbonforbindelser. Reduksjon av silisium og mangan. Prosesser i smia til en masovn. Dannelse av slagg og dets fysiske egenskaper. Fjerning av svovel. Tekniske og økonomiske indikatorer. 4. Stålproduksjon. Klassifisering av stål. Metoder for å skaffe. Lade materialer for stålproduksjon. Metallisk og ikke-metallisk gruppe. Termodynamikk og kinetikk av stålfremstillingsprosesser. Stålslagg. Kilder til utdanningen deres. Fysisk-kjemiske egenskaper. Grunnleggende reaksjoner av stålfremstillingsprosesser. Oppførsel av silisium, mangan, svovel og fosfor. Gasser og ikke-metalliske inneslutninger i stål. Metoder for fjerning. Deoksidasjonslegering av stål. Deoksideringsmetoder. 5. Stålproduksjon i omformere. 2 Generelle prinsipper og typer omformerprosesser. Skjematisk diagram av LD-prosessen. Grunnleggende designelementer. Generelle prinsipper for smelting ved bruk av LD-prosessen. TEP-prosess. 6. Bunnprosesser. Plan for drift av en åpen ildsted ovn. Grunnleggende elementer i ovnen. Varianter av prosessen. Gassfasens oksidative natur. Brensel. Smelteperioder. Oksidasjon av urenheter. Smeltefremgang under de viktigste skrapmalm- og skrapprosessene. Forholdet mellom det termiske arbeidet i ovnen og hastigheten på karbonoksidasjon. Varianter av åpen ildprosess. Intensifisering av smelting med oksygen. Doble badeovner. Stålkvalitet og tekniske og økonomiske indikatorer på prosessen. 7. Stålsmelting i elektriske ovner. Strukturelle elementer av sponplater. Elektrisk diagram. Elektroder. Teknologiske trekk ved stålsmelting i hoved-EAF. Smelteperioder. Varianter av smelteteknologi i kraftige ovner. 8. Stålsmelting i elektriske omsmeltingsovner. Stålsmelting i induksjonsovner. Fordeler med teknologi sammenlignet med sponplater. ESR, VDP-prosesser. 9. Produksjon av ferrolegeringer. Grunnleggende om produksjonsteknologien til en liten gruppe ferrolegeringer basert på Ti, V. Tekniske og økonomiske indikatorer for prosessene. 10. Produksjon av ikke-jernholdige metaller. Generell informasjon. Produksjonsmetoder (pyro-, hydro- og elektrometallurgiske). Metallurgi av kobber. Skjema for den pyrometallurgiske metoden for å produsere kobber. Brenning av kraftfôr og smelting for matte i etterklangs- og elektriske ovner. Konvertering av kobbermatter. Kobberraffinering. 3 11. Aluminiumsmetallurgi. Aluminium metallurgi. Råvarer og metoder for å produsere aluminium. Produksjonsordning for aluminium. Alumina produksjon. Raffinering av aluminium. 12. Produksjon av ildfaste metaller. Produksjon av ildfaste metaller. Kloridmetoder for metallproduksjon. Grunnleggende om titanproduksjon. Råvarer. Fremstilling av titantetroklorid. Jodidmetode for å produsere titan. Produksjon av ildfaste metaller. Tungsten produksjonsteknologi. Malmfornyelse. Tungsten konsentrat behandling ordningen. Fremstilling av metall wolframpulver fra WO3. 13. Ekstradomene mottak av jern. Generelle kjennetegn ved prosessene for ikke-domene jernproduksjon. 14. Minereduksjon og smelteprosess. Produksjon av jernsvamp i sjaktovner. 15.Produksjon av jernsvamp i periodisk fungerende retorter. Driftsprinsippet til enheten, råvarene og drivstoffet som brukes. Fordeler og ulemper med metoden. 16. Produksjon av jernsvamp i et fluidisert lag Prinsippet for drift av enheten, råvarene og drivstoffet som brukes. Fordeler og ulemper med metoden. 17. Produksjon av jernsvamp i en roterende ovn Prinsippet for drift av enheten, råvarene og drivstoffet som brukes. Fordeler og ulemper med metoden. 4 18. Produksjon av jernsvamp i kontinuerlige ovner Prinsippet for drift av enheten, råvarene og drivstoffet som brukes. Fordeler og ulemper med metoden. 19. Pulvermetallurgi Klassifisering av pulvermetallurgiprodukter og grunnleggende konsepter. 20. Egenskaper til metallpulver. Teknologiske, kjemiske og fysiske egenskaper. 21. Fremstilling av pulver. Mekaniske bearbeidingsmetoder og fysisk-kjemiske metoder. 22. Klargjøring av pulveriserte materialer for støping. Klassifisering, gjennomsnitt, blanding og utstyr for å utføre disse operasjonene. 23. Generelle konsepter og teoretiske grunnlag for støpeprosessen. Plastiske deformasjoner, komprimeringer avhengig av egenskapene til pulvermaterialer. Dosering av komponenter, blanding. Utstyr som brukes i støping. 24. Feil under pressing og faktorer som bidrar til at det oppstår. Årsaker til defekter og metoder for eliminering. 25. Rulling av pulver. En metode som brukes til å skaffe visse produkter. 5 ANBEFALT LITTERATUR Grunnlitteratur: 1. Voskoboynikov V.G., Kudrin V.A., Yakushev A.m. Generell metallurgi. – M.: ICC “Akademkniga”. 2002. – 786 s. 2. Arsentiev M.P., Yakovlev V.V., Krasheninnikov M.G. og andre Generell metallurgi. – M: metallurgi. 1986.-360 s. 3. Yavoisky V.I., Kryakovsky Yu.V., Grigoriev V.P. og andre Stålmetallurgi. M. "Metallurgy", 1983, 583 s. fra illus. 4. Bigeev A.M., Bigeev V.A., Stålmetallurgi. Magnitogorsk, MSTU, 2000 – 542 s. 5. Kudrin V.A. Teori og teknologi for stålproduksjon. – M.: Mir. 2003 – 528 s. 6. Bornatsky I.I., Mikhnevich V.F., Yargin S.A. Stålproduksjon. M.: Metallurgi. 1991. – 400 s. 7. Sokolov G.A. Stålproduksjon. M., "Metallurgy", 1982, 496 s. fra illus. 8. Shishkin Yu.I., Merchant A.K., Grigorova O.A. Teori og teknologi for omformerprosesser. Almaty. Gym. 2006. – 192 s. 9. Bornatsky I.I. Mikhnevich V.F., Yargin S.A. Stålproduksjon. M., "Metallurgy", 1991, 400 s. 10. Shishkin Yu.I., Lukin G.P. Metallurgiske beregninger, Almaty RIK., 2002. – 115 s. 11. Ryss M.A. Produksjon av ferrolegeringer.-M: Metallurgi. 1985-344 s. 12. Popel S.I., Sotnikov A.I., Boronenkov V.N. Teori om metallurgiske prosesser.-M: Metallurgi, 1986.-464s. 13. Ageenkov V.G., Mikhin Ya.Ya. Metallurgiske beregninger. M: Metallurgi, 1962, -208 s. 14. Edneral F.P., Filippov A.F. Beregninger for elektrometallurgi av stål og ferrolegeringer. –M.: Metallurgizdat, 1978.-230 s. 6 15. Kramarov A.D., Sokolov A.N. Elektrometallurgi av stål og ferrolegeringer. –M.: Metallurgi, 1976.-375 s. 16. Kjøpmann A.K., Shishkin Yu.I. Artykbaev O.A. Teori, teknologi og utstyr for bearbeiding av metaller utenfor ovnen - Almaty.: Gyym, 2004.-273s. 17. Sevryukov N.N., Kuzmin B.A., Chelishchev E.V. Generell metallurgi M.: Metallurgi, 1976.-568 s. 18. Generell metallurgi (metallurgi av jernholdige og ikke-jernholdige metaller). Redigert av E.V. Chelishchev. - M: Metallurgi, 1971.-480 s. 19. Knyazev V.F. Koksfri jernmetallurgi. M: Metallurgi, 1972 20. Tleugabulov S.M. Teoretisk grunnlag for produksjon av metaller, legeringer og avanserte materialer. Almaty: RIK-publikasjon om pedagogisk og metodisk litteratur, 2001, 332 s. 21. Kiparisov S.S., Libenson G. Powder metallurgy. Lærebok. M. "Metallurgy", 1997. Tilleggslitteratur 1. Ishmukhamedov N.K. Jernmetallurgi i Kasakhstan. Almaty: Scientific Research Center. “Gylym”, 2002.-50 s. 2. Elektrometallurgi av stål og ferrolegeringer. Redigert av Dovolotsky D.Ya. M.: Metallurgi, 1984.-438 s. 3. Gasik M.I., Lyakishev N.P. Emlin B.I. Teori og teknologi for ferrolegeringsproduksjon. –M.: Metallurgi, 1988.-784 s. 4. Shishkin Yu.I., Polshikov G.V., Bogomyakov V.I. Effektivitet av å bruke kalk i omfordelingen av fosforholdig støpejern i kraftige omformere.-Karaganda: Union of Scientific and Engineering Societies of the USSR, 1991.-43s. 5. Yavoisky V.I., Levin S.L., Baptistmansky V.I. og andre Metallurgi av stål M.: Metallurgy 1973.-816 s. fra illus. 6. Medzhibozhsky M.Ya. Grunnleggende om termodynamikk og kinetikk i stålfremstillingsprosesser. Kiev, "Visha School", 1979, 276 s. fra illus. 7 7. Linchevsky B.V., Sobolevsky A.L., Kalmenev A.A. Metallurgi av jernholdige metaller. – M.: Metallurgi, 1986. – 360 s. 8. Ponomareva K.S. Samling av problemer i fysisk kjemi - M.: Metallurgizdat, 1962.-232s. 9. Arsentiev M.P., Yakovlev V.V., Krasheninnikov M.G. og andre Generell metallurgi. – M: Metallurgi. 1986.-360 s. 10. Tleugabulov S.M. Teori og teknologi for fastfasereduksjon av jern med karbon. Almaty: Gym, 1992. 311 s. 11. Kiparisov S.S., Libenson G. Pulvermetallurgi. Lærebok. M. "Metallurgy", 1972, 528 s. 8
Metallurgi av jernholdige metaller
Du kan laste ned boken i djvu-format på slutten av beskrivelsen.
Seksjon én. STØPEJERN METALLURGI
Kapittel I. Råvarer fra masovnssmelting
§1. Krav til lademateriell
§ 2. Jernmalm
§ 3. Manganmalm
§ 4. Flukser
§ 5. Produksjonsavfall
§ 6. Masovnsbrensel
Kapittel II. Tilberedning av jernmalm
§1. Malmknusing og maling
§ 2. Malmsortering
§ 3. Malmfornyelse
§ 4. Agglomerasjon av jernmalm og konsentrater
§ 5. Produksjon av pellets
Kapittel III. Masovnsstruktur
§ 1. Gruve- og masovnsild
§ 2. Toppapparat
§ 3. Mating av ladningen inn i masovnen
§ 4. Automatisering av masovnen
§ 5. Helling av støpejern og slagg
§ 6. Fyllemaskiner
§ 7. Tilførsel av luftblåsing til ovnen og oppvarming av denne
§ 8. Rensing av masovnsgass
Kapittel IV. Domeneprosess
§ 1. Flytting av materialer i en masovn
§ 2. Oppvarming av ladningen
§ 3. Fjerning av fuktighet og flyktige stoffer
§ 4. Nedbryting av karbondioksidforbindelser
§ 5. Reduksjon av jernoksider
§ 6. Reduksjon av silisium og smelting av silisiumstøpejern
§ 7. Reduksjon av mangan og smelting av manganstøpejern
§ 8. Dannelse av støpejern og slagg i masovn
§ 9. Fosfors oppførsel
§ 10. Atferd av svovel
§ 11. Prosesser ved forbrenning av brensel i ildstedet til en masovn
§ 12. Metoder for intensivering av masovnsprosessen
§ 13. Masovnsprodukter
§ 14. Tekniske og økonomiske indikatorer for masovnsprosessen
Kapittel V. Direkte produksjon av jern
§ 1. Reduksjon ved gass i tykt lag
§ 2. Reduksjon med fast karbon
Seksjon to. STÅL METALLURGI
§1. Klassifisering av stål
Kapittel VI. Fysisk-kjemiske grunnleggende for stålproduksjon
§ 1. Generell informasjon om fysikalsk kjemi brukt i studiet av stålmetallurgi
§ 2. Slagger fra stålfremstillingsprosesser
§ 3. Grunnleggende reaksjoner ved stålfremstillingsprosesser
Kapittel VII. Stålproduksjon i omformere
§ 1. Kort beskrivelse av Bessemer og Thomas stålproduksjon
§ 2. Essensen av oksygenomformerprosessen
§ 3. Oksygen-omformer prosess med toppblåsing
§ 4. Oksygen-omformerprosess med melkeblåsing
§ 5. Omformerprosess med kombinert blåsing
§ 6. Omformerbearbeiding av støpejern med høyt fosforinnhold
§ 7. Rensing av oksygenomformergasser
§ 8. Smeltekontroll og prosessautomatisering
§ 9. Kvalitet på stål og tekniske og økonomiske indikatorer for oksygenomformerprosessen
§ 10. Bygging av oksygenomformerbutikker
Du kan også være interessert i:
Kapittel VIII. Stålproduksjon i åpne ildsteder
§ 1. Historie om utviklingen av åpen ildsted-prosessen
§ 2. Essensen i åpen ildsted-prosessen
§ 3. Bygging av åpen ildsted
§ 4. Termisk arbeid og brensel i en åpen ovn
§ 5. Varianter av åpen ildsted
§ 6. Hovedprosessen for åpen ild og dens varianter
§ 7. Sur åpen ildprosess
§ 8. Tekniske og økonomiske indikatorer for åpen ildsted-prosessen
§ 9. Dobbeltbads stålsmelteovner
Kapittel IX. Stålproduksjon i elektriske ovner
§ 1. Bygging av lysbueovner
§ 2. Smeltestål i hovedlysbueovn
§ 3. Smelting i sur elektrisk ovn
§ 4. Induksjonsovner og smelting i disse
Kapittel X. Anvendelse av vakuum ved produksjon av stål og legeringer
§ 1. Stålsmelting i vakuumovner
§ 2. Bearbeiding av flytende stål i vakuum
§ 3. Spesielle metoder for elektrometallurgi
Kapittel XI. Stålstøping
§ 1. Støpestål ovenfra
§ 2. Støping av stål med sifon
§ 3. Utstyr for støping av stål
§ 4. Støpeteknikk
§ 5. Stålstøping ved UNRS
§ 6. Begrepet kokende, rolig og halvstille stål
§ 7. Struktur av stålblokker
§ 8. Kjemisk heterogenitet og feil ved stålblokker
Kapittel XII. Ferrolegeringsproduksjon
§1. Design av ferrolegeringsovner
§2. Ferrosilisium produksjonsteknologi
§3. Produksjon av ferromangankarbon
§4. Produksjon av karbon ferrokrom
§5. Metallotermisk metode for produksjon av ferrotitanium
Del tre. METALLFORMING
Kapittel XIII. Plastisk deformasjon og grunnleggende rulleteori
§1. Styrker og spenninger
§2. Spenningstilstandsdiagrammer og deformasjonsdiagrammer
§3. Plastisitetsligning
§4. Plastisk deformasjon av metaller og legeringer i varme og kalde tilstander
§5. Plastisk endring i formen til krystallinske legemer
§6. Ujevn deformasjon
§7. Konstans av metallvolum og deformasjonskoeffisienter
§8. Dislokasjoner
§9. Loven om minst motstand
§10. Grunnleggende om rullende teori
§elleve. Tilstand for å fange metall med ruller
§12. Rollen til friksjon under rulling. friksjonskoeffisient under plastisk deformasjon
§1. 3. Avhengighet av arbeidsdiameteren til rullene på graden av deformasjon og friksjonskoeffisient
§14. Rullende utvidelse
§15. Forover når du ruller
§16. Rullekraft
§17. Retning av krefter som virker på rullene og rullemoment
§18. Eksperimentell bestemmelse av rullekraft
Kapittel XIV. Oppvarming av metall før rulling og oppvarmingsanordninger
§1. Stålvarmetemperatur før rulling
§2. Oppvarmingshastighet av metall
§3. Metalltemperatur ved slutten av rullingen
§4. Avkjøling av stål etter valsing
§5. Ingot oppvarming
§6. Oppvarming av arbeidsstykker
Kapittel XV. Hoved- og hjelpeutstyr til valseverk
§1. Hovedlinje til valseverk
§2. Klassifisering av valseverk
§3. Klassifisering av arbeidsstander til valseverk
§4. Utstyr til hovedlinjen til valseverket
§5. Hjelpeutstyr for valseverk
Kapittel XVI. Rulleteknologi
§1. Klargjøring av blokker og blokker for valsing
§ 2. Kalibrering av ruller
§ 3. Prosesskontroll
§ 4. Teknologiske ordninger for rullende produksjon ved et metallurgisk anlegg
§ 5. Blomstringsproduksjon
§ 6. Produksjon av emner
§ 7. Produksjon av storkvalitetsstål
§ 8. Produksjon av middels stål
§ 9. Produksjon av småkvalitetsstål
§ 10. Produksjon av valsetråd
§ 11. Produksjon av skinner og bjelker
§ 12. Spesielle fabrikker
§ 13. Tekniske og økonomiske indikatorer for driften av lange valseverk
§ 14. Produksjon av platestål
§ 15. Produksjon av bredbåndsstål
§ 16. Produksjon av kaldvalsede plater og bånd
§ 17. Produksjon av valsede produkter fra metallpulver
§ 18. Tekniske og økonomiske indikatorer for platevalseverk
Kapittel XVII. Produksjon av sømløse og sveisede rør
§ 1. Produksjon av sømløse rør
§ 2. Produksjon av rør på automatisk mølle
§ 3. Produksjon av rør på sammenhengende mølle
§4. Produksjon av kaldvalsede rør
§ 5. Produksjon av rør ved kontinuerlig ovnsveising
§ 6. Produksjon av elektrisk sveisede rør
Kapittel XVIII. Tegneproduksjon
§ 1. Grunnleggende om tegningsteori
§ 2. Drag
§ 3. Smøring under tegning
§ 4. Teknologisk prosess for trådproduksjon
§ 5. Trådtrekkemaskiner
Laster inn...
