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# estudiar

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Metalurgia de metales ferrosos

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Seccion uno. METALURGIA DEL HIERRO

Capítulo I Materias Primas de Alto Horno

§una. Requisitos para los materiales de carga
§ 2. Minerales de hierro
§ 3. Minerales de manganeso
§ 4. Flujos
§ 5. Residuos de producción
§ 6. Combustible de alto horno

Capitulo dos. Preparación de minerales de hierro.

§una. Trituración y molienda de mineral
§ 2. Clasificación de minerales
§ 3. Enriquecimiento del mineral
§ 4. Aglomeración de minerales y concentrados de hierro
§ 5. Producción de pellets

Capítulo III. dispositivo de alto horno

§ 1. Pozo y solera de un alto horno.
§ 2. Dispositivo superior
§ 3. Suministro de carga al alto horno
§ 4. Automatización de altos hornos
§ 5. Verter hierro y escoria.
§ 6. Máquinas llenadoras
§ 7. Suministro de aire comprimido al horno y su calentamiento.
§ 8. Purificación de gas de alto horno

Capítulo IV. proceso de dominio

§ 1. El movimiento de materiales en un alto horno.
§ 2. Calentamiento de la carga
§ 3. Eliminación de humedad y volátiles
§ 4. Descomposición de compuestos de dióxido de carbono.
§ 5. Recuperación de óxidos de hierro
§ 6. Restauración de silicio y fundición de hierro fundido de silicio.
§ 7. Recuperación de manganeso y fundición de hierro fundido de manganeso
§ 8. Formación de arrabio y escoria en un alto horno
§ 9. El comportamiento del fósforo
§ 10. El comportamiento del azufre
§ 11. Los procesos de combustión de combustible en el hogar de un alto horno.
§ 12. Métodos de intensificación del proceso de dominio.
§ 13. Productos de alto horno
§ 14. Indicadores técnicos y económicos del proceso de alto horno.

Capítulo V. Producción directa de hierro

§ 1. Reducción de gas en una capa gruesa
§ 2. Recuperación con carbón sólido

Sección dos. METALURGIA DEL ACERO

§una. Clasificación de acero

Capítulo VI. Bases físicas y químicas de la producción de acero.

§ 1. Información general sobre química física utilizada en el estudio de la metalurgia del acero.
§ 2. Escorias de procesos siderúrgicos
§ 3. Las principales reacciones de los procesos siderúrgicos.

Capítulo VII. Producción de acero en convertidores

§ 1. Breve descripción de la producción de acero de Bessemer y Thomas
§ 2. La esencia del proceso del convertidor de oxígeno.
§ 3. Proceso BOF con purga superior
§ 4. Proceso convertidor de oxígeno con purga de leche
§ 5. Proceso convertidor con purga combinada
§ 6. Procesamiento de convertidores de hierros fundidos con alto contenido de fósforo.
§ 7. Purificación de gases convertidores de oxígeno
§ 8. Control de fusión y automatización de procesos.
§ 9. Calidad del acero e indicadores técnicos y económicos del proceso convertidor de oxígeno.
§ 10. Disposición de tiendas de convertidores de oxígeno.

También te puede interesar:

Capítulo VIII. Producción de acero en hornos de hogar abierto

§ 1. Historia del desarrollo del proceso de hogar abierto.
§ 2. La esencia del proceso de hogar abierto.
§ 3. El dispositivo de un horno de hogar abierto.
§ 4. Trabajo térmico y combustible de un horno de hogar abierto.
§ 5. Variedades del proceso de hogar abierto.
§ 6. El principal proceso de hogar abierto y sus variedades.
§ 7. Proceso ácido de hogar abierto
§ 8. Indicadores técnicos y económicos del proceso de hogar abierto.
§ 9. Hornos de acero de doble baño.

Capítulo IX. Producción de acero en hornos eléctricos

§ 1. El dispositivo de hornos de arco eléctrico.
§ 2. Fusión de acero en el horno de arco eléctrico principal
§ 3. Fundición en horno eléctrico ácido
§ 4. Hornos de inducción y fusión en ellos.

Capítulo X. El uso del vacío en la producción de acero y aleaciones

§ 1. Fundición de acero en hornos de vacío
§ 2. Tratamiento del acero líquido al vacío
§ 3. Métodos especiales de electrometalurgia

Capítulo XI. Fundición de acero

§ 1. Fundición de acero desde arriba.
§ 2. Sifón de acero de colada
§ 3. Equipo para verter acero.
§ 4. Tecnología de fundición
§ 5. Fundición de acero en UNRS
§ 6. El concepto de acero en ebullición, calma y semi-calma
§ 7. La estructura de los lingotes de acero.
§ 8. Inhomogeneidad química y defectos de los lingotes de acero.

Capítulo XII. producción de ferroaleaciones

§una. El dispositivo de hornos de ferroaleaciones.
§2. Tecnología de producción de ferrosilicio
§3. Producción de ferromanganeso de carbono
§cuatro. Producción de carbono ferrocromo
§5. Método metal-térmico para la producción de ferrotitanio

Sección tres. CONFORMACIÓN DE METALES

Capítulo XIII. Deformación plástica y fundamentos de la teoría del rodamiento.

§una. Fuerzas y tensiones
§2. Diagramas de estados de tensión y diagramas de deformación.
§3. Ecuación de plasticidad
§cuatro. Deformación plástica de metales y aleaciones en condiciones de frío y calor
§5. Cambio plástico en la forma de los cuerpos cristalinos.
§6. deformación desigual
§7. Constancia de volumen de metal y factores de deformación
§ocho. Ubicaciones
§9. Ley de mínima resistencia
§diez. Fundamentos de la teoría de rodadura
§once. Condición de agarre de rollos
§12. El papel de la fricción durante la rodadura. coeficiente de fricción plástica
§13. Dependencia del diámetro de trabajo de los rodillos del grado de deformación y del coeficiente de rozamiento
§catorce. Ampliación rodante
§quince. Plomo rodante
§dieciséis. fuerza de rodadura
§17. La dirección de las fuerzas que actúan sobre los rodillos y el momento de rodadura.
§Dieciocho. Determinación experimental de la fuerza de rodadura

Capítulo XIV. Calentamiento de metal antes de los dispositivos de laminación y calentamiento.

§una. Temperatura de calentamiento del acero antes de laminar
§2. Tasa de calentamiento de metales
§3. Temperatura del metal al final del laminado
§cuatro. Enfriamiento del acero después del laminado.
§5. Calentamiento de lingotes
§6. Calentamiento de piezas

Capítulo XV. Equipos principales y auxiliares de trenes de laminación

§una. Línea principal del tren de laminación
§2. Clasificación de los trenes de laminación.
§3. Clasificación de los puestos de trabajo de los trenes de laminación.
§cuatro. Equipo de línea principal de tren de laminación
§5. Equipos auxiliares para trenes de laminación

Capítulo XVI. Tecnología de laminación

§una. Preparación de lingotes y piezas en bruto para laminación.
§ 2. Calibración de rollos
§ 3. Control de procesos
§ 4. Esquemas tecnológicos de producción de laminación en una planta metalúrgica.
§ 5. Producción de flores
§ 6. Producción de espacios en blanco
§ 7. Producción de acero de sección alta
§ 8. Producción de acero medio.
§ 9. Producción de acero de sección baja
§ 10. Producción de alambrón
§ 11. Fabricación de rieles y vigas.
§ 12. Molinos de propósito especial
§ 13. Indicadores técnicos y económicos de la operación de trenes de laminación de perfiles.
§ 14. Producción de placas de acero.
§ 15. Producción de acero de banda ancha
§ 16. Producción de láminas y tiras laminadas en frío
§ 17. Producción de productos laminados a partir de polvos metálicos.
§ 18. Indicadores técnicos y económicos del trabajo de los trenes de laminación de láminas.

Capítulo XVII. Producción de tubos sin costura y con costura.

§ 1. Producción de tubos sin costura
§ 2. Producción de tubos en un molino automático.
§ 3. Producción de tubos en un molino continuo
§cuatro. Producción de tubos laminados en frío
§ 5. Producción de tubos por soldadura en horno continuo
§ 6. Producción de tubos electrosoldados

Capítulo XVIII. Producción de dibujo

§ 1. Fundamentos de la teoría del dibujo.
§ 2. Arrastre
§ 3. Lubricación durante el dibujo
§ 4. Proceso tecnológico de producción de alambre.
§ 5. Máquinas trefiladoras

Ministerio de Educación y Ciencia de la Federación Rusa

Agencia Federal para la Educación

Universidad Estatal del Sur de los Urales

Sucursal en Zlatoust

Departamento de Metalurgia General

669. 02/ . 09 (07)

D463

TEORÍA DE LOS PROCESOS METALÚRGICOS

Tutorial

Cheliábinsk

Editorial SUSU

INTRODUCCIÓN

Los procesos metalúrgicos son una combinación de fenómenos físicos y transformaciones físicas y químicas (movimiento de gases, materiales líquidos y sólidos, transferencia de calor y masa, transiciones de fase, oxidación y reducción de materiales, etc.) que ocurren en unidades metalúrgicas (alto horno, máquina de sinterización , hornos siderúrgicos y de calentamiento, convertidor) a altas temperaturas. El tema de estudio de la asignatura “Teoría de los procesos metalúrgicos” son las reacciones que ocurren en estas unidades metalúrgicas.

El curso TMT ocupa una posición especial entre todas las disciplinas metalúrgicas, de hecho, se trata de química física aplicada en relación con el análisis de los fenómenos que ocurren en la producción de hierro, acero y ferroaleaciones.

Los fundamentos teóricos de los procesos metalúrgicos se consideran en una secuencia determinada: primero, sobre la base de las leyes de la termodinámica, se analizan las condiciones de equilibrio de los procesos químicos, luego, la cinética y las características del mecanismo de los procesos. Estas preguntas son las principales tareas a resolver en el estudio del curso TMT.

1. COMPOSICIÓN Y PROPIEDADES DEL GAS DE ALTA TEMPERATURA ATMÓSFERAS

1.1. Termodinámica de atmósferas gaseosas

Los procesos pirometalúrgicos para la producción de fundidos metalúrgicos (hierro fundido, acero, aleaciones) proceden con la participación de atmósferas gaseosas, que pueden ser neutras, oxidantes y reductoras.

La composición, presión y temperatura de la fase gaseosa dependen de la naturaleza de su interacción con otras fases formadas durante la producción de metales y aleaciones. En este caso, tanto la composición intermedia como la total de la fase gaseosa son muy similares:

productos de la interacción completa de elementos con oxígeno: CO2, H2O (vapor), SO3;

productos de interacción incompleta con oxígeno, disociación de óxidos y desgasificación de metales - CO, SO2, H2, O2, N2, CH4; gases inertes - Ar, Kr.

La composición de equilibrio de la fase gaseosa se puede calcular sobre la base de un análisis termodinámico de reacciones químicas, las más importantes de las cuales son las reacciones de interacción con oxígeno de hidrógeno, monóxido de carbono, metano y dióxido de azufre.

Estas reacciones reversibles se describen mediante las siguientes ecuaciones químicas (por 1 mol de O2):

2H2 + O2 = 2H2O(vapor),	J;
2CO + O2 = 2CO2,	J;
2СH4 + O2 = 2СО + 4H2O,	J;
1/2СH4 + O2 = 1/2СО2 + Н2О,	J;	(1.4)
2SO2 + O2 = 2SO3,	j

El análisis termodinámico de estas reacciones reversibles permite establecer los contenidos de equilibrio y las presiones parciales de oxígeno molecular, así como caracterizar las propiedades redox de la fase gaseosa en estas reacciones.

Sin embargo, una característica termodinámica más importante que determina la dirección de las reacciones químicas es el cambio en la energía de Gibbs D GT, cuyo cambio estándar D G° Т, dependiendo de la temperatura para las reacciones (1.1)–(1.5) tiene la forma, J:

D G° (1.1) = - + 108 T;

D G° (1.2) = - + 175 T;

D G° (1.3) = - + 370 T;

D G° (1.4) = - + 2 T;

D G° (1.5) = - + 196 T.

En la fig. 1.1 muestra gráficos de estas dependencias.

Arroz. 1.1. Energía de Gibbs estándar para reacciones de combustión

Estas dependencias son válidas a temperaturas de hasta 2500 K y una presión total en el sistema P = 1 atm, es decir, hasta los procesos de disociación de H2O, O2, H2 en átomos, su ionización y formación de plasma.

Del análisis de las dependencias dadas y gráficos de la forma D G° Т = f(Т) en la fig. 1.1 se deduce que al aumentar la presión, el equilibrio de las reacciones (1.1), (1.2) y (1.5) se desplaza hacia adelante, y al aumentar la temperatura, disminuye la completitud de estas reacciones. Un cambio en la presión no afecta el equilibrio de la reacción (1.4), y el curso directo de la reacción (1.3) se ralentiza al aumentar la presión. A medida que aumenta la temperatura, las reacciones (1.3) y (1.4) se caracterizan por un curso más completo.

La composición de equilibrio de la atmósfera resultante y las presiones parciales de sus componentes permitirán determinar y calcular las propiedades redox (ORS) de la fase gaseosa que actúa sobre los materiales de un sistema heterogéneo susceptible de oxidación o reducción.

La característica cuantitativa más simple del OBC de cualquier mezcla de gases es la presión parcial de equilibrio del oxígeno. Sin embargo, una estimación más precisa del TBC de una atmósfera gaseosa es su potencial de oxígeno pО, que es el valor del potencial químico del oxígeno molecular cuando se cuenta desde el estado estándar, en el que DIV_ADBLOCK144 ">

El valor de pО depende de la temperatura y de la composición de la fase gaseosa, que se expresa en términos de la relación de las presiones parciales de los reactivos que afectan.

En las unidades metalúrgicas, las atmósferas gaseosas constan de muchos componentes que están constantemente involucrados en transformaciones fisicoquímicas. El análisis termodinámico de tales sistemas se basa en la afirmación de que se logra un equilibrio químico complejo como resultado del establecimiento simultáneo de todos los equilibrios parciales posibles en el sistema.

Entonces, con la ocurrencia simultánea de las reacciones (1.1)–(1.5) en la fase gaseosa en T=const, las presiones de estos componentes tomarán valores correspondientes a las constantes de equilibrio КР(1.1)–КР(1.5), y el potencial de oxígeno de la mezcla de gases

se puede calcular a partir de los datos de cualquiera de estos equilibrios, por ejemplo, a partir de la ecuación

En la mezcla de gases de ocho componentes considerada, además de las reacciones (1.1)–(1.5), también son posibles otras interacciones químicas entre los reactivos. De mayor interés es la llamada reacción de gas de agua (una mezcla de cuatro gases H2 - H2O - CO - CO2 se llama gas de agua):

H2 + CO2 \u003d H2O + CO, D G ° (1.5) \u003d - 33.5T J. (1.8)

El análisis de esta reacción es extremadamente importante en metalurgia para estimar el equilibrio en atmósferas gaseosas cuando se usa gas natural o aire húmedo en un alto horno y otras unidades metalúrgicas.

Para determinar la composición de equilibrio del sistema de reacción (1.8), es necesario especificar no solo el valor de la constante de equilibrio

(1.9)

y presion general

(1.10)

pero también dos condiciones más, que se derivan del análisis del número de grados de libertad:

C \u003d p + 2 - F \u003d 3 + 2 - 1 \u003d 4.

En la práctica, la mayoría de las veces se establece la composición inicial del sistema o las presiones de vapor parciales en la mezcla inicial. En nuestro caso, además de P y T, como dos variables, podemos elegir números inalterados de moles de carbono e hidrógeno o sumas inalteradas de presiones parciales de hidrógeno y gases que contienen carbono:

(1.11)

(1.12)

La solución conjunta de las ecuaciones (1.9)–(1.12) permite encontrar la composición de equilibrio de la mezcla de gases. Los resultados del cálculo se pueden presentar gráficamente, mientras que los datos iniciales son las siguientes proporciones:

(1.13)

A partir del gráfico (Fig. 1..gif "width="69" height="28"> y viceversa. Después de calcular el valor de equilibrio de %CO / %CO2 (o %H2 / %H2O), puede determinar el potencial de oxígeno del sistema CO - CO2 - H2 - H2O y trazar en la Fig. 1.2 líneas de valores constantes de pO.

Arroz. 1.2. Relación entre %CO/ %CO2 y %H2 / %H2O.

1.2. Procesos de gases homogéneos

El análisis termodinámico de las reacciones que ocurren en atmósferas gaseosas complejas solo permite juzgar la posibilidad de que una reacción se desarrolle en sentido directo o inverso y calcular la composición de la fase gaseosa. Sin embargo, en este caso es imposible considerar el mecanismo de los procesos de interacción y realizar su análisis cinético.

El mecanismo de interacción de las moléculas saturadas de valencia debe incluir la ruptura o el debilitamiento de los enlaces de valencia. Esto requiere grandes costes energéticos, que no pueden compensarse únicamente con la energía del movimiento térmico de las moléculas. Como muestran los datos experimentales, todas las reacciones de combustión tienen un mecanismo en cadena caracterizado por la participación de centros activos (partículas) - átomos y radicales con valencias libres. Los actos más simples de un proceso de oxidación de múltiples etapas comienzan después de la formación de centros activos y proceden como reacciones químicas entre ellos y moléculas con una energía de actividad baja. Una característica de tales reacciones es la reproducción de centros activos. Según la naturaleza de su curso, las reacciones en cadena se dividen en no ramificadas, ramificadas y con ramificación degenerada.

En general, la reacción modelo en la teoría de reacciones en cadena es la reacción de combustión de hidrógeno más estudiada, que se caracteriza por un pequeño número de productos intermedios y actos elementales bien definidos. Están:

1) reacciones de formación de centros activos en el volumen de la mezcla y en la pared del recipiente:

E1,14 = 198,55 kJ/mol; (1.14)

E1,15 = 180,7 kJ/mol; (1.15)

Nads + O2 = HO2; (1.16)

2) reacción de continuación en cadena:

https://pandia.ru/text/79/398/images/image020_45.gif" width="172" height="48 src="> E1.17=41.9 kJ/mol; (1.17)

3) reacciones de ramificación en cadena:

E1,18 = 63,27 kJ/mol; (1.18)

E1,19 = 25,14 kJ/mol; (1.19)

4) reacción de terminación de cadena (desactivación) en la pared

; (1.20)

5) reacción de terminación de cadena en la mayor parte de la fase gaseosa (M es una molécula neutra):

E(1.21) » 0; D H1.20 \u003d - 197 kJ / mol. (1.21)

La velocidad de cada una de estas reacciones está determinada por la presión parcial P y el orden de reacción n y se puede representar en forma general como

V = constante × https://pandia.ru/text/79/398/images/image029_30.gif" width="411 height=267" height="267">

Arroz. 1.3. Condiciones de ignición para una mezcla de gases (H2 + O2)

2. ANÁLISIS DE LOS PROCESOS DE COMBUSTIÓN DEL CARBONO SÓLIDO

De las posibles interacciones del carbono con los agentes oxidantes, consideremos las más importantes.

1. La reacción de combustión incompleta del carbono.

2C + O2 \u003d 2CO, D G ° T (2.1) \u003d - - 180T J / mol. (2.1)

2. Reacción de combustión completa

C + O2 \u003d CO2, D G ° T (2.2) \u003d - - 2.3 T J / mol. (2.2)

3. La reacción de gasificación de carbón con vapor de H2O a CO

2C + 2H2O = 2CO + 2H2, D G ° T (2.3) = - 288T J / mol. (2.3)

4. La reacción de gasificación de carbón con vapor de H2O a CO2

C + 2H2O \u003d CO2 + 2H2, D G ° T (2.4) \u003d - 110.6 T J / mol. (2.4)

5. Reacción de gasificación de carbono

C + CO2 = 2CO, D G ° T (2,5) = - 177,7 T J / mol. (2.5)

De mayor interés es la reacción (2.5), que es endotérmica: D H° = 172,6 kJ.

Por la relación , que se establece por la reacción de gasificación del carbono, se puede juzgar el efecto del carbono sólido en la composición de la fase gaseosa del sistema C - CO - CO2 en un amplio rango de temperatura. La composición de equilibrio de esta atmósfera gaseosa se muestra en la fig. 2.1.

Según el principio de Le Chatelier, un aumento de la presión desplaza el equilibrio de la reacción de gasificación del carbono hacia la izquierda, es decir, a temperatura constante, la mezcla gaseosa en equilibrio se enriquece con dióxido de CO2. A medida que disminuye la presión, aumenta la concentración de CO en la fase gaseosa.

El proceso heterogéneo de la interacción del carbono con un agente oxidante consta de varias etapas:

2) difusión molecular a través de una capa hidrodinámica de espesor d Г, donde se conserva el flujo laminar;

3) adsorción del agente oxidante sobre la superficie del carbón;

4) interacción química con formación de productos adsorbidos (CO2 a bajas temperaturas y CO a altas temperaturas);

5) desorción de productos de reacción;

6) difusión (molecular y turbulenta) de productos de reacción en una corriente de gas.

Arroz. 2.1. La composición de la atmósfera gaseosa (CO- CO2) en equilibrio con carbono sólido

El límite en el proceso de oxidación del carbono es la etapa cinética de adsorción, que combina las etapas 3, 4 y 5. La difusión molecular también puede ser limitante.

La tasa de difusión por unidad de área se puede calcular usando la fórmula

(2.6)

donde D es el coeficiente de difusión, b es el coeficiente de transferencia de masa, Co y Spow son la concentración de oxidante en el volumen de la fase gaseosa y en la superficie del carbón, respectivamente.

La tasa de interacción química está determinada por la concentración del reactivo adsorbido Spow:

(2.7)

donde K es la constante de velocidad de la reacción, que depende exponencialmente de la temperatura de la energía de activación del proceso, n es el orden de la reacción (en este caso, n = 1).

Si el proceso de interacción del carbono con la fase gaseosa ocurre en modo estacionario, es decir, sin cambiar la velocidad con el tiempo, entonces la velocidad de este proceso Vprot se determina como

Vproc \u003d Vx. p = VD. (2.8)

Sustituyendo las relaciones (2.6) y (2.7) en (2.8), finalmente obtenemos la tasa observada del proceso de oxidación del carbono:

(2.9)

Dependiendo de la relación de los valores K y b, son posibles los siguientes modos de oxidación:

– cinética en b >>K;

– difusión en К>>b;

– cinética de difusión en К » b .

El análisis termodinámico de la reacción (2.5) permite revelar las condiciones para la descomposición del monóxido de carbono. Esto es posible en atmósferas gaseosas con una relación grande y con temperatura decreciente. El valor de D G ° T para la reacción.

2CO = CO2 + C

disminuye al disminuir la temperatura, pero cinéticamente, sin un catalizador, es difícil llevar a cabo esta reacción, que se utiliza, por ejemplo, en el proceso de cementación.

Para la oxidación del enlace "C - O" en la molécula de CO, se necesita una superficie sólida catalítica, el catalizador más fuerte es el hierro. En este caso, las principales etapas del proceso de descomposición del CO con formación de carbón sólido finamente disperso serán las siguientes:

1) adsorción de una molécula de CO en la superficie del catalizador, lo que conduce a un debilitamiento del enlace "C - O";

2) el proceso de descomposición por impacto de una molécula activa de CO de la fase gaseosa sobre la adsorbida según la reacción

CO + Soads = CO2 + C.

3. EVALUACIÓN DE LA FUERZA DE LOS COMPUESTOS QUÍMICOS

Los procesos de disociación de los compuestos más importantes para la metalurgia -óxidos, nitruros, carbonatos- son muy importantes, ya que son un método directo para la obtención de metales. Estos procesos son muy similares y, dependiendo de la temperatura, se pueden representar mediante ecuaciones de la forma:

AVtv \u003d Atv + Vgas;

AVtv \u003d Azh + Vgas;

AVzh \u003d ATV + Vgas;

AVzh \u003d Azh + Vgas.

El valor de la presión parcial de equilibrio del producto gaseoso de estas reacciones se llama elasticidad de disociación conexión AB y caracteriza la fuerza de esta conexión. Las reacciones de disociación son endotérmicas, es decir, con un aumento de la temperatura, el equilibrio se desplaza hacia los productos de la reacción. Reducir la presión mientras se mantiene la composición de la fase gaseosa tiene un efecto similar.

De acuerdo con la regla de la fase de Gibbs, el número de grados de libertad para las reacciones de disociación se define como

C \u003d K + 2 - F \u003d 2 + 2 - 3 \u003d 1,

es decir, para una característica cuantitativa, solo un parámetro independiente es suficiente: la temperatura, de la cual depende la constante de equilibrio del proceso:

Kp \u003d PB \u003d ¦ (T).

Arroz. 3.1. Dependencia de la elasticidad de disociación del compuesto AB con la temperatura

En la fig. 3.1 muestra la dependencia de RW de la temperatura para estas reacciones.

3.1. Disociación de carbonatos

En metalurgia ferrosa, el análisis de la reacción de disociación de carbonatos de calcio CaCO3, magnesio MgCO3, manganeso MnCO3, hierro FeCO3 (siderita) y dolomita CaMg(CO3)2 es de gran interés práctico. Los procesos de disociación de estos compuestos son del mismo tipo y proceden según la ecuación:

MeCO 3 \u003d MeO + CO 2,

El valor es la elasticidad de la disociación del carbonato y caracteriza la medida de la fuerza química del compuesto.

De mayor interés es la reacción de disociación del carbonato de calcio, que es parte de los materiales de carga de la producción de acero y altos hornos, y también se utiliza para producir CaO a través del tostado de piedra caliza.

La reacción de disociación de CaCO3 se describe mediante una ecuación de la forma

CaCO 3 \u003d CaO tv + CO 2, \u003d J; (3.1)

D G° T = - 150 T; Kp(3.1) =

La dependencia de la elasticidad de la disociación del carbonato con la temperatura se muestra en la Fig. . 3.2.

Arroz. 3.2. Elasticidad de disociación de CaCO3

El análisis de esta dependencia gráfica utilizando la isoterma de reacción química muestra que la disociación de carbonato es posible cuando el valor real es menor que el valor de equilibrio y al mismo tiempo D G ° T< 0. Температура, при которой возможен этот процесс, является температурой начала диссоциации ТНД.

Cualquier punto figurativo 1 por encima de la línea de equilibrio en la Fig. 3.2 corresponde a la existencia estable de carbonato de CaCO3. Cualquier punto figurativo 2 debajo de la línea corresponde a la existencia estable de óxido de CaO.

El proceso de disociación del carbonato avanza a gran velocidad a temperaturas por encima del punto de ebullición químico del TCA, en el que la elasticidad de disociación se vuelve igual a la presión externa total de la fase gaseosa.

3.2. Disociación de óxidos de hierro

La termodinámica de los procesos de disociación de óxidos es similar al proceso de disociación de carbonatos, las características se asocian únicamente con la presencia de diferentes grados de valencia en algunos metales, en particular, en óxidos de hierro.

De acuerdo con el principio de Baikov, la disociación de los óxidos de hierro ocurre secuencialmente, desde el más alto hasta el más bajo, hasta la formación de un metal. Las reacciones de disociación tienen la siguiente forma:

6Fe2O3 \u003d 4Fe3O4 + O2, D G ° T \u003d - 281,3 T J; (3.2)

2Fe3O4 \u003d 6FeO + O2, D G ° T \u003d - 250,2 T J; (3.3)

2FeO \u003d Fe + O2, D G ° T \u003d - 130,7 T J; (3.4)

1/2Fe 3O 4 = 3/2Fe + O 2, D G ° T = - 160,2 T J. (3,5)

Estos óxidos existen en ciertos rangos de temperatura. En la fig. 3.3 muestra gráficos de dependencias D G ° T de la temperatura de las reacciones (1)–(4).

Arroz. 3.3. Energía de Gibbs estándar de las reacciones de disociación del óxido de hierro

De acuerdo con los valores calculados de la elasticidad de disociación, las dependencias presentado en la fig. 3.4.

Arroz. 3.4. Áreas de existencia sostenible

hierro y sus óxidos

Este diagrama muestra las áreas de existencia estable del hierro puro y sus óxidos en un amplio rango de temperatura. El punto O corresponde al equilibrio invariante con parámetros Т = 575° С y » - 26 (hay cuatro fases en equilibrio: Fe sólido, FeO, Fe3O4 y О2). En las líneas restantes, se realiza el equilibrio invariante. Cualquier punto entre líneas corresponde a un estado fijo del sistema bivariante, lo que permite determinar las condiciones para la existencia estable de esta fase condensada.

3.3. Mecanismo y cinética de los procesos de disociación.

Características distintivas de los procesos de disociación que proceden según la reacción de la forma.

AVtv ® Atv + Vgas,

son:

– la presencia del proceso de nucleación de una nueva fase sólida;

– localización del proceso en la interfaz entre las fases sólidas “antigua” y “nueva”;

– dependencia de la tasa de proceso del grado de conversión.

Como característica de tal proceso, se utiliza el grado de conversión a :

donde mAB (p ) , mAB (ref) – equilibrio y valores iniciales del compuesto AB.

Grado de conversión a depende del tiempo del proceso, lo que está confirmado por numerosos datos experimentales (Fig. 3.5).

font-size:13.0pt;letter-spacing:-.1pt">Fig. 3.5. Dependencias isotérmicas del grado de conversión a de vez
y la tasa de transformación del grado de transformación

En este caso, se pueden distinguir tres etapas:

YO- el período de inducción, que se caracteriza por bajas tasas del proceso debido a las dificultades en la nucleación de una nueva fase;

yo- autocatálisis asociada a la aceleración de la reacción de disociación;

III- el período de finalización del proceso, que está asociado con una disminución en la cantidad de la fase anterior y la interfaz.

Los estudios experimentales de los procesos de disociación indican que tal proceso procede de acuerdo con el esquema

AVtv ® Atv × Vgas (anuncios) ® Atv + Vgas.

En este caso, la formación de un nuevo núcleo de fase en las profundidades del antiguo debería ir acompañada de una disminución de la energía de Gibbs del sistema, calculada por la ecuación

DG = DGV + DGW,

donde D GV y D GW son los componentes de volumen y superficie del cambio total en la energía de Gibbs.

Los valores D GV y D GW se definen como

VGD=

DGW = S × s,

donde V y S son el volumen y la superficie del núcleo de la nueva fase, r y M son la densidad y el peso molecular de la nueva fase, s es la tensión superficial, m 2 y m 1 son los potenciales químicos del compuesto AB en la nueva y vieja fase.

Del análisis de esta relación se deduce que el proceso espontáneo de formación de una nueva fase es posible en una cierta relación de m 2 y m 1.

En Т £ Тнд m 2 ³ m 1, y en este caso la aparición de un núcleo de cualquier tamaño es termodinámicamente imposible.

Si T > Tnd, entonces m 2 > m 1, y los términos en la fórmula para D G tienen un signo diferente, ya que al aumentar r, el primer término crece más rápido en valor absoluto, entonces la curva D G \u003d f (r) tiene un máximo, cuya posición determina el valor del núcleo crítico, cuyo crecimiento va acompañado de una disminución de la energía del sistema. Bajo ciertas condiciones, el núcleo de una nueva fase se vuelve termodinámicamente estable. El grado de sobrecalentamiento del compuesto ABtv determina tanto el radio del núcleo crítico como su estabilidad. Para determinar el tamaño del núcleo crítico, es necesario investigar la función D G = f (r) para un extremo, luego de lo cual obtenemos

El valor D m \u003d m 1 - m 2 se denomina saturación química y es la fuerza impulsora del proceso de disociación.

En la fig. 3.6 muestra la condición para el surgimiento y crecimiento del núcleo de una nueva fase.

Del análisis de dependencias se deduce que, en igualdad de condiciones, cuanto mayor es el sobrecalentamiento, menor es el núcleo crítico y más fácil (más rápido) el proceso de disociación de los compuestos.

Arroz. 3.6. Condiciones de crecimiento para un núcleo de nueva fase

Así, el crecimiento del núcleo de un nuevo medio depende de la temperatura, el tiempo y la movilidad de las partículas que forman el nuevo medio. El estudio del mecanismo de una transformación particular permite determinar dependencias analíticas, sin embargo, son aceptables, por regla general, solo para el caso analizado. En este caso, es necesario tener en cuenta los obstáculos naturales al crecimiento asociados con la "superposición" del núcleo de una nueva fase y la limitación del proceso por cualquiera de sus etapas elementales.

Los sistemas reales pueden diferir significativamente de los modelos de disociación creados, al crear cuál se debe prestar atención a las siguientes características: en el momento inicial, es posible un crecimiento más lento de los núcleos; la velocidad superficial de avance del límite de fase puede diferir de la velocidad de penetración en el volumen; la reactividad del límite cambia con el tiempo; el volumen de productos y reactivos puede no coincidir; en reacciones reversibles, es posible la adsorción de productos de reacción volátiles; es posible la manifestación de la inhibición de la difusión; las características cinéticas, por regla general, dependen del tamaño de las partículas; puede haber dificultades en la transferencia de calor a través de los productos de reacción.

Algunas de las características enumeradas de los procesos de disociación pueden ser enlaces limitantes, que incluyen:

1) la tasa de transformación química (el llamado régimen cinético);

2) la tasa de difusión del gas a través de la capa de cobertura (modo de difusión);

3) modo mixto (comparabilidad de tasas de transformación química y difusión);

4) la tasa de transferencia de calor de reacción a través de la capa de cobertura.

Cada una de estas etapas se puede expresar analíticamente en relación con el proceso de disociación de uno u otro compuesto, teniendo en cuenta sus características.

3.4. Oxidación de metales duros

Cuando Me se coloca en una atmósfera que contiene O2 u otros gases oxidantes (CO2, H2O), su superficie se cubre con óxidos, escala, cuyo espesor aumenta con el tiempo. A altas temperaturas, este proceso corrosión a alta temperatura- se desarrolla muy rápidamente y conduce a la pérdida de Me cuando se calienta antes de rodar, forjar.

En total, se pierden anualmente entre 18 y 20 millones de toneladas de Me debido a la oxidación de Me. La oxidación de Me es un proceso espontáneo, pero depende de una serie de factores.

El proceso de oxidación consta de las siguientes etapas:

1) difusión externa del gas oxidante a la superficie del óxido;

2) difusión interna en la capa de escamas;

3) acto químico (reacción) en los límites de fase.

La escala (MeO) con un espesor de y se encuentra entre dos medios: entre Me y el gas; dentro de sus límites, la concentración de O2 disminuye desde la interfase gas/MeO hasta la interfase MeO/Me, mientras que el contenido de Me disminuye en la dirección opuesta. Debido a esto, es posible la difusión de sustancias en la capa de óxido, como se muestra en la Fig. 3.7.

Arroz. 3.7. esquema de oxidación de metales

El coeficiente de difusión en escala sólida depende de su estructura cristalina, que está determinada por la relación de las fracciones molares de óxido (VMeO) y Me (VMe).

En VMe > VMeO, poroso capa de óxido, a través de la cual el gas oxidante penetra fácilmente en Me. Los siguientes Me tienen tales propiedades.

hombres en		Na2O

Si VMe< VMeO, то оксид покрывает Ме сплошным плотным покровом, который создает значительное диффузионное сопротивление и окисление затрудняется. К данной группе относятся следующие Ме:

hombres en	Al2O3		Cu2O	Cr2O3	Fe2O3

En condiciones de oxidación real de un metal, la difusión externa de un gas se produce con relativa rapidez, por lo que el proceso de oxidación de un metal se puede representar en dos etapas:

1) difusión de O2 (otro agente oxidante) a través de la película de óxido;

2) directamente el acto de interacción química en el límite de fase.

Derivemos una ecuación para la dependencia del espesor de la capa de óxido y del tiempo de oxidación t en T = const.

Tasa de proceso observada

Vobs = dy/dt.

La tasa de difusión interna se define como

donde "-" es el gradiente de concentración;

Spov, Sob son las concentraciones del agente oxidante en la superficie de reacción y en el volumen del gas;

La velocidad de una reacción química se define como

con n = 1, https://pandia.ru/text/79/398/images/image057_8.gif" width="115 height=52" height="52">

En estado estacionario, la velocidad de los sucesivos eslabones K y la velocidad total son iguales entre sí:

en este caso, Spow se sustituye en la ecuación de difusión:

y \u003d f (t) es una ecuación diferencial.

Movamos y separemos las variables:

Condiciones iniciales: t = 0, y = 0.

La dependencia deseada del espesor de la capa de difusión oxidada en el tiempo:

(*)

Esta función es parabólica.

Para t = 0 y y ® 0 , y2<< y, поэтому величиной y2/2 пренебрегаем:

y = Kx C aproximadamente × t . (3.6)

Esta dependencia es lineal.

Esto implica:

1) el espesor de la capa de escamas ~ t, es decir, la oxidación se produce a una velocidad constante;

2) la velocidad de oxidación está determinada por las características del valor de Kx, es decir, la reacción está en la región cinética.

Esto se aplica a los metales del 1er grupo.

Para metales del segundo grupo D< R; при этом t – велико. В этом случае слагаемым пренебрегаем и получаем:

. (3.7)

1) el espesor de la capa de escamas es proporcional, es decir, la tasa de oxidación disminuye con el tiempo;

2) el proceso procede en la región de difusión.

Gráficamente, esto se muestra en la Fig. 3.8.

Así, en Me con una escala densa, la reacción de oxidación es inicialmente en área cinética y la capa de óxido crece linealmente (en la Fig. 3.8 - zona 1).

A un espesor de capa significativo, la dependencia se vuelve parabólica y el proceso se limita difusión interna(zona 2). Entre estos casos extremos se encuentra la zona de transición - 3, donde y y t están conectados por una ecuación diferencial (*), que tiene en cuenta las características de la transformación química y la difusión.

Arroz. 3.8. Dependencia del espesor de la cascarilla del tiempo de proceso: 1 – área cinética;

2 - región de difusión; 3 - zona de transición

4. PROCESOS DE REDUCCIÓN DE METALES

4.1. Características termodinámicas de los procesos de recuperación

La obtención de metales puros por la disociación de sus óxidos es termodinámicamente improbable debido a los valores muy bajos de la elasticidad de disociación de los compuestos.

El más adecuado es el proceso de obtención de metales a partir de sus óxidos por reducción. Tal proceso es esencialmente redox (el metal oxidado se reduce y el agente reductor se oxida) y puede describirse generalmente por la reacción

MeO + B = Me + BO, D G T (4.1), (4.1)

donde tanto una sustancia sólida como una gaseosa (elemento) pueden usarse como agente reductor B.

La reacción (4.1) es, de hecho, la suma de las reacciones de formación de la forma

B = = BO, D G T (4.2); (4.2)

Me = MeO, D G T (4.3), (4.3)

que son exotérmicos.

La reacción espontánea (4.1) es posible si D G Т(4.2)< D G Т(4.3).

4.2. Recuperación de óxidos de hierro sólidos y gaseosos

agentes reductores

El agente reductor universal de los óxidos de hierro es el carbono sólido; en la reducción gaseosa, a menudo se utilizan CO y H2.

La termodinámica de los procesos de reducción de óxido de hierro con agentes reductores sólidos y gaseosos es básicamente la misma.

Cuando se utiliza monóxido de carbono CO, se deben considerar los equilibrios en el sistema FemOn - CO - CO 2 , que se describen mediante las siguientes reacciones:

(4.4)

EN-US">EN-US">posición:absoluta; índice z:5;izquierda:0px;margen-izquierda:234px;margen-superior:12px;ancho:11px;altura:88px"> (4.8)

Arroz. 4.1. Composición de equilibrio de la fase gaseosa del sistema. FemOn-CO-CO2

El diagrama no contiene una zona de existencia estable de la fase Fe 2O 3, ya que, según los cálculos, esta fase es inestable en el rango de temperatura considerado ya con un contenido de CO > 0,01%.

El punto O es el punto de equilibrio invariante con la fase gaseosa de las tres fases sólidas.

Cuando se usa hidrógeno o algún otro agente reductor como agente reductor, las curvas de composición del gas en equilibrio se calcularán de manera similar.

Cuando se utiliza carbono como agente reductor de óxidos de hierro, el proceso puede describirse mediante reacciones correspondientes al equilibrio en el sistema.
Fe 2O 3 - Fe 3O 4 - FeO - Fe - C - CO - CO 2, que contiene siete componentes.

Sin embargo, teniendo en cuenta la inestabilidad del Fe 2O 3, es recomendable analizar los siguientes equilibrios químicos:

Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2;

FeO + CO = Fe + CO2;

2CO = C + CO2.

Además de los equilibrios parciales, de acuerdo con la regla de las fases, es posible el equilibrio simultáneo de cinco fases: cuatro sólidas y gaseosas (mezclas de CO y CO2).

Las curvas de equilibrio de estas reacciones se muestran en las Figs. 4.2.

font-size:13.0pt">Figura 4.1 Contenido de monóxido de equilibrio

carbono en la reducción indirecta de óxidos

Reacciones de gasificación de hierro y carbón sólido.

Las características cuantitativas de los equilibrios en el sistema bajo consideración pueden obtenerse resolviendo juntas las ecuaciones que expresan la dependencia de las constantes de la composición de la fase gaseosa. De la solución del sistema de estas ecuaciones se deduce que con un aumento de la presión en el sistema, aumentan las temperaturas de inicio de la reducción de los óxidos de hierro, y con una disminución de la presión, viceversa.

Por lo tanto, los equilibrios de fase en el sistema Fe-O en presencia de carbono sólido están determinados por la temperatura y la presión total de la fase gaseosa.
(CO + CO2).

4.3. Mecanismo y cinética de los procesos de recuperación

Los mecanismos de reducción de óxidos metálicos por gases y agentes reductores sólidos son diferentes y tienen características propias.

Al reducir con gases, este proceso se desarrolla al menos en tres etapas:

1) adsorción de la reducción sobre la superficie de reacción;

2) la transición del oxígeno desde la red de óxido y su combinación con la adsorción de moléculas de agente reductor con la formación simultánea de una nueva fase sólida.

3) desorción de productos de reducción gaseosos.

Esta teoría se llama adsorción-autocatalítica, y el mecanismo en sí puede representarse mediante el esquema:

MeO (tv) + B (gas) \u003d MeO (tv) × V (anuncios),

MeO (tv) × V (anuncios) \u003d Yo (tv) × BO (anuncios),

Me(tv) × VO(anuncios) = Me(tv) × VO(gasolina)

MeO (tv) + B (gas) \u003d Me (tv) × BO (gas).

También existe un esquema de dos etapas, que consiste en la etapa de disociación del óxido con la formación de oxígeno molecular y la etapa de conexión con un agente reductor en la fase gaseosa.

De acuerdo con la teoría de adsorción-autocatalítica, el proceso de reducción es autocatalítico: la formación de un producto de reacción sólido acelera el proceso de su formación. En este caso, la adsorción de moléculas del gas reductor se desarrolla de diferentes maneras, según la estructura, la estructura. En una determinada etapa de reducción, se observa una característica máxima de autocatálisis, que corresponde al régimen cinético de reducción.

En general, el proceso de reducción de óxidos metálicos con gases es cinéticamente heterogéneo, constando de las siguientes etapas:

1) difusión externa del agente reductor desde el flujo de gas a la superficie del óxido reducido;

2) difusión interna del agente reductor a la fracción de reacción a través de los poros y defectos de red de la capa del producto sólido del agente reductor;

3) una reacción química seguida de una transformación cristaloquímica del óxido metálico en uno inferior, hasta el metal;

4) eliminación de productos de reducción gaseosos en el flujo de gas debido a la difusión interna y externa.

Cualquiera de estas etapas puede en principio ser limitante, es decir, determinar la velocidad del proceso de recuperación. Dependiendo de la velocidad de difusión y transformación química, es posible la reducción por pasos o por zonas, lo que corresponde al principio de sucesión.

Se observa un tipo de proceso por pasos en el régimen cinético y uno zonal en el régimen de difusión. A velocidades comparables de difusión y reacción química, el proceso de recuperación procederá en un modo mixto o cinético de difusión, que es el más complejo.

Varios factores influyen en la velocidad de reducción por los gases, los principales son los siguientes: el tamaño de las piezas de material de óxido, la porosidad de los minerales, la velocidad del flujo del gas reductor, la composición del gas, la presión y la temperatura.

Las reacciones de reducción directa de óxidos metálicos son más complejas que las de reducción con gases.

La reducción de óxidos por carbono sólido se puede estimar a partir de la reacción

MeO (tv) + C (tv) \u003d Me (tv) + CO2.

Sin embargo, esta ecuación no refleja el mecanismo real del proceso, que se desarrolla en varias etapas con la participación de gases como productos intermedios.

Existen varios esquemas para la reducción térmica de carbono de óxidos.

El esquema de dos etapas se desarrolla y representa mediante las ecuaciones

MeO + CO = Me + CO2

C + COg = 2CO

MeO + C = Me + CO.

De acuerdo con el esquema anterior, la interacción del óxido metálico con el carbono sólido se reduce a la reducción del gas CO. Esto permite aplicar la teoría de adsorción-catalítica para explicar los procesos de reducción directa, y el papel del carbón sólido se reduce a la regeneración de CO por la reacción de gasificación. Según este esquema, es cinéticamente posible restaurar aquellos metales que son fácilmente reducidos por gases (Fe, Ni, Cu, etc.). El límite inferior de temperatura de interacción según este esquema está asociado con una baja tasa de reacción de gasificación del carbono a bajas temperaturas, y esta etapa suele ser limitante. Por lo tanto, los factores decisivos para el proceso de reducción directa de óxidos metálicos son los factores que afectan la velocidad de la reacción de gasificación: la temperatura, la actividad del carbón y la presencia de catalizadores.

Existe un esquema disociativo, según el cual es posible el proceso de disociación del óxido, seguido de la interacción del oxígeno con el carbono según el esquema.

Yo = Yo + 1/2O2

C + 1/2Og = CO

MeO + C = Me + CO.

Tal esquema es aceptable para óxidos con alta elasticidad de disociación (Mn O2, Pb O2, Cu O, Co 3O4).

Se desarrolló el esquema de sublimación de óxido, según esta hipótesis, la reducción de una serie de óxidos puede tener lugar a través de la sublimación (sublimación) del óxido, seguida de la condensación (adsorción) de su vapor en la superficie del carbono:

MeO (televisión) \u003d MeO (gas)

MeO (gas) + C (tv) \u003d MeO (anuncios) C (tv)

MeO (anuncios) C (tv) \u003d Yo (tv) CO (anuncios)

Yo (tv) CO (anuncios) = Yo (tv) + CO (gas)

MeO (tv) + C (tv) \u003d Me (tv) + CO (gas).

Este esquema es característico tanto para los óxidos volátiles (Mo O3, W O3, Cr 2O3) y explica su reducción a 630... (Al 2O3, Mg O, Zn O2), cuya sublimación va acompañada de la formación de vapores de óxido y óxidos gaseosos inferiores (Al 2O, Si O).

De acuerdo con el esquema de reducción de contacto, la interacción ocurre en los puntos de contacto de las fases sólidas: óxido y carbono. Después del contacto directo, se forma una capa de separación del producto y la reducción continúa con la difusión de los reactivos a través de esta capa.

En el marco del esquema gas-carburo se explican varios patrones de reducción carbotérmica: el efecto del CO en la velocidad del proceso, la presencia de carbono en los productos de condensación en zonas alejadas de la mezcla de reacción, el efecto del hinchamiento del mineral -pellets de carbón, y autocatálisis.

Así, diferentes óxidos pueden interactuar con el carbono según diferentes esquemas, mientras que otros pueden implementarse simultáneamente con el mecanismo principal. La participación de cada mecanismo en el proceso de reducción varía según las condiciones: temperatura, presión, grado de mezcla de los reactivos y grado de reducción, y otros factores.

5 . FUNDICIONES METALÚRGICAS

5.1. características generales

Los procesos metalúrgicos a alta temperatura proceden con la participación de fases líquidas: metal, óxido (escoria), sulfuro (mata), sal. La interacción entre las fases líquidas y con la participación obligatoria de la fase gaseosa depende de la estructura (estructura) y las propiedades de los fundidos metalúrgicos.

Teniendo en cuenta la naturaleza y estructura, todos los líquidos se clasifican de la siguiente manera:

1) con enlaces de hidrógeno (agua, alcoholes, ácidos orgánicos);

2) con enlaces moleculares (benceno, parafina);

3) con enlaces iónicos (fundiciones de óxido y sulfuro, soluciones acuosas y de otro tipo de sales, álcalis, ácidos);

4) con enlaces metálicos (interacción de cationes con electrones libres).

Los fundidos de óxido y sulfuro involucrados en los procesos metalúrgicos son líquidos de múltiples componentes y tienen una estructura compleja. En las sales fundidas relacionadas con líquidos iónicos, existe una fuerte interacción entre partículas y una alta concentración de partículas por unidad de volumen. Los fundidos metálicos industriales son líquidos multicomponentes que contienen componentes metálicos y metaloides.

Al recibir una masa fundida de metal de determinada composición, buscan reducir la pérdida de elementos de aleación con la escoria y la fase gaseosa. Esto se ve facilitado por el conocimiento de las regularidades de la redistribución de elementos entre las fases de contacto, la capacidad de calcular la actividad termodinámica de los componentes en fundidos metalúrgicos.

Para resolver tales problemas, es necesario conocer la estructura (estructura) de los fundidos y la naturaleza de las fuerzas que actúan entre las unidades estructurales del fundido. Para estimar la tasa de procesos que ocurren en el sistema, es necesario conocer una serie de propiedades fisicoquímicas de los fundidos.

La estructura o estructura de la masa fundida se entiende como una descripción cuantitativa de la posición relativa en el espacio de sus partículas constituyentes. La estructura de la masa fundida está interconectada con la naturaleza electrónica de las partículas, la magnitud de las fuerzas de interacción entre las partículas y con sus propiedades fisicoquímicas, que a menudo se denominan propiedades sensibles a la estructura.

5.2. El metal se derrite

Los metales líquidos puros generalmente se clasifican como líquidos simples, que son gases inertes licuados con fuerzas de interacción de van der Waal. En los metales líquidos, el enlace entre partículas se realiza mediante electrones colectivizados; su presencia explica la conductividad eléctrica, la conductividad térmica, así como la viscosidad y la adsorción junto con otras propiedades de los metales.

A temperaturas cercanas a la temperatura de cristalización, la estructura de los metales líquidos es similar a la estructura de los cuerpos cristalinos sólidos. Esta similitud radica en la comparabilidad de la naturaleza de la interacción entre partículas y las propiedades termodinámicas. En estado líquido, los átomos (iones) se ubican a distancias cercanas, pero no forman una estructura regular estrictamente periódica, es decir, un orden de largo alcance característico de los cuerpos cristalinos sólidos.

La introducción de varios elementos de impurezas (incluidos los elementos de aleación) en el metal cambia la estructura electrónica de las masas fundidas, mientras que, dependiendo de la naturaleza de la impureza, la forma de su existencia en la masa fundida difiere de la forma de existencia del disolvente.

Así, elementos como el manganeso, el cromo, el níquel y otros metales, que difieren poco del hierro en su estructura electrónica, tienen una solubilidad ilimitada en el hierro líquido y una alta solubilidad en el sólido. Forman soluciones sólidas de sustitución con hierro, mientras ocupan parte de los sitios en la red cristalina.

Elementos como el carbono, el nitrógeno y el hidrógeno forman soluciones intersticiales con el hierro, estando ubicados en los intersticios de la red cristalina de hierro.

El silicio y el fósforo en el hierro líquido se disuelven indefinidamente y en el sólido, su solubilidad es limitada. En las fusiones de hierro, forman grupos separados de átomos de hierro con silicio y fósforo, con predominio de enlaces covalentes.

Las impurezas disueltas en hierro líquido (u otro solvente) cambian las propiedades de los metales fundidos y afectan la naturaleza de los procesos de fabricación de acero. Estas propiedades incluyen la viscosidad, las propiedades superficiales, la densidad, la conductividad eléctrica y la conductividad térmica.

5.3. Propiedades termodinámicas de fundidos metálicos.

Opciones de interacción

Los fundidos metálicos, que son esencialmente soluciones, se caracterizan por una compleja interacción fisicoquímica entre las partículas que los componen. La fiabilidad de la descripción termodinámica de los sistemas metalúrgicos está determinada por el grado de desarrollo de una u otra teoría termodinámica. Al mismo tiempo, dependiendo de la naturaleza de ciertas suposiciones realizadas, las teorías estadísticas se dividen en teorías rigurosas (por ejemplo, teorías mecánicas cuánticas); teorías basadas en experimentos numéricos; teorías modelo.

Estos últimos se han generalizado bastante: esta es la teoría de las soluciones perfectas, la teoría de las soluciones diluidas ideales, la teoría de las soluciones regulares y otras. Una de las razones para la introducción de tales teorías es la ausencia de un modelo termodinámico general de soluciones.

Al describir las propiedades termodinámicas de los fundidos metálicos, entre los modelos utilizados, el método de parámetros de interacción es el más utilizado.

Este método se utiliza para tener en cuenta la influencia de todos los componentes de la solución sobre la actividad del componente en cuestión (por ejemplo, el componente A es un disolvente, los componentes B, C y D son impurezas añadidas). Los parámetros de interacción se determinan expandiendo el exceso de energía libre en una serie de Taylor para el componente B cerca del punto correspondiente al disolvente puro:

https://pandia.ru/text/79/398/images/image083_4.gif" width="39" height="25"> las fracciones molares de los elementos de impureza se denominan parámetros de interacción molar de primer orden, el segundo - de el segundo pedido https:/ /pandia.ru/text/79/398/images/image086_4.gif" width="28" height="28">.

Teniendo esto en cuenta, la expresión (5.1) para soluciones con valores bajos de componentes disueltos (B, C, D, ...) se puede escribir como

O para el i -ésimo componente

. (5.2)

Para soluciones multicomponente, se suele tomar una solución diluida al 1% como estado estándar de la materia. En este caso, en lugar de (5.2), escribimos

o en general (5.3)

aquí

5.4. La escoria se derrite. Composición, estructura, propiedades termodinámicas

La escoria metalúrgica es una solución multicomponente (principalmente óxido) que interactúa con el metal fundido y la fase gaseosa de la unidad metalúrgica. La composición de la escoria puede incluir sulfuros, fluoruros y otras inclusiones no metálicas. En el curso de la fundición de metales, la escoria realiza las funciones tecnológicas más importantes (por ejemplo, como proteger el metal de la atmósfera de la unidad; absorción de impurezas dañinas del metal; participación en procesos oxidativos; desoxidación por difusión del metal).

La estructura de la masa fundida de escoria está determinada por la naturaleza de las unidades estructurales y su distribución en el espacio. Un estudio exhaustivo de las principales propiedades fisicoquímicas de la escoria fundida (viscosidad, difusión, adsorción), realizado incluso con la ayuda de estudios de difracción de rayos X de escorias sólidas y líquidas, mostró que, en estado fundido, la escoria fundida consta de iones - cationes y aniones.

La composición de las escorias afecta significativamente sus propiedades principales, entre las que se debe distinguir la basicidad: la proporción de la concentración de óxidos con propiedades básicas pronunciadas y óxidos con propiedades ácidas. Además, según la composición, las escorias se dividen en básicas (predominan los óxidos básicos: CaO, MgO, MnO, etc.) y ácidas (SiO 2, Al 2O 3, TiO 2).

La composición de la escoria y su estructura afecta las propiedades fisicoquímicas: densidad, propiedades superficiales, viscosidad, difusión.

La densidad y el volumen molar son propiedades estructuralmente sensibles, estas características se utilizan para calcular las propiedades cinéticas de los fundidos iónicos. La influencia de la composición está determinada por el cambio en el número de coordinación y se caracteriza por el cambio en el volumen libre. La dependencia de la temperatura está asociada con un cambio en la distancia interatómica debido a un aumento en la amplitud de las vibraciones atómicas.

Al analizar las propiedades de la superficie, se encontró que para la mayoría de los sistemas binarios, la tensión superficial varía linealmente con la composición.

Otra característica importante de los fundidos de escoria es la viscosidad, que varía entre 0,1...1,0 Pa·s (debido a la presencia de grandes unidades estructurales como los complejos de silicio-oxígeno), que es mayor en comparación con los fundidos metálicos.

La viscosidad dinámica η y la viscosidad cinemática ν están relacionadas por la relación η = 1/ν.

La dependencia de la viscosidad con la temperatura se expresa mediante la ecuación

η = Aexp(Eη/RT ),

donde Eη es la energía de activación del flujo viscoso.

Las propiedades termodinámicas de la escoria fundida se describen utilizando varias teorías, moleculares e iónicas, que se basan en los resultados de los estudios de la composición mineralógica de la escoria cristalizada y la generalización de los datos experimentales.

La variante de la teoría molecular de la estructura de las escorias líquidas, desarrollada por G. Shenk, es simple y se basa en la afirmación de que las moléculas de óxidos libres (CaO, SiO 2, FeO ...) y sus compuestos se consideran como simples estructuras de escoria.

De la variedad de compuestos de óxido, se seleccionaron 5: 2FeO SiO 2, 3CaO Fe 3O 4, 2MnO SiO 2, CaO SiO 2, 4 CaO P2O5. Estos compuestos describen satisfactoriamente una amplia gama de propiedades de la escoria, incluida la distribución de elementos entre el metal y la escoria en función de las constantes de equilibrio de las reacciones de disociación de los compuestos dados.

Sin embargo, la principal característica y desventaja de la teoría molecular de la escoria fundida es la falta de consideración de la estructura real de la escoria fundida. Sin embargo, el material acumulado permite evaluar algunas características termodinámicas, por ejemplo, la actividad de los componentes del ai.

La teoría de las soluciones iónicas perfectas (autor) se basa en la afirmación de que la solución de escoria se disocia completamente en iones (cationes y aniones); los iones del mismo signo son energéticamente iguales; los vecinos más cercanos de cada ion son iones de signo opuesto; la solución se forma sin cambio de volumen; durante el movimiento térmico, son posibles las permutaciones entre iones del mismo signo. La actividad de los componentes de dicha masa fundida se calcula como el producto de las fracciones iónicas de cationes y aniones.

Por ejemplo, la actividad del sulfuro de calcio CaS estará determinada por la relación

donde хСа, хS son las fracciones iónicas del catión calcio y los aniones azufre, respectivamente.

La teoría de soluciones iónicas perfectas se puede utilizar para determinar las actividades de los componentes en escorias fuertemente básicas, sin embargo, un aumento en la proporción de SiO 2 y Al 2O 3 al 20% da una fuerte discrepancia entre la teoría y la experiencia, por lo que esta teoría es no se utiliza en cálculos prácticos de equilibrios.

Sin embargo, las principales disposiciones estáticas de este modelo son aplicables en la teoría de soluciones iónicas regulares, desarrollada y probada.

Las características de esta teoría incluyen las siguientes disposiciones: la entropía de la solución no se considera ideal y se calcula según la teoría de las soluciones iónicas perfectas; la solución consta de los iones atómicos más simples (cationes - iones metálicos Ca2+, Fe 2+, Al 3+ y aniones - iones metaloides O2–, F –, S 2–); los vecinos más cercanos de iones son iones de signo opuesto; la solución se forma sin cambio de volumen, con liberación o absorción de calor.

Al calcular los potenciales químicos de los componentes de la solución, como al determinar la actividad de los componentes; en esta teoría, es necesario tener en cuenta la energía de mezcla de los componentes Qij, que se encuentra sobre la base de los resultados de estudios experimentales de soluciones de compuestos que contienen cationes i y j. Esta teoría se caracteriza por el hecho de que la conexión entre la composición y las funciones termodinámicas se establece de forma más estricta y razonable, por lo que la precisión y fiabilidad de los cálculos es mayor.

En la teoría de la polimerización de la escoria se funde, se acepta que los iones que forman las soluciones son energéticamente desiguales, y se forman complejos polimerizados en los que la energía de enlace de los complejos con otras unidades estructurales de la solución.

De acuerdo con la teoría de las soluciones como fases con un sistema colectivo de electrones (se han desarrollado las disposiciones principales), no se eligen compuestos químicos como componente de la solución de escoria, sino elementos del sistema periódico, por lo tanto, la composición de la solución es expresada en fracciones atómicas. En este caso, los electrones de todos los átomos de la solución forman un único sistema mecánico cuántico. La actividad del compuesto Am Bn en la solución de escoria se define como

,

donde https://pandia.ru/text/79/398/images/image095_3.gif" width="23" height="25 src="> son las actividades de los elementos A y B.

La actividad de un elemento de tipo i está determinada por la fracción atómica de este componente y la energía de interacción con el componente j. En este caso, la energía de interacción Åij se define como

Åij =1/2(χ1/2 – χ1/2)2,

donde χi y χj son los parámetros atómicos de los átomos i y j determinados a partir de las entalpías estándar de formación de varios compuestos.

6. GASES EN ACERO. PROCESOS DE FORMACIÓN DE NITRURO

Los procesos metalúrgicos de alta temperatura se caracterizan por la interacción de una fusión de metal con escoria y fases gaseosas. La integridad y la velocidad de interacción de los gases principalmente con los metales líquidos determina la calidad de los productos metálicos.

La disolución de gases diatómicos (oxígeno, hidrógeno y nitrógeno) en un metal líquido es del mismo tipo, obedece a la ley de A. Sieverts (conocida como ley de la raíz cuadrada) y se produce según la reacción

La constante de equilibrio de la reacción (6.1) tiene la forma

, (6.2) donde

La concentración de gas en equilibrio [G] en un metal a = 1 atm se llama solubilidad y es numéricamente igual a la constante de equilibrio de la reacción (6.1) para un sistema "metal-gas" de dos componentes.

A una temperatura de 1600 °C, la solubilidad límite del oxígeno en el hierro líquido es 0,22 %, para nitrógeno - 0,044 %, para hidrógeno - 0,0026 %.

Los procesos de disolución de gases en la mayoría de los metales (hierro, níquel, etc.) son endotérmicos, por lo tanto, al aumentar la temperatura aumenta la solubilidad de los gases. La excepción es la solubilidad del nitrógeno en -Fe, que disminuye al aumentar la temperatura en los puntos de transición de fase del hierro de una modificación a otra (-Fe -Fe, -Fe https://pandia.ru/text/79/398 /images/image102_2.gif "width="13" height="20 src=">-Fe ) y durante la fusión (-Fe EN-US">Fe -zh), las concentraciones de equilibrio de los gases en la solución cambian abruptamente.

De acuerdo con (6.2), la presión también afecta la solubilidad de los gases. Al aumentar la presión, el equilibrio de la reacción (6.1) se desplaza hacia un número menor de moles de gas, es decir, hacia la derecha. La factibilidad de la ley de Sieverts indica la idealidad de la solución resultante. En presencia de otros componentes disueltos en el metal, las concentraciones de equilibrio de los gases se vuelven diferentes. Este efecto se puede tener en cuenta utilizando los parámetros de interacción del componente con el gas disuelto.

en caso de que<0, происходит снижение коэффициента активности газа в расплаве и повышение его растворимости. Например, элементами, повышающими растворимость водорода в железе, являются титан, ниобий, ванадий. Снижению растворимости водорода в железе способствуют такие элементы, как углерод, алюминий , кремний (для них >0).

Casi en la misma secuencia, estos componentes afectan el coeficiente de actividad del nitrógeno y su solubilidad.

Una fuerte disminución de la solubilidad del hidrógeno y el nitrógeno durante la cristalización del hierro y sus aleaciones va acompañada de una serie de fenómenos indeseables. El hidrógeno en forma molecular se aísla en áreas defectuosas (microhuecos) del metal cristalizado. Con una disminución en el tamaño de estos microdefectos durante el procesamiento plástico posterior, crea altas presiones, como resultado de lo cual surgen tensiones en el metal, lo que conduce a una disminución de la plasticidad, así como a la discontinuidad.

La influencia de los elementos de aleación sobre la solubilidad del nitrógeno en fundidos a base de hierro o níquel se puede estimar utilizando valores establecidos experimentalmente.

Cuando el nitrógeno interactúa con fundidos dopados con elementos formadores de nitruro, es posible formar una solución de Fe-R-N que está en equilibrio con la fase gaseosa, y con un aumento en el contenido de R, aumenta la solubilidad del nitrógeno.

En ciertos contenidos del componente R, un compuesto refractario, nitruro RN, puede precipitar de la masa fundida. Los elementos Iva de los subgrupos Ti, Zr y Hf tienen la mayor afinidad por el nitrógeno y se utilizan principalmente para unir nitrógeno en metal líquido.

Los carburos dispersos liberados de la solución provocan una fuerte disminución de la ductilidad del metal y aumentan su dureza.

Las características de la interacción del nitrógeno con los fundidos metálicos se reflejan en el diagrama de estado Me-R-N, cuyo fragmento isotérmico en áreas ricas en metal se muestra en la fig. 6.1.

Las líneas que limitan las regiones de estabilidad de fase se describen mediante las correspondientes ecuaciones de termodinámica de equilibrio.

Como se puede ver en el diagrama, en pequeñas cantidades del elemento formador de nitruro, hay una región de dos fases de estabilidad de la fase líquida con nitrógeno gaseoso. Las coordenadas de la línea AB que separa esta región (I) y la región de estabilidad de fluidos (II) se pueden determinar analizando la ecuación:

A atm, la actividad del nitrógeno es igual a la constante de equilibrio de la reacción (1). La concentración de nitrógeno en el punto A es igual a su solubilidad en el sistema binario Me-N.

Figura 6.1. Diagrama de la sección isotérmica del diagrama de fase del sistema Me-R-N

En la fig. 6.1 muestra las siguientes áreas de estabilidad de fase:

Yo - f + N2,

yo- bueno,

III - f + RN,

IV - f + RN + N 2.

La intersección de la isoterma de formación de nitruro (ВCD) y la línea (AB) correspondiente a la solubilidad del nitrógeno en la fusión de Fe-R-N en font-family:Symbol">-[R] del triángulo de concentración en el punto correspondiente a la compuesto RN, y la línea BE - en el punto correspondiente al nitrógeno puro en atm.

7. DESOXIDACIÓN DE FUNDICIONES METÁLICAS

Durante el período de oxidación del acero fundido en una unidad siderúrgica, el oxígeno que entra en el metal (procedente de la escoria oxidante soplada en el baño de metal por un chorro de gas) se consume principalmente para la oxidación de impurezas (C, S, P, Si) y algunos componentes de aleación, sin embargo, una parte permanece en el metal fundido.

La solubilidad del oxígeno en hierro bajo escoria de hierro puro se estima en base a la reacción

(FeO) = +. (7.1)

.

Chipman estableció eso para la reacción (7..gif" width="176 height=47" height="47">.

A T = 1600°C (1873K), la solubilidad límite del oxígeno en el hierro es 0,21%.

Sin embargo, en condiciones reales de fusión, las escorias de fundición de acero, además de FeO, contienen numerosos óxidos y, por tanto, otras inclusiones. Por lo tanto, el contenido de oxígeno en el acero líquido no alcanza el límite de solubilidad y se encuentra en el nivel de 0,06 ... 0,08. Al mismo tiempo, cuando el contenido en el metal fundido es superior a 0,05 ... 0,06 % C, el contenido de oxígeno en el metal está determinado por el desarrollo de la reacción de oxidación del carbono.

+ = (CO). (7.2)

Cuando el metal fundido alcanza un estado de equilibrio en T = 1873 K, la relación λ = 0,0025 debe cumplirse, sin embargo, en condiciones reales de fusión de acero en unidades industriales, la reacción de oxidación del carbono no alcanza el equilibrio, en particular, debido a la condiciones para la formación de burbujas de CO. En este sentido, en el curso de la fusión del acero bajo escoria oxidante, el contenido de oxígeno en el metal es mayor que el de equilibrio y se acerca a él cuando el contenido de carbono es inferior al 0,15%. En la fig. 7.1 muestra la dependencia del contenido de oxígeno en el metal fundido con respecto al contenido de carbono.

Arroz. 7.1 Cambio en el contenido de oxígeno en fundidos de hierro-carbono: 1 - curva de equilibrio; 2 - área de concentraciones reales de fusión de acero

Las concentraciones reales de oxígeno en el acero para todo tipo de procesos encajan en un área. Esto indica que a > 0,05…0,06 la reacción de oxidación del carbono tiene un efecto decisivo sobre el contenido de oxígeno en el acero. A< 0,05…0,06 содержание кислорода в металле соответствует равновесному с углеродом и бывает ниже его. Следовательно, равновесное со шлаком содержание кислорода в Me достигает величин, соответствующих равновесию с углеродом или даже меньше их.

La reacción (7.2) es exotérmica, por lo tanto, durante el enfriamiento y la cristalización del metal fundido, el valor · en Р=const disminuye; las concentraciones de exceso de oxígeno resultan ser aún mayores, lo que conduce a la formación de burbujas de gas, que reducen la densidad del lingote, y la liberación de inclusiones de óxidos de hierro y sus soluciones con sulfuros a lo largo de los límites de grano del metal que cristaliza. Estos oxisulfuros le dan al metal una fragilidad roja debido a los bajos puntos de fusión.

La segregación de elementos, especialmente el oxígeno, también tiene una fuerte influencia: durante la cristalización, su contenido en la solución inicial al frente de los cristales en crecimiento es muy superior a la media en el volumen del metal líquido, lo que provoca una intensa oxidación del carbono.

En este sentido, una de las tareas principales del período final de fusión es la eliminación del exceso de oxígeno de la etapa líquida, lo que se logra mediante la desoxidación del metal fundido.

Se entiende por desoxidación un conjunto de operaciones para reducir el contenido de oxígeno en el acero líquido.

Las principales tareas de la desoxidación son:

- reducir el contenido de oxígeno en el hierro líquido añadiendo elementos con una mayor afinidad por el oxígeno que el hierro, hasta un nivel que asegure la producción de un metal denso;

– creación de condiciones para una eliminación más completa de los productos de desoxidación del acero líquido.

Si la primera tarea se considera utilizando las leyes de la termodinámica química, la segunda se resuelve utilizando el aparato de cinética química.

El enfoque termodinámico permite revelar la relación entre el contenido de oxígeno en el acero líquido y el contenido del elemento desoxidante R, determinar el grado de influencia de la temperatura en la naturaleza de esta relación y también calcular el contenido mínimo de oxígeno en el metal se derrite cuando es desoxidado por el elemento R.

El método de desoxidación más común es el método de precipitación o profundo, según el cual los elementos con mayor afinidad por el oxígeno (Si, Al, Ca) se introducen profundamente en el metal que el hierro. Estos elementos unen el oxígeno en fuertes inclusiones no metálicas (normalmente óxidos), cuya solubilidad en el hierro es varios órdenes de magnitud inferior a la solubilidad del FeO. Estas inclusiones se separan en una fase separada en forma de suspensión fina que, al tener una densidad menor en comparación con el acero, flota parcialmente en la escoria y permanece parcialmente en el metal cristalizado en forma de inclusiones no metálicas, degradando su calidad. .

La desoxidación precipitante (profunda) se puede describir mediante una reacción de la forma

. (7.3)

Bajo la condición, la constante de equilibrio de esta reacción tomará la forma

(7.4)

donde ai es la actividad del i-ésimo componente en la masa fundida.

Para calcular las actividades de los componentes de la masa fundida, normalmente se toma como estado estándar una solución diluida al 1%.

La desoxidación por difusión se logra cuando la reacción establece el equilibrio.

(FeO) = +[O]

El método se basa en la idea de luchar por una distribución equilibrada de la materia entre fases líquidas inmiscibles: Me y escorias. En este caso, la relación

(7.5)

Con una disminución en la actividad de los óxidos de hierro en la escoria, el oxígeno se difunde en el metal hasta el límite de fase y pasa a la escoria en forma de pares de iones Fe 2+ y O 2–.

La ventaja del método es la ausencia de productos de reacción en el metal después de la eliminación del oxígeno.

Este método se implementa en un horno eléctrico de arco con una pequeña cantidad de escoria y un bajo contenido de oxígeno en la fase gaseosa. En otras unidades de fundición de acero, hoy en día no se utiliza la desoxidación por difusión debido a la baja velocidad del proceso.

En la mayoría de los casos, la desoxidación por difusión se utiliza como un proceso complementario en el tratamiento del acero líquido en una cuchara con escorias sintéticas de cal y alúmina con un bajo contenido de FeO (menos del 1%). Cuando el metal se tritura en pequeñas gotas, la superficie de contacto "metal-escoria" aumenta miles de veces, la presencia de corrientes convectivas acelera el proceso no solo de desoxidación, sino también de desulfuración del acero.

Otro método de desoxidación es la desoxidación al vacío, que se basa en la reacción de descarburación C (7.2).

Una disminución de la presión desplaza el equilibrio de esta reacción hacia adelante. La ventaja de este método es la ausencia de productos de desoxidación en el metal. Este método se implementa en el procesamiento de acero fuera del horno.

Existe una desoxidación compleja basada en el uso de desoxidantes complejos: aleaciones de dos o más componentes (silicocalcio, silicomanganeso, etc.). Las ventajas de usar tales desoxidantes están predeterminadas por una mejora significativa en las condiciones termodinámicas de desoxidación y condiciones cinéticas más favorables para la nucleación, agrandamiento y eliminación de inclusiones no metálicas.

Así, la adición de Mn al Fe durante su desoxidación con silicio conduce a un aumento de la capacidad desoxidante de este último.

El efecto de aumentar la capacidad desoxidante bajo la influencia del segundo componente se explica por una disminución de la actividad termodinámica del óxido resultante en productos de desoxidación complejos, que difieren significativamente de los productos durante la desoxidación separada.

La capacidad desoxidante de un elemento se entiende como la concentración de equilibrio de oxígeno disuelto en el hierro (metal), correspondiente a una temperatura dada a un cierto contenido de este elemento. Obviamente, cuanto menor sea esta concentración en un contenido dado del desoxidante, mayor será la capacidad desoxidante del elemento.

M/n lg [R] - m/n lg fR - lg fO. (7.9)

Igualando el lado derecho de la ecuación (7.10) a cero y resolviéndolo con respecto a R, encontramos la concentración de desoxidante R correspondiente al contenido mínimo de oxígeno en el metal; en este caso, los valores de los coeficientes de actividad de los componentes se encuentran por las relaciones (7.7) y (7.8):

(7.11)

(7.12)

Sustituyendo el valor de [R] de la relación (7.12) en la ecuación (7.9), determinamos la concentración mínima de oxígeno en el metal fundido desoxidado por el elemento R:

(7.13)

En la fig. 7.2 muestra las capacidades desoxidantes de algunos elementos en hierro líquido a T = 1600 °C.

El contenido de oxígeno depende de forma compleja. A bajas concentraciones del desoxidante, el contenido de oxígeno disminuye al aumentar R. Un aumento adicional conduce a un aumento en la concentración de oxígeno en el metal. Sin embargo, con un aumento en el contenido de oxígeno causado por una disminución en el coeficiente de actividad, la actividad del oxígeno disminuye, lo que también está confirmado por datos experimentales. Las rupturas en las curvas del contenido de oxígeno en el hierro líquido en las Figs. 7.1 son consecuencia de la formación de diferentes productos de desoxidación con un cambio en el contenido del desoxidante.

La nucleación de los productos de desoxidación puede llevarse a cabo en una fase homogénea (la llamada nucleación espontánea) o en superficies acabadas (superficies de paredes de unidades, escoria, inclusiones suspendidas, películas de óxido en desoxidantes).

En todos los casos, la nucleación de nuevas fases se lleva a cabo como resultado de fluctuaciones: una acumulación aleatoria de partículas (átomos, iones) que difieren en su composición del contenido promedio en el metal. Estas fluctuaciones, dependiendo de su magnitud y de las condiciones externas, pueden desaparecer o, habiendo superado una determinada barrera energética, desarrollarse, convirtiéndose en inclusiones.

Arroz. 7.2 Poder desoxidante de elementos en hierro líquido a T = 1600°C

Se ha confirmado experimentalmente que en un sistema homogéneo, durante la formación de núcleos de una nueva fase, aquellos que tienen una mayor afinidad por el oxígeno y causan la mayor tensión superficial en la interfase entre las fases “metal – nueva fase núcleo” pasan inicialmente a a ellos. Con el posterior crecimiento de las inclusiones, disminuye la concentración de componentes activos involucrados en la formación de una nueva fase. Aquellos componentes de la masa fundida que contribuyen a la disminución de la actividad termodinámica de los óxidos separándose en fluctuaciones facilitan la formación de núcleos, y aquellos que contribuyen a la disminución de la actividad del desoxidante y del oxígeno en el metal dificultan su separación.

En el caso de la nucleación de inclusiones en superficies de gas, además de las mencionadas anteriormente para fases homogéneas, el efecto de humectación de la superficie por parte de la fase de separación es significativo. Cuanto más pequeño es el ángulo de contacto, las fluctuaciones más pequeñas se convierten en núcleos. La formación de núcleos se ve facilitada por el aislamiento predominante de sustancias que son capilarmente activas en el límite de fase.

En el caso de una desviación significativa del estado de equilibrio, la nucleación homogénea es decisiva. Con una disminución en las sobresaturaciones de uno u otro componente, aumenta el papel de las superficies acabadas como centros de nucleación. El efecto de las superficies acabadas, especialmente cuando se separan inclusiones sólidas, es tanto más eficaz cuanto más cercana es la orientación y la correspondencia de tamaño de los cristales de la inclusión de separación y el sustrato existente.

Las inclusiones nucleadas (su tamaño inicial es de aproximadamente 1 nm) se vuelven más grandes como resultado de la coagulación (combinación) de partículas tras la colisión y la liberación de una sustancia del metal fundido sobre estas partículas debido a la sobresaturación de la solución. La tasa de coagulación se ve afectada por la frecuencia y la eficiencia de la colisión de partículas, que se produce debido al movimiento browniano, así como por la diferencia en las velocidades de movimiento, que es causada por tamaños y densidades de partículas desiguales y la presencia de corrientes convectivas.

Las corrientes convectivas aseguran la entrega de productos de desoxidación desde la profundidad del metal hasta la interfaz metal-escoria. El movimiento de la inclusión en el borde del metal con la escoria está determinado por la dirección y magnitud de la resultante de una serie de fuerzas: boyante (de Arquímedes) F A debido a la diferencia en las densidades del metal y la escoria y dirigida verticalmente hacia arriba ; casquete capilar F, provocado por un gradiente de concentración de sustancias activas capilares y dirigido hacia su mayor concentración; inercial - centrífugo F C, causado por la curvatura de la trayectoria y dirigido a la profundidad del metal, ya que la densidad de las inclusiones es menor que la densidad del acero, y la fuerza de inercia F y, cuya dirección depende de la dirección de movimiento de las partículas: para inclusiones que flotan libremente, se dirige verticalmente hacia arriba, y para aquellas transportadas por flujos, coincide con la dirección del flujo.

Dependiendo del tamaño y forma de las inclusiones, la desoxidación del metal y la escoria, la hidrodinámica de los flujos, el efecto de cada una de estas fuerzas sobre la velocidad de la partícula que se acerca a la superficie de la escoria es diferente. Las inclusiones grandes se acercan al límite principalmente bajo la acción de la fuerza de flotación, las inclusiones más pequeñas, bajo la acción de las capilares, especialmente en un gran gradiente de concentración de oxígeno.

Con una disminución en la superficie sobre la que actúan estas fuerzas, la presión aumenta y la penetración de la capa de metal se realiza más rápidamente. Es más fácil superar tal resistencia con inclusiones sólidas de forma irregular con bordes afilados, más difícil, con los planos.

Por lo tanto, cuanto más completamente se desoxida el acero y se eliminan las inclusiones, mayor es la calidad del metal acabado.

8. DISTRIBUCIÓN DE ELEMENTOS ENTRE METAL Y ESCORIA

La distribución de elementos de impureza de un metal líquido o cualquier metal (elemento) entre las fases de metal y escoria depende de la afinidad química de los elementos por el oxígeno, la composición de la escoria, la interacción de los elementos entre sí en el metal y la escoria, y temperatura

La influencia de la composición química de la escoria está asociada con las propiedades químicas del óxido formado durante la oxidación del elemento de impureza.

El efecto de la temperatura se manifiesta dependiendo del signo del efecto térmico de la reacción de oxidación de impurezas y la transición de óxido a escoria, que suele ser positivo (ΔH< 0).

Es posible caracterizar la distribución de los elementos que se producen como resultado de una reacción química entre el metal y la escoria utilizando el coeficiente de distribución de la sustancia Li.

Este indicador, bajo ciertas condiciones, puede ser una característica cuantitativa de la distribución de impurezas debido a una reacción oxidativa con un cambio en el estado electrónico de esta impureza al pasar de una fase a otra.

El índice de distribución de equilibrio se puede expresar a partir de la constante de equilibrio de la reacción de oxidación de un elemento, que ocurre, por ejemplo, durante la interacción de las fases en contacto del metal y la escoria fundida:

X [E] + y (FeO) = (Ex O y) + y; (8.1)

. (8.2)

Teniendo en cuenta (8.2), el coeficiente de distribución del elemento [E] se expresará como:

. (8.3)

Un análisis de la ecuación (8.3) permite identificar las condiciones para la transferencia de elementos de una fase a otra: de metal a escoria o viceversa. A continuación se muestran ejemplos de la distribución de algunos elementos entre metal y escoria.

Para el silicio, el equilibrio de la reacción de distribución interfacial se expresa como

2(FeO) = (SiO2) + 2; (8.4)

. (8.5)

Las condiciones para la máxima transición del silicio de metal a escoria fundida serán las siguientes:

1) bajar la temperatura, lo que permite aumentar el valor de КSi, ya que para una reacción química dada ΔН< 0;

2) aumento de actividad (FeO ) en escorias y oxidación de metales [%O ];

3) disminución del coeficiente de actividad de las partículas que contienen Si en la escoria;

4) un aumento en la actividad de Si en la masa fundida de metal.

Las condiciones 2 y 3 se cumplen con una cierta basicidad de la escoria: un aumento del % CaO reduce el coeficiente de actividad de las partículas que contienen Si debido a sus agrupamientos con iones Ca 2+.

El silicio tiene una alta afinidad por el oxígeno, por lo que EN-US "> 2[P] + 5(FeO) + 4(CaO) = (4(CaO) (P 2 O 5 )) + 5; (8.6)

(8.7)

La actividad de las partículas que contienen fósforo en la escoria disminuye con un aumento en el contenido de CaO, lo que está asociado con la formación de grupos del tipo 4CaO P 2O 5. -US "> FeO, así como CaO. En este caso, el la mayor influencia de una de estas cantidades se manifiesta en valores elevados de la otra.

Las condiciones para la transferencia máxima de fósforo del metal a la escoria son:

1) un aumento de la actividad del FeO (iones Fe 2+ y O2-) en la escoria, lo que permite obtener la forma oxidada del fósforo (P 2O 5);

2) aumentar el contenido de CaO y la basicidad de la escoria, lo que permite reducir la actividad de las partículas en la masa fundida de óxidos que contienen fósforo;

3) disminución de la temperatura: este factor debe tenerse en cuenta, en igualdad de condiciones, ya que un aumento de la temperatura en los procesos de oxidación modernos no reduce la posibilidad de eliminar el fósforo al obtener escorias posfósforo más básicas;

4) la presencia en la masa fundida de metal de elementos que tienen parámetros positivos de interacción con el fósforo (carbono, silicio, oxígeno).

REFERENCIAS

1. Teoría de los procesos metalúrgicos: libro de texto para universidades /, etc. - M.: Metalurgia, 1989. - 392 p.

2. Popel, procesos metalúrgicos: un libro de texto para universidades /,. - M.: Metalurgia, 1986. - 463 p.

3. Paderin, y cálculos de sistemas y procesos metalúrgicos: un libro de texto para universidades /,. - M.: MISIS, 2002. - 334 p.

4. Grigoryan, conceptos básicos de los procesos de fabricación de acero eléctrico: un libro de texto para universidades /,. - M.: Metalurgia, 1989. - 288 p.

5. Kazachkov, sobre la teoría de los procesos metalúrgicos: un libro de texto para universidades /. - M.: Metalurgia, 1988. - 288 p.

Introducción ………………………………………………………...………….....…… 3
1. Composición y propiedades de la atmósfera gaseosa a alta temperatura

1.1. Termodinámica de atmósferas gaseosas ……………………………………………… 3
1.2. Procesos de gases homogéneos ………………………………………….. 7
2. Análisis de procesos de combustión de carbón sólido ……………………………… 9
3. Evaluación de la resistencia de los compuestos químicos …………………………………….. 11
3.1. Disociación de carbonatos ………………………………………………….. 12
3.2. Disociación de óxidos de hierro ……………………………………………... 13
3.3. Mecanismo y cinética de los procesos de disociación ………………………….. 15
3.4. Oxidación de metales sólidos ………………………………………………... 18
4. Procesos de recuperación de metales

4.1. Características termodinámicas de los procesos de recuperación …….... 21
4.2. Recuperación de óxidos de hierro sólidos y gaseosos

agentes reductores ………………………………………………………….. 21
4.3. Mecanismo y cinética de los procesos de recuperación ……………………….. 23
5. Fundidos metalúrgicos

5.1. Características generales ………………………………………………….. 26
5.2. El metal se derrite. ……………………………………………………. 27
5.3. Propiedades termodinámicas de fundidos metálicos. Opciones

interacciones ……………………………..……………………………… 28
5.4. La escoria se derrite. Composición, estructura, propiedades termodinámicas…29
6. Gases en aceros. Procesos de formación de nitruros ……………………….……… 31
7. Desoxidación de fundidos metálicos ……………………………………. 34
8. Distribución de elementos entre metal y escoria ………………..…… 40
Lista bibliográfica ………………………………………………………… 43

Agencia Federal para la Educación

GOU VPO "Universidad Técnica Estatal de los Urales - UPI"

SOY. Panfílov

Edición de textos electrónicos educativos.

Elaborado por el Departamento de Teoría de Procesos Metalúrgicos

Editor científico: Prof., Dr. química Ciencias MA Spiridonov

Pautas para el trabajo de laboratorio en las disciplinas "Química física de sistemas y procesos metalúrgicos", "Teoría de procesos metalúrgicos" para estudiantes de todas las formas de educación en especialidades metalúrgicas.

Las reglas para organizar el trabajo en el taller "Teoría de los procesos metalúrgicos" del Departamento de TMP (audiencia especializada

Mt-431 im. O. A. Si en). Se describen la metodología y el procedimiento para realizar el trabajo de laboratorio, se brindan los requisitos para el contenido y el diseño de los informes sobre el trabajo de laboratorio de acuerdo con los GOST actuales y se brindan recomendaciones para su implementación.

© GOU VPO USTU-UPI, 2008

Ekaterimburgo

Introducción .................................................. . .................................................. .. .............................................................. cuatro

1 Organización del trabajo en un taller de laboratorio sobre la teoría de los procesos metalúrgicos ............... 4

1.1 Preparación para el laboratorio ............................................... .......................... ................................. ......................... .. 5 1.2 Recomendaciones para el procesamiento de resultados de medición y diseño de informes ........... .................................... 5

1.3.1 Trazado ............................................... ............................................................ ........... ................... 5

1.3.2 Suavizado de datos experimentales........................................... .................................................................. ..... 7

1.3.5 Derivación numérica de una función definida por un conjunto de puntos discretos.......................... 8

aproximar un conjunto de datos ............................................... ............................................... 9

1.3.7 Presentación de resultados................................................ ........................................................ ....... ....... diez

2 Descripción del trabajo de laboratorio ............................................ ........................................................ ....... ............. once

2.1 Estudio de la cinética de oxidación del hierro a alta temperatura (Trabajo N° 13) .................................. ............. 12

2.1.1 Patrones generales de oxidación del hierro ....................................... .................................................................. .................. 12 2.1.2 Descripción de la configuración y el procedimiento para realizar experimentos .............. .. ............................................................. ... .. catorce

2.1.3 Procesamiento y presentación de los resultados de las mediciones ............................... .................................................. quince

Preguntas de prueba .................................................. .................................................. . .................... 17

2.2 Estudio de la dependencia de la temperatura de la conductividad eléctrica de los óxidos fundidos

(Obra N° 14) ............................................... ... ............................................................. .. .................................................. 19

2.2.1 Información general sobre la naturaleza de la conductividad eléctrica de las escorias ............................... .......................... 19

2.2.2 Descripción del procedimiento de configuración y medición......................................... ....... .................................. 21

2.2.3 Cómo hacer el trabajo ........................................... .......... ................................................. ......... ..... 23

2.2.4 Procesamiento y presentación de los resultados de las mediciones .................................. ...................... ................... 24

Preguntas de prueba .................................................. .................................................. . .................... 25

2.3 Estudio de la cinética de desulfuración de metales por escorias sobre un modelo de simulación (Trabajo No.

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

2.3.1 Información general sobre la cinética de desulfuración de metales por escoria ............................... ......................... ..... 26

2.3.2 Modelo matemático del proceso......................................... ..... ............................................. .. 29

2.3.3 Procedimiento de trabajo ............................................. .................................................. ................ ...... treinta

2.3.4 Procesamiento y presentación de los resultados de las mediciones ............................... .................................... 31

Preguntas de prueba .................................................. .................................................. . .................... 32

2.4 Estudio termográfico de los procesos de disociación de carbonatos naturales (Trabajo N° 16) 33

2.4.1 Patrones generales de disociación de carbonatos .................................. .................. ................. 33

2.4.2 Esquema de instalación y método de trabajo ........................................... .................................................. 39

2.4.3 Procesamiento y presentación de los resultados de las mediciones ............................... .................................... 39

Preguntas de prueba .................................................. .................................................. . .................... 41

2.5 Estudio de la dependencia de la temperatura de la viscosidad de los óxidos fundidos (Trabajo No. 17) .............. 42

2.5.1 La naturaleza de la resistencia viscosa de los óxidos fundidos .................................. ........ ................ 42

2.5.2 Descripción del procedimiento de configuración y medición de la viscosidad .................................. ........................ ................. 43

2.5.3 Procedimiento de trabajo ............................................. .................................................. .......... ...... 45

2.5.4 Procesamiento y presentación de los resultados de las mediciones ............................... ........... ................... 45 Preguntas de seguridad ........... ....................... ........................... ...................... ................................ ............. 46

2.6 Recuperación de manganeso de la fusión de óxidos en acero (Trabajo No. 18)

2.6.1 Leyes generales de la interacción electroquímica del metal y la escoria ............... 47

2.6.2 Modelo de proceso ............................................. .................. ................................ .................................................. 49

2.6.3 Procedimiento de trabajo ............................................. .................. ................................ ........... ...... cincuenta

Preguntas de prueba .................................................. .................................................. . ............................. 52 Referencias .................. ............................ ...................... ........................... ....................... .......................... ..... 53

STP USTU-UPI 1-96	Estándar empresarial. Requisitos y normas generales para el diseño de proyectos de diplomas y cursos (obras).
GOST R 1,5-2002	GSS. Normas. Requisitos generales de construcción, presentación, diseño, contenido y denominación.
GOST 2.105-95	ESKD. Requisitos generales para documentos de texto.
GOST 2.106-96	ESKD. Documentos de texto.
GOST 6,30 2003	DÓLAR ESTADOUNIDENSE. Sistema unificado de documentación organizativa y administrativa. Requisitos de documentación.
GOST 7.32-2001	SIBID. Informe de investigación.
GOST 7.54-88	SIBID. Representación de datos numéricos sobre las propiedades de sustancias y materiales en documentos científicos y técnicos. Requerimientos generales.
GOST 8.417-2002	GSOEI. Unidades

Designaciones y abreviaturas

	Estándar estatal de la antigua URSS o estándar interestatal (actualmente).
	Norma adoptada por el Comité Estatal de Normalización y Metrología de la Federación Rusa (Gosstandart de Rusia) o el Comité Estatal de Política de Vivienda y Construcción de la Federación Rusa (Gosstroy de Rusia).
	Sistema de normalización estatal.
	Sistema estatal para asegurar la uniformidad de las mediciones.
	Tecnologías de la información
	Método de mínimos cuadrados
	Computadora personal
	Estándar empresarial
	Teoría de los procesos metalúrgicos

Introducción

Realizar trabajos de laboratorio para estudiar las propiedades en el sistema metal-escoria y los procesos que ocurren en las unidades metalúrgicas le permite comprender mejor las capacidades del método de análisis fisicoquímico y adquirir habilidades en su aplicación práctica. Adicionalmente, el estudiante se familiariza con la implementación de algunos métodos de investigación experimental y modelo de propiedades físicas y químicas individuales y procesos metalúrgicos en general, adquiere las habilidades de procesamiento, análisis y presentación de información experimental.

1 Organización del trabajo en un taller de laboratorio sobre la teoría de los procesos metalúrgicos.

En el taller de laboratorio sobre la teoría de los procesos metalúrgicos, lo principal es la recopilación informática de información experimental. Esto determina una serie de características de la organización del trabajo:

Cada alumno recibe una tarea individual, realiza todo el experimento o una parte específica del mismo y procesa la información recibida. El resultado del trabajo incluye las características numéricas obtenidas del fenómeno en estudio y los errores en su determinación, gráficos que ilustran las características identificadas y conclusiones obtenidas de todo el conjunto de información. La discrepancia entre los resultados cuantitativos del trabajo presentado en los informes de los estudiantes, en comparación con las estimaciones de control, no debe exceder el 5 %.

La principal opción para presentar los resultados es el procesamiento de datos experimentales, trazando gráficos y formulando conclusiones en hojas de cálculo Microsoft.Excel u OpenOffice.Calc.

Con el permiso del profesor, se permite temporalmente presentar un informe escrito a mano con las ilustraciones necesarias y gráficos realizados en papel cuadriculado.

El informe sobre el trabajo de laboratorio completado se entrega al profesor que dirige el taller de laboratorio a más tardar el día hábil anterior al próximo trabajo de laboratorio. El orden de transmisión (por correo electrónico, durante un descanso a cualquier profesor o auxiliar de laboratorio que esté impartiendo clases en ese momento) lo determina el profesor.

Los estudiantes que no hayan presentado un informe sobre el trabajo anterior a tiempo y no hayan aprobado el coloquio (prueba) no pueden pasar al siguiente trabajo de laboratorio.

Solo los estudiantes que hayan aprobado una sesión informativa introductoria sobre las medidas de trabajo seguro en el taller de laboratorio y hayan firmado la hoja de instrucciones pueden realizar trabajos de laboratorio.

El trabajo con dispositivos eléctricos de calentamiento y medición, con cristalería química y reactivos se lleva a cabo de acuerdo con las instrucciones de seguridad en el laboratorio.

Después de completar el trabajo, el estudiante ordena el lugar de trabajo y se lo entrega al asistente de laboratorio.

1.1 Preparación para el laboratorio

Las fuentes principales en preparación para la lección son esta guía, libros de texto y materiales didácticos recomendados por el profesor, notas de clase.

Preparándose para el trabajo de laboratorio, el estudiante durante la semana anterior a la lección debe leer y comprender el material relacionado con el fenómeno que se estudia, comprender los esquemas en el manual en el diseño de la instalación y la técnica de medición y el procesamiento de sus resultados. En caso de dificultades, es necesario utilizar la literatura recomendada y las consultas del profesor y los profesores que imparten clases de laboratorio.

El maestro controla la preparación del estudiante para realizar el trabajo mediante una encuesta individual de cada estudiante o mediante la realización de pruebas de computadora. Un estudiante insuficientemente preparado está obligado a estudiar el material relacionado con este trabajo durante la lección y realizar la parte experimental del trabajo en una lección adicional después de volver a verificar. El tiempo y el procedimiento para la realización de clases repetidas está regulado por un horario especial.

1.2 Recomendaciones para el procesamiento de resultados de medición y presentación de informes

De acuerdo con GOST 7.54-88, los datos numéricos experimentales deben presentarse en forma de tablas tituladas. Se proporcionan tablas de muestra para cada laboratorio.

Al procesar los resultados de las mediciones, es necesario utilizar el procesamiento estadístico: aplicar el suavizado de los datos experimentales, utilizar el método de mínimos cuadrados al estimar los parámetros de dependencia, etc. y asegúrese de evaluar el error de los valores obtenidos. Para realizar dicho procesamiento, las hojas de cálculo proporcionan funciones estadísticas especiales. El conjunto necesario de funciones también está disponible en calculadoras diseñadas para cálculos científicos (de ingeniería).

1.3.1 Trazado

Al realizar experimentos, por regla general, los valores de varios parámetros se fijan simultáneamente. Al analizar su relación, se pueden sacar conclusiones sobre el fenómeno observado. La representación visual de los datos numéricos facilita en gran medida el análisis de su relación, razón por la cual el trazado es un paso tan importante para trabajar con información. Tenga en cuenta que entre los parámetros fijos siempre hay al menos una variable independiente: un valor cuyo valor cambia por sí mismo (tiempo) o que establece el experimentador. Los parámetros restantes están determinados por los valores de las variables independientes. Al trazar gráficos, debe guiarse por algunas reglas:

El valor de la variable independiente se grafica a lo largo de la abscisa (eje horizontal), y el valor de la función se grafica a lo largo de la ordenada (eje vertical).

Las escalas a lo largo de los ejes deben elegirse de tal manera que se use el área del gráfico de la manera más informativa posible, de modo que haya menos áreas vacías en las que no haya puntos experimentales y líneas de dependencias funcionales. Para cumplir con este requisito, a menudo es necesario especificar un valor distinto de cero en el origen del eje de coordenadas. En este caso, todos los resultados experimentales deben presentarse en el gráfico.

Los valores a lo largo de los ejes deben, como regla, ser múltiplos de algún número entero (1, 2, 4, 5) y espaciados uniformemente. Es estrictamente inaceptable indicar los resultados de mediciones específicas en los ejes. Las unidades de escala elegidas no deben ser demasiado pequeñas ni demasiado grandes (no deben contener varios ceros al principio o al final). Para garantizar este requisito, debe utilizar un factor de escala de la forma 10 X, que se elimina en la designación del eje.

La línea de dependencia funcional debe ser una línea recta o una curva suave. Está permitido conectar los puntos experimentales con una línea discontinua solo en la etapa de análisis preliminar.

Al trazar utilizando hojas de cálculo, muchos de estos requisitos se cumplirán automáticamente, pero normalmente no todos y no en toda su extensión, por lo que casi siempre tendrá que ajustar la representación resultante.

Las hojas de cálculo tienen un servicio especial: el Asistente para gráficos (Menú principal: Insertar gráfico). La forma más sencilla de acceder a él es primero seleccionar un área de celda que incluya tanto un argumento como una función (varias funciones), y activar el botón "Asistente de gráficos" en el panel estándar con el mouse.

Esto le dará una plantilla de gráfico con la que todavía tiene que trabajar, ya que la selección automática de muchas de las opciones de gráfico predeterminadas probablemente no cumplirá con todos sus requisitos.

En primer lugar, verifique el tamaño de los números en los ejes y las letras en los ejes y las etiquetas de funciones en la leyenda. Es deseable que el tamaño de fuente sea el mismo en todas partes, no menos de 10 ni más de 14 puntos, pero deberá establecer el valor para cada inscripción por separado. Para ello, coloque el cursor sobre el objeto de interés (eje, etiqueta, leyenda) y presione el botón derecho del mouse. En el menú contextual que aparece, seleccione "Formato (elemento)" y en el nuevo menú del folleto con la etiqueta "Fuente" seleccione el valor deseado. Al formatear el eje, también debe mirar y, posiblemente, cambiar los valores en las hojas con las etiquetas "Escala" y "Número". Si no comprende a qué cambios conducirá la elección propuesta, no tenga miedo de probar cualquier opción, porque siempre puede descartar los cambios realizados presionando las teclas Ctrl + Z, o seleccionando el elemento del menú principal "Editar" - Cancelar, o haciendo clic en el botón "Deshacer" en la barra de herramientas estándar.

Si hay muchos puntos, la extensión es pequeña y la línea se ve bastante suave, entonces los puntos se pueden conectar con líneas. Para hacer esto, mueva el cursor sobre cualquier punto del gráfico y presione el botón derecho del mouse. Seleccione "Formatear serie de datos" en el menú contextual que aparece. En una nueva ventana en una hoja de papel con la etiqueta "Ver", debe seleccionar el color y el grosor de línea apropiados, y al mismo tiempo verificar el color, el tamaño y la forma de los puntos. Es así como se construyen dependencias que aproximan los datos experimentales. Si la aproximación es una línea recta, entonces dos puntos son suficientes en los bordes del rango del argumento. No se recomienda el uso de la opción de "curva suavizada" integrada en las hojas de cálculo debido a la imposibilidad de ajustar los parámetros de suavizado.

1.3.2 Suavizado de datos experimentales

Los datos experimentales obtenidos en configuraciones experimentales de alta temperatura se caracterizan por un gran error de medición aleatorio. Esto está determinado principalmente por la interferencia electromagnética del funcionamiento de un potente dispositivo de calefacción. El procesamiento estadístico de los resultados puede reducir significativamente el error aleatorio. Se sabe que para una variable aleatoria distribuida según la ley normal, el error de la media aritmética, determinado a partir de norte valores, en norte½ veces menos que el error de una sola medición. Con una gran cantidad de mediciones, cuando es aceptable suponer que la dispersión aleatoria de datos en un pequeño intervalo excede significativamente el cambio regular en el valor, una técnica de suavizado efectiva es asignar el siguiente valor del valor medido a la media aritmética. calculado a partir de varios valores en el intervalo simétrico que lo rodea. Matemáticamente, esto se expresa mediante la fórmula:

(1.1)

y es muy fácil de implementar en hojas de cálculo. Aquí y i es el resultado de la medición, y Y i es el valor suavizado que se usará en su lugar.

Los datos experimentales obtenidos con la ayuda de sistemas de recopilación de información digital se caracterizan por un error aleatorio, cuya distribución difiere significativamente de la ley normal. En este caso, puede ser más eficiente usar la mediana en lugar de la media aritmética. En este caso, al valor medido en el medio del intervalo se le asigna el valor del valor medido que resultó ser el más cercano a la media aritmética. Parecería que una pequeña diferencia en el algoritmo puede cambiar significativamente el resultado. Por ejemplo, en la versión de la estimación de la mediana, es posible que algunos resultados experimentales no se utilicen en absoluto, muy probablemente aquellos que son realmente

valores de "resaltado" con un error particularmente grande.

1.3.5 Derivación numérica de una función definida por un conjunto de puntos discretos

La necesidad de tal operación cuando se procesan puntos experimentales surge con bastante frecuencia. Por ejemplo, al diferenciar la dependencia de la concentración con el tiempo, se encuentra la dependencia de la velocidad del proceso con el tiempo y con la concentración del reactivo, lo que a su vez permite estimar el orden de la reacción. La operación de diferenciación numérica de una función definida por un conjunto de sus valores ( y) correspondiente al conjunto correspondiente de valores de argumento ( X), se basa en la sustitución aproximada de la diferencial de una función por la razón de su cambio final al cambio final del argumento:

(1.2)

La diferenciación numérica es sensible a errores causados ​​por imprecisiones en los datos originales, descartando miembros de la serie, etc., y por lo tanto debe realizarse con cuidado. Para mejorar la precisión de la estimación de la derivada (), primero intentan suavizar los datos experimentales, al menos en un segmento pequeño, y solo luego realizan la diferenciación. Como resultado, en el caso más simple, para nodos equidistantes (los valores del argumento difieren entre sí en la misma cantidad x), se obtienen las siguientes fórmulas: para la derivada en el primero ( X 1 punto:

para la derivada en todos los demás puntos ( X), excepto el último:

para la derivada en el último ( X) punto:

Si hay muchos datos experimentales y se pueden ignorar varios puntos extremos, se pueden usar fórmulas de suavizado más fuertes, por ejemplo, para 5 puntos:

o por 7 puntos:

Para una disposición desigual de los nodos, nos limitamos a recomendar que utilicemos la fórmula modificada (1.3) en la forma

(1.8)

y no calcule la derivada en los puntos inicial y final.

Por lo tanto, para implementar la diferenciación numérica, es necesario colocar fórmulas adecuadas en las celdas de una columna libre. Por ejemplo, los valores de los argumentos espaciados de manera desigual se colocan en la columna "A" en las celdas 2 a 25, y los valores de las funciones se colocan en la columna "B" en las celdas correspondientes. Se supone que los valores de la derivada se colocan en la columna "C". Luego, en la celda "C3" debe ingresar la fórmula (5) en el formulario:

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

y copiar (estirar) a todas las celdas en el rango C4:C24.

1.3.6 Determinación por el método de mínimos cuadrados de los coeficientes polinómicos,

aproximando un conjunto de datos

En la representación gráfica de información numérica, a menudo existe la necesidad de trazar una línea a lo largo de los puntos experimentales, lo que revela las características de la dependencia obtenida. Esto se hace para percibir mejor la información y facilitar el análisis posterior de los datos que tienen cierta dispersión debido a errores de medición. A menudo, sobre la base de un análisis teórico del fenómeno en estudio, se sabe de antemano qué forma debe tener esta línea. Por ejemplo, se sabe que la dependencia de la velocidad de un proceso químico ( v) sobre la temperatura debe ser exponencial, con el exponente representando el recíproco de la temperatura en una escala absoluta:

Esto significa que en el gráfico en coordenadas ln v– 1/T debe ser una línea recta,

cuya pendiente caracteriza la energía de activación ( mi) proceso. A través de los puntos experimentales, por regla general, es posible dibujar varias líneas rectas con diferentes pendientes. En cierto sentido, la mejor de ellas será una línea recta con coeficientes determinados por el método de mínimos cuadrados.

En el caso general, se utiliza el método de mínimos cuadrados para encontrar los coeficientes de la dependencia de aproximación y (X 1 , X 2 ,…x norte) un polinomio de la forma

dónde b y metro 1 …m norte son coeficientes constantes, y X 1 …x norte es un conjunto de argumentos independientes. Es decir, en el caso general, el método se usa para aproximar una función de varias variables, pero también es aplicable para describir una función compleja de una variable. X. En este caso, se suele suponer que

y el polinomio de aproximación tiene la forma

Al elegir el grado del polinomio de aproximación norte tenga en cuenta que necesariamente debe ser menor que el número de valores medidos X y y. En casi todos los casos, no debería ser más de 4, rara vez 5.

Este método es tan importante que en las hojas de cálculo de Excel existen al menos cuatro opciones para obtener los valores de los coeficientes deseados. Recomendamos usar la función ESTIMACION.LINEAL() si está trabajando en hojas de cálculo de Excel en Microsoft Office, o la función ESTIMACION.LINEAL() en hojas de cálculo de Calc en OpenOffice. Se presentan en la lista de funciones estadísticas, pertenecen a la clase de las llamadas funciones matriciales y, por lo tanto, tienen una serie de características de aplicación. En primer lugar, no se ingresa en una celda, sino inmediatamente en un rango (área rectangular) de celdas, ya que la función devuelve varios valores. El tamaño horizontal de la región está determinado por el número de coeficientes del polinomio de aproximación (hay dos de ellos en el ejemplo bajo consideración: ln v 0 y E/R), y se pueden asignar de una a cinco filas verticalmente, según la cantidad de información estadística que se necesite para su análisis.

1.3.7 Presentación de resultados

En un documento científico y técnico, al presentar datos numéricos, se debe dar una evaluación de su confiabilidad y se deben resaltar los errores aleatorios y sistemáticos. Los errores de datos dados deben presentarse de acuerdo con GOST 8.207–76.

Al procesar estadísticamente un grupo de resultados de observación, se deben realizar las siguientes operaciones: eliminar errores sistemáticos conocidos de los resultados de observación;

Calcular la media aritmética de los resultados de observación corregidos, tomados como resultado de la medición; calcular una estimación de la desviación estándar del resultado de la medición;

Calcular los límites de confianza del error aleatorio (componente de error aleatorio) del resultado de la medición;

Calcular los límites del error sistemático no excluido (residuos no excluidos del error sistemático) del resultado de la medición; calcular los límites de confianza del error del resultado de la medición.

Para determinar los límites de confianza del error del resultado de la medición, la probabilidad de confianza R tomar igual a 0.95. Con un error de confianza simétrico, los resultados de la medición se presentan en la forma:

donde es el resultado de la medición, ∆ es el límite de error del resultado de la medición, R es el nivel de confianza. El valor numérico del resultado de la medición debe terminar con un dígito del mismo dígito que el valor de error ∆.

2 Descripción del trabajo de laboratorio

La primera parte de cada uno de los apartados dedicados al trabajo de laboratorio específico proporciona información sobre la composición y estructura de las fases, el mecanismo de los procesos que ocurren dentro de la fase o en sus interfaces con las fases vecinas, el mínimo necesario para comprender la esencia del fenómeno estudiado en el trabajo. Si la información proporcionada es insuficiente, se deben consultar las notas de clase y la literatura recomendada. Sin comprender la primera parte de la sección, es imposible imaginar lo que sucede en el sistema en estudio en el transcurso del trabajo, para formular y comprender conclusiones basadas en los resultados obtenidos.

La siguiente parte de cada apartado está dedicada a la implementación hardware o software de una instalación real, o de un modelo informático. Proporciona información sobre el equipo utilizado y los algoritmos aplicados. Sin comprender esta sección, es imposible evaluar las fuentes de error y qué acciones se deben tomar para minimizar su impacto.

La última parte describe el procedimiento para realizar las mediciones y procesar sus resultados. Todas estas cuestiones se someten al coloquio que precede al trabajo, oa la prueba informática.

2.1 Estudio de la cinética de oxidación del hierro a alta temperatura (Trabajo N° 13)

2.1.1 Patrones generales de oxidación del hierro

Según el principio de la secuencia de transformaciones A.A. Baykov, todos los óxidos que son termodinámicamente estables en las condiciones dadas se forman en la superficie del hierro durante su oxidación a alta temperatura con oxígeno atmosférico. A temperaturas superiores a 572 °C, la cascarilla consta de tres capas: wustita FeO, magnetita Fe 3 O 4, hematita Fe 2 O 3. La capa de wustita más cercana al hierro, que representa aproximadamente el 95 % del espesor de toda la cascarilla, tiene propiedades de los semiconductores p. Esto significa que hay una concentración significativa de vacantes de hierro ferroso en la subred catiónica de FeO, y la neutralidad eléctrica está asegurada por la aparición de "agujeros" de electrones, que son partículas de hierro férrico. La subred aniónica de la wuestita, que consta de iones О2– cargados negativamente, está prácticamente libre de defectos; la presencia de vacantes en la subred catiónica aumenta significativamente la movilidad de difusión de las partículas de Fe2+ a través de la wuestita y reduce sus propiedades protectoras.

La capa intermedia de magnetita es un óxido de composición estequiométrica, que tiene una pequeña concentración de defectos en la red cristalina y, como resultado, tiene mayores propiedades protectoras. Su espesor relativo es en promedio del 4%.

La capa exterior de escala - hematita tiene una conductividad de tipo n. La presencia de vacantes de oxígeno en la subred de aniones facilita la difusión de partículas de oxígeno a través de ella, en comparación con los cationes de hierro. El espesor relativo de la capa de Fe 2 O 3 no supera el 1% .

A temperaturas inferiores a 572°C, la wustita es termodinámicamente inestable, por lo que la cascarilla consta de dos capas: magnetita Fe 3 O 4 (90% del espesor) y hematita Fe 2 O 3 (10%).

La formación de una película protectora continua de escamas en la superficie del hierro conduce a su separación de la atmósfera del aire. La oxidación adicional del metal se lleva a cabo debido a la difusión de reactivos a través de la película de óxido. El proceso heterogéneo considerado consta de las siguientes etapas: aporte de oxígeno desde el volumen de la fase gaseosa hasta el límite con el óxido por difusión molecular o convectiva; adsorción de O2 en la superficie del óxido; ionización de átomos de oxígeno con formación de aniones O 2–; difusión de aniones de oxígeno en la fase de óxido hasta el límite con el metal; ionización de átomos de hierro y su transición a escala en forma de cationes; difusión de cationes de hierro en el óxido hasta el límite con el gas; acto cristaloquímico de formación de nuevas porciones de la fase de óxido.

El régimen de difusión de la oxidación del metal se realiza si la etapa más retardada es el transporte de partículas de Fe 2+ u O 2– a través de la cascarilla. El suministro de oxígeno molecular desde la fase gaseosa es relativamente rápido. En el caso del régimen cinético, las etapas de adsorción o ionización de las partículas, así como el acto de transformación química cristalina, son limitantes.

La derivación de la ecuación cinética del proceso de oxidación del hierro para el caso de una cascarilla de tres capas es bastante engorrosa. Se puede simplificar significativamente sin cambiar las conclusiones finales, si consideramos que la escala tiene una composición homogénea y tenemos en cuenta la difusión a través de ella de solo cationes Fe 2+.

Denotamos por D coeficiente de difusión de partículas de Fe 2+ en escala, k es la constante de velocidad de oxidación del hierro, C 1 y DE 2 concentraciones de equilibrio de cationes de hierro en la interfaz con el metal y el aire, respectivamente, h es el espesor de la película de óxido, S es el área superficial de la muestra, es la densidad del óxido, METRO es su masa molar. Entonces, de acuerdo con las leyes de la cinética formal, la tasa específica del acto químico de interacción del hierro con el oxígeno por unidad de superficie de la muestra ( realidad virtual) está determinada por la relación:

En estado estacionario, es igual a la densidad del flujo de difusión de las partículas de Fe 2+.

Dado que la tasa global del proceso de oxidación heterogénea es proporcional a la tasa de crecimiento de su masa

(13.3)

puede ser excluido C 2 a partir de las ecuaciones (13.1) y (13.2) y obtenga la dependencia de la masa de la escala con el tiempo:

(13.4)

De la última relación se puede ver que el régimen cinético del proceso se realiza, por regla general, en el momento inicial de la oxidación, cuando el espesor de la película de óxido es pequeño y se puede despreciar su resistencia a la difusión. El crecimiento de la capa de incrustaciones ralentiza la difusión de los reactivos y el modo de proceso cambia con el tiempo a la difusión.

Un enfoque más riguroso desarrollado por Wagner en la teoría ion-electrón de la oxidación de metales a alta temperatura hace posible calcular cuantitativamente la constante de velocidad de la ley parabólica del crecimiento de la película utilizando datos de experimentos independientes sobre la conductividad eléctrica de los óxidos:

donde ∆ GRAMO es el cambio en la energía de Gibbs para la reacción de oxidación del metal, METRO es la masa molar del óxido, es su conductividad eléctrica, yo es la proporción de conductividad iónica, z es la valencia del metal, F es la constante de Faraday.

Al estudiar la cinética de formación de muy delgado ( 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 en( a τ+ B), así como cúbico h 3 = kτ (óxidos - semiconductores pags-tipo) o logarítmico inverso 1/ h = C k ln(τ) ( norte- tipo de conductividad) a la lentitud de la etapa de transferencia de iones metálicos.

2.1.2 Descripción de la configuración y el procedimiento para realizar experimentos

La cinética de oxidación del hierro se estudia mediante el método gravimétrico, que permite registrar el cambio en la masa de la muestra con el tiempo durante el experimento. El diagrama de instalación se muestra en la Figura 1.

Figura 1 - Esquema del montaje experimental:

1 – muestra de hierro en estudio; 2 – horno de resistencia eléctrica; 3 – transductor mecanoeléctrico E 2D1; 4 - ordenador personal con placa ADC.

Una muestra de metal (1) suspendida de una cadena de nicromo al balancín del convertidor mecanoeléctrico E 2D1 (3) se coloca en un horno tubular de resistencia eléctrica vertical (2). La señal de salida E 2D1, proporcional al cambio en la masa de la muestra, se alimenta a la placa ADC de la computadora como parte de la instalación. La constancia de la temperatura en el horno es mantenida por un controlador automático, la temperatura requerida del experimento es fijada por el controlador apropiado en el panel de instrumentos del horno según las indicaciones del profesor (800 - 900 °C).

De acuerdo con los resultados del trabajo, se determina la constante de velocidad de la reacción de oxidación del hierro y el coeficiente de difusión de sus iones en la película de óxido y, si es posible, la energía de activación de la reacción química y la difusión. Ilustre gráficamente la dependencia del cambio en la masa de la muestra y la velocidad del proceso de oxidación de vez en cuando.

2.1.3 Procesamiento y presentación de resultados de medición

El transductor mecanoeléctrico está diseñado de tal manera que parte de la masa del objeto de medición es compensada por un resorte espiral. Su valor es desconocido, pero debe permanecer constante durante las mediciones. Como se desprende de la descripción del procedimiento de medida, no se conoce el tiempo exacto (0) del inicio del proceso de oxidación, ya que no se sabe cuando la muestra adquirirá temperatura suficiente para el desarrollo del proceso de oxidación. Hasta el momento en que la muestra realmente comienza a oxidarse, su masa es igual a la masa del metal original ( metro 0). El hecho de que no midamos toda la masa, sino sólo su parte no compensada, no cambia la esencia del asunto. La diferencia entre la masa actual de la muestra ( metro) y la masa inicial del metal representa la masa de la escama, por lo que la fórmula (13.4) para condiciones experimentales reales debe presentarse como:

(13.6)

donde metro es el valor medido de la parte restante no compensada de la masa de la muestra, m0– lo mismo antes del inicio del proceso de oxidación a baja temperatura de la muestra. A partir de esta relación se puede ver que la dependencia experimental de la masa de la muestra con el tiempo debe describirse mediante una ecuación de la forma:

, (13.7)

cuyos coeficientes se pueden encontrar por el método de mínimos cuadrados a partir de los resultados de medición obtenidos. Esto se ilustra mediante un gráfico típico en la Fig. Los puntos son los resultados de las mediciones, la línea se obtiene aproximando los datos por la ecuación 13.7

Los puntos marcados con cruces son valores atípicos y no deben tenerse en cuenta al calcular los coeficientes de la Ecuación 13.7 utilizando el método de mínimos cuadrados.

Comparando las fórmulas (13.6) y (13.7) es fácil relacionar los coeficientes encontrados con las magnitudes fisicoquímicas que los determinan:

(13.8)

En el ejemplo dado, el valor de m0, el valor en el eje y en = 0, resultó ser 18,1 mg.

Usando estos valores, obtenidos en preparación para el experimento, el valor del área de la muestra ( S) y la densidad de wustita prestada de la literatura (= 5,7 g / cm 3) puede ser

evaluar la relación del coeficiente de difusión y la constante de velocidad del proceso de oxidación:

(13.13)

Esta relación caracteriza la escala del espesor de la película en la que la constante de velocidad de difusión es igual a la constante de velocidad de la reacción química de oxidación del metal, lo que corresponde a la definición de un modo de reacción estrictamente mixto.

Según los resultados del trabajo, todos los valores deben determinarse utilizando las fórmulas (13.7, 13.11 - 13.13): b 0 , b 1 , b 2 , metro 0 , 0 y D /k. Para ilustrar los resultados, se debe dar un gráfico de la dependencia. metro– . Junto con los valores experimentales, es deseable dar una curva aproximada.

De acuerdo con los resultados de las mediciones, es necesario completar la siguiente tabla:

Tabla 1. Resultados del estudio del proceso de oxidación del hierro.

En la tabla, las dos primeras columnas se llenan después de abrir el archivo de datos y el resto se calcula. El alisado se realiza en 5 puntos. Al determinar los coeficientes del polinomio de aproximación, las columnas primera, tercera y cuarta se utilizan simultáneamente. La última columna debe contener los resultados de la aproximación por el polinomio (13.7) utilizando los coeficientes encontrados por el método de mínimos cuadrados. El gráfico se construye sobre la primera, tercera y quinta columnas.

Si varios estudiantes realizan el trabajo, cada uno de ellos realiza el experimento a su propia temperatura. El procesamiento conjunto de los resultados de estimar el espesor de la capa de escamas en un modo estrictamente mixto () nos permite estimar la diferencia entre las energías de activación de difusión y reacción química. De hecho, la fórmula obvia es válida aquí:

(13.14)

Procesamiento similar de coeficientes b 2 permite estimar la energía de activación de la difusión. Aquí está la fórmula correcta:

(13.15)

Si las mediciones se realizaron a dos temperaturas, entonces las estimaciones se realizan directamente mediante las fórmulas (13.4) y (13.15), si los valores de temperatura son más de dos, se debe aplicar el método de mínimos cuadrados para las funciones. en () – 1/T y en (segundo 2) – 1/t Los valores obtenidos se dan en la tabla final y se discuten en las conclusiones.

El procedimiento para procesar los resultados del trabajo.

2. Construya un gráfico de dependencia en una hoja separada metro– , identifique visualmente y elimine los valores emergentes.

3. Suavice los valores de peso medidos.

4. Calcular los cuadrados del cambio de masa

5. Encuentra los coeficientes de mínimos cuadrados b 0 , b 1 , b 2 ecuaciones que aproximan la dependencia del cambio de masa con el tiempo.

6. Calcular la masa estimada al inicio de las mediciones según la ecuación de aproximación

7. Analizar los resultados de la aproximación mediante clasificación y eliminar valores incorrectos

8. Mostrar los resultados de la aproximación en el gráfico de dependencia metro – .

9. Calcular las características del sistema y del proceso: metro 0 , 0 , D /k .

Resultados de la prueba:

una. En la celda "A1": el área de superficie de la muestra, en las unidades de medida "B1" de la celda adyacente;

b. En la celda "A2" - la masa de la muestra original, en la celda "B2" - unidades de medida;

C. En la celda "A3" - la temperatura del experimento, en la celda "B3" - unidades de medida;

d. En la celda "A4": el grosor de la capa de escala en un modo estrictamente mixto, en la celda "B4": unidades de medida;

mi. A partir de la celda "A10", se deben articular claramente las conclusiones del trabajo.

En las celdas A6-A7, debe haber enlaces a celdas en otras hojas del libro de hojas de cálculo en las que se realizaron cálculos para obtener el resultado presentado, ¡y no los valores numéricos en sí mismos! Si este requisito no se cumple, el programa de verificación da el mensaje "Error de presentación de información".

2. Gráfico de dependencia diseñado correctamente metro- , obtenido experimentalmente (puntos) y aproximado por un polinomio (línea), en una hoja separada de hojas de cálculo con todas las firmas y símbolos necesarios.

preguntas de examen

1. ¿Cuál es la estructura de la cascarilla obtenida en el hierro durante su oxidación a alta temperatura en el aire?

2. ¿Por qué la aparición de la fase vustita en las incrustaciones conduce a un fuerte aumento en la tasa de oxidación del hierro?

3. ¿Cuáles son las etapas del proceso heterogéneo de oxidación del hierro?

4. ¿Cuál es la diferencia entre el régimen de difusión de la oxidación del hierro y el cinético?

5. ¿Cuál es el orden y metodología del trabajo?

6. ¿Cómo identificar el modo del proceso de oxidación?

2.2 Estudio de la dependencia de la temperatura de la conductividad eléctrica de los óxidos fundidos (Trabajo N° 14)

2.2.1 Información general sobre la naturaleza de la conductividad eléctrica de las escorias

El estudio de la dependencia de la conductividad eléctrica de las escorias con su composición y temperatura es de gran importancia para la metalurgia, tanto en términos teóricos como aplicados. El valor de la conductividad eléctrica específica puede tener un impacto significativo en la velocidad de las reacciones más importantes entre el metal y la escoria en los procesos de producción de acero, en la productividad de las unidades metalúrgicas, especialmente en tecnologías de electroescoria u hornos de arco para la fundición de escoria sintética, donde la intensidad de la liberación de calor depende de la magnitud de la corriente eléctrica que pasa a través de la masa fundida. Además, la conductividad eléctrica, al ser una propiedad estructuralmente sensible, proporciona información indirecta sobre la estructura de los fundidos, la concentración y el tipo de partículas cargadas.

De acuerdo con las ideas sobre la estructura de los fundidos de óxido formuladas, en particular, por la escuela científica del profesor O. A. Esin, en ellos no pueden estar presentes partículas sin carga. Al mismo tiempo, los iones de la masa fundida difieren mucho en tamaño y estructura. Los elementos básicos de óxido están presentes en forma de iones simples, por ejemplo, Na + , Ca 2+ , Mg 2+ , Fe 2+ , O 2- . Por el contrario, los elementos con alta valencia, que forman óxidos ácidos (ácidos), como SiO 2, TiO 2, B 2 O 3, en forma de ion, tienen un campo electrostático tan alto que no pueden estar en la masa fundida. como simples iones Si 4+, Ti4+, B3+. Traen aniones de oxígeno tan cerca de sí mismos que forman enlaces covalentes con ellos y están presentes en la masa fundida en forma de aniones complejos, los más simples de los cuales son, por ejemplo, SiO 4 4 , TiO 4 4- , BO 3 3- , BO 4 5- . Los aniones complejos tienen la capacidad de complicar su estructura al combinarse en estructuras bidimensionales y tridimensionales. Por ejemplo, dos tetraedros de silicio-oxígeno (SiO 4 4-) pueden conectarse en sus vértices, formando la cadena lineal más simple (Si 2 O 7 6-). En este caso, se libera un ion de oxígeno:

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

Se pueden encontrar más detalles sobre estos temas, por ejemplo, en la literatura educativa.

Resistencia eléctrica R Los conductores lineales ordinarios se pueden determinar a partir de la relación

donde esta la resistividad L- longitud, S es el área de la sección transversal del conductor. El valor se denomina conductividad eléctrica específica de la sustancia. De la fórmula (14.1) se sigue que

La unidad de conductividad eléctrica se expresa en Ohm –1 m –1 = Sm/m (Sm – Siemens). La conductividad eléctrica caracteriza la conductividad eléctrica del volumen de la masa fundida encerrada entre dos electrodos paralelos con un área de 1 m 2 y ubicados a una distancia de 1 m entre sí.

En un caso más general (campo eléctrico no uniforme), la conductividad eléctrica se define como el coeficiente de proporcionalidad entre la densidad de corriente i en un conductor y un gradiente de potencial eléctrico:

La aparición de conductividad eléctrica está asociada con la transferencia de cargas en una sustancia bajo la influencia de un campo eléctrico. En los metales, los electrones de la banda de conducción participan en la transferencia de electricidad, cuya concentración es prácticamente independiente de la temperatura. Con un aumento de la temperatura, se produce una disminución de la conductividad eléctrica de los metales, porque. la concentración de electrones "libres" permanece constante y aumenta el efecto inhibitorio sobre ellos del movimiento térmico de los iones de la red cristalina.

En los semiconductores, los portadores de carga eléctrica son electrones casi libres en la banda de conducción o vacantes en la banda de energía de valencia (agujeros de electrones) que surgen debido a las transiciones de electrones activadas térmicamente desde los niveles donantes a la banda de conducción del semiconductor. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la probabilidad de tales transiciones activadas y, en consecuencia, aumentan la concentración de portadores de corriente eléctrica y la conductividad eléctrica.

En los electrolitos, que incluyen fundidos de óxido, por regla general, los iones participan en la transferencia de electricidad: Na +, Ca 2+, Mg 2+, SiO 4 4–, BO 2 – y otros. cada uno de los iones ј -th grado puede contribuir al valor total de la densidad de corriente eléctrica de acuerdo con la relación conocida

donde es la conductividad eléctrica parcial; D , C ј , z j son el coeficiente de difusión, la concentración y la carga del ion ј -th grado; F es la constante de Faraday; T- la temperatura; R

Es obvio que la suma de las cantidades yo igual a la densidad de corriente total i asociado con el movimiento de todos los iones, y la conductividad eléctrica de todo el fundido es la suma de las conductividades parciales.

El movimiento de iones en electrolitos es un proceso de activación. Esto significa que no todos los iones se mueven bajo la influencia de un campo eléctrico, sino solo los más activos, que tienen un cierto exceso de energía en comparación con el nivel medio. Este exceso de energía, llamado energía de activación de la conductividad eléctrica, es necesario para vencer las fuerzas de interacción de un ion dado con el medio ambiente, así como para formar una vacante (cavidad) por la que pasa. El número de partículas activas, de acuerdo con la ley de Boltzmann, crece con

aumento exponencial de la temperatura. Es por eso . Seguir-

Por tanto, de acuerdo con (14.5), la dependencia de la temperatura de la conductividad eléctrica debe describirse mediante la suma de los exponentes. Sin embargo, se sabe que al aumentar el tamaño de las partículas, su energía de activación también aumenta significativamente. Por lo tanto, en la relación (14.5), por regla general, se desprecia la contribución de los iones grandes de baja movilidad y, para el resto, se promedian los valores parciales.

Como resultado, la dependencia de la temperatura de la conductividad eléctrica específica de los óxidos fundidos toma la siguiente forma:

(14.6)

lo cual está en buen acuerdo con los datos experimentales.

Los valores típicos para las escorias metalúrgicas que contienen óxidos de CaO, SiO 2 , MgO, Al 2 O 3 están en el rango de 0,1–1,0 S cm–1 cerca de la temperatura de liquidus, que es mucho más baja que la conductividad eléctrica de los metales líquidos (10 5–10 7 Scm–1). La energía de activación de la conductividad eléctrica es casi independiente de la temperatura en las escorias básicas, pero puede disminuir ligeramente al aumentar la temperatura en las fusiones ácidas debido a su despolimerización. Por lo general, el valor está en el rango de 40 a 200 kJ/mol, dependiendo de la composición de la masa fundida.

Con contenidos elevados (más del 10 %) de óxidos de hierro (FeO, Fe 2 O 3) u otros óxidos de metales de transición (por ejemplo, MnO, V 2 O 3, Cr 2 O 3), la naturaleza de la conductividad eléctrica de las escorias cambia, porque además de iónicos en ellos aparece una proporción importante de conductividad electrónica. El componente electrónico de la conductividad en dichos fundidos se debe al movimiento de electrones o "agujeros" de electrones de acuerdo con el mecanismo de retransmisión de un catión de metal de transición con una valencia más baja a un catión con una valencia más alta a través de R-orbitales del ion de oxígeno situados entre estas partículas.

La movilidad muy alta de los electrones en combinaciones Me 2+ – O 2– – Me 3+, a pesar de su concentración relativamente baja, aumenta considerablemente la conductividad eléctrica de las escorias. Entonces, el valor máximo de æ para fundidos de hierro puro FeO – Fe 2 O 3 puede ser

10 2 S cm –1 , quedando, sin embargo, mucho menos que los metales.

2.2.2 Descripción del procedimiento de configuración y medición

La conductividad eléctrica específica del tetraborato de sodio fundido Na 2 O 2B 2 O 3 se determina en el rango de temperatura de 700 - 800 °C. Para eliminar las complicaciones asociadas con la presencia de la resistencia de la interfase metal-electrolito, el estudio de la conductividad eléctrica debe realizarse en condiciones en las que la resistencia de la interfase sea insignificantemente pequeña. Esto se puede lograr utilizando una corriente alterna de una frecuencia suficientemente alta (≈ 10 kHz) en lugar de corriente continua.

El esquema eléctrico de la instalación se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Esquema de circuitos eléctricos de la instalación para medir la conductividad eléctrica de las escorias:

ZG - generador de frecuencia de audio; PC: una computadora personal con una tarjeta de sonido; Solución de Yach y Yach sl: celdas electroquímicas que contienen una solución acuosa de KCl o escoria, respectivamente; R piso - la resistencia de referencia de un valor conocido.

Se aplica una corriente alterna de un generador de frecuencia de audio a una celda que contiene escoria y una resistencia de referencia de valor conocido conectada en serie con ella. Usando una tarjeta de sonido de PC, se mide la caída de voltaje a través de la celda y la resistencia de referencia. Dado que la corriente que fluye a través del piso R y Yach es la misma

(14.7)

El programa de mantenimiento de la configuración del laboratorio calcula, muestra en la pantalla del monitor y escribe en un archivo el valor de la relación ( r) valores de amplitud de la corriente alterna a la salida del generador de sonido ( tu zg) y en la celda de medición ( tu célula):

Sabiéndolo, puedes determinar la resistencia de la celda.

donde es la constante de celda.

Para determinar k celda en el montaje experimental, se utiliza una celda auxiliar, similar a la en estudio en cuanto a parámetros geométricos. Ambas celdas electroquímicas son botes de corindón con electrolito. En ellos se bajan dos electrodos cilíndricos hechos de metal de la misma sección transversal y longitud, ubicados a la misma distancia entre sí, para garantizar la constancia de la relación (L / S) eff.

La celda investigada contiene una masa fundida de Na 2 O · 2В 2 O 3 y se coloca en un horno de calentamiento a una temperatura de 700 - 800 °C. La celda auxiliar está a temperatura ambiente y está llena de una solución acuosa de KCl 0,1 N, cuya conductividad eléctrica es de 0,0112 S cm–1. Conociendo la conductividad eléctrica de la solución y determinando (ver fórmula 14.9) la resistencia eléctrica

celda auxiliar (

2.2.3 Orden de trabajo

A. Operación usando un sistema de medición en tiempo real

Antes de iniciar las mediciones, el horno debe calentarse a una temperatura de 850 °C. El procedimiento de instalación es el siguiente:

1. Después de completar el procedimiento de inicialización de acuerdo con las instrucciones en la pantalla del monitor, apague el horno, coloque el interruptor "1 - resistencia de referencia" en la posición "1 - Hi" y siga las instrucciones adicionales.

2. Después de que aparezca la indicación “Switch 2 – a la posición ‘Molten’”, sígala y hasta que aparezca la indicación “Switch 2 – a la posición ‘MELT’”, registre los valores de la relación de resistencia que aparecen cada 5 segundos.

3. Siga la segunda instrucción y siga el cambio de temperatura. Tan pronto como la temperatura sea inferior a 800 °C, el comando de teclado "Xs" debe encender la salida del gráfico y registrar los valores de temperatura y las relaciones de resistencia cada 5 segundos.

4. Después de que la masa fundida se enfríe a una temperatura inferior a 650 °C, se deben inicializar las mediciones para el segundo estudiante que trabaje en esta instalación. Cambie "1 - resistencia de referencia" a la posición "2 - Lo" y a partir de este momento el segundo estudiante comienza a registrar las relaciones de temperatura y resistencia cada 5 segundos.

5. Cuando la masa fundida se enfría a una temperatura de 500 °C o se alcanza el valor de la relación de resistencia cercano a 6, las mediciones deben detenerse dando el comando "Xe" desde el teclado. A partir de este momento, el segundo estudiante debe mover el interruptor 2 a la posición de ‘solución’ y anotar diez valores de la relación de resistencia.

C. Trabajar con datos previamente escritos en un archivo

Después de activar el programa, aparece en la pantalla un mensaje sobre el valor de la resistencia de referencia y varios valores de la relación de resistencia ( r) de la celda de calibración. Después de promediar, estos datos le permitirán encontrar la constante de instalación.

A partir de entonces, las relaciones de temperatura y resistencia de la celda de medición aparecen en la pantalla cada pocos segundos. Esta información se muestra en un gráfico.

El programa sale automáticamente y envía todos los resultados a la PC del maestro.

2.2.4 Procesamiento y presentación de resultados de medición

Con base en los resultados de la medición, complete la tabla con el siguiente encabezado:

Tabla 1. Dependencia de la temperatura de la conductividad eléctrica de la masa fundida de Na 2 O 2B 2 O 3

En la tabla, las dos primeras columnas se llenan después de abrir el archivo de datos y el resto se calcula. Basándose en ellos, debe trazar la dependencia ln() - 10 3 /T y utilizar el método de los mínimos cuadrados (función ESTIMACION.LINEAL en OpenOffice.Calc) para determinar el valor de la energía de activación. En el gráfico se debe mostrar una línea recta aproximada. También debe trazar la conductividad eléctrica frente a la temperatura. Orden de procesamiento de resultados

1. Ingrese los registros de los resultados de las mediciones en un archivo de hoja de cálculo.

2. Calcule el valor promedio de la relación de resistencia para la celda de calibración.

3. Calcular la constante de ajuste.

4. Dependencia de la trama r – t, identifique visualmente y elimine los valores emergentes. Si hay muchos de ellos, aplique la clasificación.

5. Calcule la resistencia de la celda de medición, la conductividad eléctrica del óxido fundido a diferentes temperaturas, el logaritmo de la conductividad eléctrica y la temperatura absoluta inversa

b 0 , b 1 ecuación que aproxima la dependencia del logaritmo de la conductividad eléctrica con la temperatura recíproca, y calcula la energía de activación.

7. Trazar en una hoja separada un gráfico de la dependencia del logaritmo de la conductividad eléctrica en la temperatura recíproca y dar una dependencia aproximada Resultados de la prueba:

1. En un libro de hoja de cálculo enviado para revisión, la primera página titulada "Resultados" debe proporcionar la siguiente información:

una. En la celda "A1" - temperatura inicial, en la celda "B1" - unidades de medida;

C. En la celda "A3" - la energía de activación de la conductividad eléctrica, en la celda "B3" - unidades de medida;

d. En la celda "A4" - factor preexponencial en la fórmula para la dependencia de la temperatura de la conductividad eléctrica, en la celda "B4" - unidades de medida;

mi. A partir de la celda "A5", se deben articular claramente las conclusiones del trabajo.

En las celdas A1-A4, debe haber enlaces a celdas en otras hojas del libro de hojas de cálculo en las que se realizaron cálculos para obtener el resultado presentado, ¡y no los valores numéricos en sí mismos! Si este requisito no se cumple, el programa de verificación da el mensaje "Error de presentación de información".

2. Gráfico correctamente diseñado de la dependencia del logaritmo de conductividad eléctrica con la temperatura recíproca, obtenido a partir de datos experimentales (puntos) y aproximado por un polinomio (línea), en una hoja separada de hojas de cálculo con todas las firmas y símbolos necesarios.

preguntas de examen

1. ¿A qué se llama conductividad eléctrica?

2. ¿Qué partículas determinan la conductividad eléctrica de las escorias?

3. ¿Cuál es la naturaleza de la dependencia de la temperatura de la conductividad eléctrica de los metales y los óxidos fundidos?

4. ¿De qué depende la constante de celda y cómo determinarla?

5. ¿Por qué es necesario usar corriente alterna para determinar?

6. ¿Cómo depende la energía de activación de la conductividad eléctrica de la temperatura?

7. Qué sensores e instrumentos se utilizan en la configuración del laboratorio. ¿Qué cantidades físicas permiten registrar?

8. ¿Qué gráficos (en qué coordenadas) deben presentarse en función de los resultados del trabajo?

9. ¿Qué valores físicos y químicos se deben obtener después de procesar los datos primarios?

10. Decidir qué medidas se toman antes del experimento, qué valores se registran durante el experimento, qué datos son información primaria, a qué procesamiento se somete y qué información se obtiene.

2.3 Estudio de la cinética de desulfuración de metales por escorias sobre un modelo de simulación (Trabajo N° 15)

2.3.1 Información general sobre la cinética de desulfuración de metales por escoria

Impurezas de azufre en acero, en cantidades superiores a 0,005 wt. %, reduce significativamente sus propiedades mecánicas, eléctricas, anticorrosivas y otras, empeora la soldabilidad del metal, conduce a la aparición de fragilidad roja y fría. Por lo tanto, el proceso de desulfuración del acero, que es especialmente efectivo con la escoria, es de gran importancia para la metalurgia de alta calidad.

El estudio de las regularidades cinéticas de la reacción, la identificación de su mecanismo y régimen de flujo es necesario para el control efectivo de la tasa de desulfuración, porque en condiciones reales de agregados metalúrgicos, no se suele lograr la distribución equilibrada de azufre entre el metal y la escoria.

A diferencia de la mayoría de las demás impurezas del acero, la transición del azufre de metal a escoria es un proceso de reducción, no oxidativo [S] +2e = (S 2–).

Esto significa que para la ocurrencia continua del proceso catódico, que lleva a la acumulación de cargas positivas sobre el metal, es necesaria la transición simultánea de otras partículas, que son capaces de donar electrones a la fase metálica. Dichos procesos anódicos concomitantes pueden ser la oxidación de aniones de oxígeno en la escoria o partículas de hierro, carbono, manganeso, silicio y otras impurezas metálicas, según la composición del acero.

2. (O 2–) = [O] + 2e,

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

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

Juntos, el proceso catódico y el anódico hacen posible escribir la ecuación estequiométrica para la reacción de desulfuración en la siguiente forma, por ejemplo:

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

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

Las expresiones correspondientes para las constantes de equilibrio tienen la forma

(15.1)

Obviamente, los procesos elegidos como ejemplo y similares pueden ocurrir simultáneamente. De la relación (15.1) se deduce que el grado de desulfuración del metal a temperatura constante, es decir El valor constante de la constante de equilibrio aumenta con el aumento de la concentración de iones de oxígeno libre (O 2-) en el óxido fundido. De hecho, un aumento en el factor del denominador debe ser compensado por una disminución en otro factor para que corresponda a un valor constante de la constante de equilibrio. Tenga en cuenta que el contenido de iones de oxígeno libres aumenta con el uso de escorias muy básicas ricas en óxido de calcio. Analizando la relación (15.2), podemos concluir que el contenido de iones de hierro (Fe 2+) en el óxido fundido debe ser mínimo, es decir las escorias deben contener una cantidad mínima de óxidos de hierro. La presencia de desoxidantes (Mn, Si, Al, C) en el metal también aumenta la integridad de la desulfuración del acero al reducir el contenido de (Fe 2+) y [O].

La reacción 1-2 va acompañada de absorción de calor (∆H>0), por lo tanto, a medida que avanza el proceso, la temperatura en la unidad metalúrgica disminuirá. Por el contrario, la reacción 1-3 va acompañada de una liberación de calor (∆H<0) и, если она имеет определяющее значение, температура в агрегате будет повышаться.

En la descripción cinética de la desulfuración se deben considerar las siguientes etapas del proceso:

Entrega de partículas de azufre desde la mayor parte del metal hasta el límite con la escoria, que se realiza primero por difusión convectiva y directamente cerca de la interfaz metal-escoria por difusión molecular; el acto electroquímico de unión de electrones a átomos de azufre y la formación de aniones S 2–; que es un acto químico de adsorción, la eliminación de aniones de azufre en el volumen de escoria, debido a la difusión molecular y luego convectiva.

Etapas similares también son características de las etapas anódicas, con participación de átomos de Fe, Mn, Si o aniones O2–. Cada una de las etapas contribuye a la resistencia general del proceso de desulfuración. La fuerza impulsora del flujo de partículas a través de varias de estas resistencias es la diferencia en sus potenciales electroquímicos en un sistema de escoria metálica fuera de equilibrio o la diferencia entre los potenciales de electrodo reales y de equilibrio proporcionales a él en el límite de fase, llamado sobretensión .

La velocidad de un proceso que consta de varias etapas sucesivas está determinada por la contribución de la etapa con la mayor resistencia: limitando escenario. Dependiendo del mecanismo del curso del paso limitante, se habla de un modo de difusión o cinético de la reacción. Si las etapas con diferentes mecanismos de flujo tienen resistencias proporcionales, entonces se habla de un modo de reacción mixto. La resistencia de cada etapa depende significativamente de la naturaleza y las propiedades del sistema, la concentración de los reactivos, la intensidad de la mezcla de fases y la temperatura. Entonces, por ejemplo, la tasa del acto electroquímico de reducción de azufre está determinada por el valor de la corriente de intercambio

(15.3)

dónde A es la función de temperatura, C[Arena C(S 2–) – concentraciones de azufre en metal y escoria, α – coeficiente de transferencia.

La velocidad de la etapa de entrega de azufre al límite de fase está determinada por la corriente de difusión limitante de estas partículas.

dónde D[S] es el coeficiente de difusión del azufre, β es una constante convectiva determinada por la intensidad de la convección en el fundido, es proporcional a la raíz cuadrada de la velocidad lineal de los flujos convectivos en el líquido.

Los datos experimentales disponibles indican que, en condiciones normales de convección de fusión, el acto electroquímico de descargar iones de azufre se produce con relativa rapidez; la desulfuración se inhibe principalmente por la difusión de partículas en el metal o la escoria. Sin embargo, con un aumento en la concentración de azufre en el metal, los obstáculos a la difusión disminuyen y el modo de proceso puede cambiar a cinético. Esto también se ve facilitado por la adición de carbono al hierro, tk. la descarga de iones de oxígeno en la interfaz entre el metal de carbono y la escoria ocurre con una desaceleración cinética significativa.

Debe tenerse en cuenta que las ideas electroquímicas sobre la interacción de los metales con los electrolitos permiten aclarar el mecanismo de los procesos, para comprender en detalle los fenómenos que ocurren. Al mismo tiempo, las ecuaciones simples de la cinética formal conservan plenamente su validez. En particular, para un análisis aproximado de los resultados experimentales obtenidos con errores significativos, la ecuación para la velocidad de reacción 1-3 se puede escribir en la forma más simple:

dónde k f y k r son las constantes de velocidad de las reacciones directa e inversa. Tal relación se cumple si las soluciones de azufre en hierro y sulfuro de calcio y wustita en escoria se pueden considerar infinitamente diluidas y los órdenes de reacción para estos reactivos son cercanos a la unidad. Los contenidos de los reactivos restantes de la reacción en consideración son tan altos que permanecen casi constantes a lo largo de la interacción y sus concentraciones pueden incluirse en las constantes. k f y k r

Por otro lado, si el proceso de desulfuración está lejos del equilibrio, entonces se puede despreciar la velocidad de la reacción inversa. Entonces la tasa de desulfuración debe ser proporcional a la concentración de azufre en el metal. Esta versión de la descripción de los datos experimentales se puede verificar examinando la relación entre el logaritmo de la tasa de desulfuración y el logaritmo de la concentración de azufre en el metal. Si esta relación es lineal y la pendiente de la dependencia debe ser cercana a la unidad, entonces este es un argumento a favor del modo de difusión del proceso.

2.3.2 Modelo matemático del proceso

La posibilidad de que ocurran varias etapas anódicas complica enormemente la descripción matemática de los procesos de desulfuración del acero que contiene muchas impurezas. En este sentido, se introdujeron algunas simplificaciones en el modelo, en particular, despreciamos las dificultades cinéticas en diferentes

Para las semirreacciones de la transición de hierro y oxígeno, en relación con la restricción aceptada sobre el control de la difusión, las relaciones parecen mucho más simples:

(15.7)

De acuerdo con la condición de neutralidad eléctrica en ausencia de corriente de una fuente externa, la relación entre corrientes en semirreacciones de electrodos individuales se expresa mediante una relación simple:

Las diferencias en las sobretensiones de los electrodos () están determinadas por las relaciones de los productos correspondientes de las actividades y las constantes de equilibrio para las reacciones 1-2 y 1-3:

La derivada temporal de la concentración de azufre en el metal está determinada por la corriente de la semirreacción del primer electrodo de acuerdo con la ecuación:

(15.12)

Aquí i 1 , i 2 - densidades de corriente de los procesos de electrodos, η 1, η 2 - sus polarizaciones, i n – limitar las corrientes de difusión de partículas ј - algún tipo i o es la corriente de intercambio de la etapa cinética, C[s] es la concentración de azufre en el metal, α es el coeficiente de transferencia, P, k p es el producto de las actividades y la constante de equilibrio de la reacción de desulfuración, S es el área de la interfaz entre el metal y la escoria, V Me es el volumen de metal, T- la temperatura, F es la constante de Faraday, R es la constante universal de los gases.

De acuerdo con las leyes de la cinética electroquímica, la expresión (15.6) tiene en cuenta la inhibición de la difusión de iones de hierro en la escoria, ya que, a juzgar por los datos experimentales, la etapa de descarga-ionización de estas partículas no es limitante. La expresión (15.5) es el retardo de la difusión de partículas de azufre en la escoria y el metal, así como el retardo de la ionización del azufre en la interfase.

Combinando las expresiones (15.6 - 15.12), es posible obtener por métodos numéricos la dependencia de la concentración de azufre en el metal con el tiempo para las condiciones seleccionadas.

El modelo utiliza los siguientes parámetros:

3)
Corriente de intercambio iónico de azufre:

4) La constante de equilibrio de la reacción de desulfuración ( A R):

5) La relación entre el área de la interfaz y el volumen del metal.

7) Constante convectiva (β):

El modelo permite analizar la influencia de los factores enumerados en la velocidad y la integridad de la desulfuración, así como estimar la contribución de las inhibiciones cinéticas y de difusión a la resistencia total del proceso.

2.3.3 Procedimiento de trabajo

La imagen generada por el programa de simulación se muestra en la fig. . Los valores numéricos seleccionados de las cantidades medidas se dan en la parte superior del panel, todos los valores obtenidos durante la simulación del proceso se muestran en el gráfico. En las designaciones de los componentes de fundidos metálicos y de escoria, se utilizan signos adicionales adoptados en la literatura metalúrgica. Los corchetes indican que el componente pertenece a la masa fundida y los corchetes a la escoria. Los multiplicadores en las designaciones de los componentes se usan solo para trazar, no deben tenerse en cuenta al interpretar los valores. Mientras el modelo se está ejecutando, solo se muestra el valor de uno de los valores medidos en un momento dado. Después de 6 segundos, desaparece y aparece el valor del siguiente valor. Durante este período de tiempo, es necesario tener tiempo para registrar el siguiente valor. Para ahorrar tiempo, se recomienda no escribir cifras constantes, por ejemplo, la unidad principal en el valor de la temperatura.

Cinco minutos después del inicio de las mediciones por el reloj en la esquina superior derecha del panel de configuración, presionando simultáneamente las teclas y [#], donde # es el número de configuración, intensifique la tasa de mezcla de fases.

2.3.4 Procesamiento y presentación de resultados de medición

La tabla de resultados de medición generada por el programa de simulación debe complementarse con las siguientes columnas calculadas:

Tabla 1. Resultados del procesamiento estadístico de datos experimentales

En la tabla de la primera columna, debe calcular el tiempo desde el inicio del proceso en minutos.

El procesamiento posterior se lleva a cabo después del trazado gráfico: en la primera etapa del procesamiento, se debe trazar la dependencia de la temperatura con el tiempo y estimar el rango de datos cuando la transición de azufre se acompaña principalmente de la transición de hierro. En este rango, se distinguen dos regiones con las mismas tasas de mezcla y los coeficientes de polinomios de aproximación de la forma se encuentran utilizando el método de mínimos cuadrados:

que se sigue de la ecuación (15.5) bajo las condiciones especificadas. Comparando los valores obtenidos de los coeficientes, se extraen conclusiones sobre el modo de proceso y el grado de aproximación del sistema al estado de equilibrio. Nótese que en la ecuación (15.13) no hay término libre.

Para ilustrar los resultados del experimento, se trazan gráficos de las dependencias de la concentración de azufre con el tiempo y la tasa de desulfuración de la concentración de sulfuro de calcio en la escoria.

Orden de procesamiento de resultados

2. Calcular la velocidad del proceso de desulfuración a partir de la concentración de azufre en el metal, los logaritmos de la velocidad y la concentración de azufre.

3. Trazar en hojas separadas los gráficos de temperatura en la unidad frente al tiempo, masa de escoria frente al tiempo, velocidad y tiempo de desulfuración y logaritmo de la velocidad de desulfuración frente al logaritmo de la concentración de azufre.

4. Utilizando el método de mínimos cuadrados, evaluar por separado para diferentes velocidades de agitación las características cinéticas del proceso de desulfuración de acuerdo con la ecuación () y el orden de reacción en términos de concentración de azufre.

Resultados de la prueba:

1. Gráficos correctamente diseñados de la dependencia de la tasa del proceso de desulfuración y el logaritmo de este valor en el tiempo, en una hoja separada de hojas de cálculo con todas las firmas de notación necesarias.

2. Los valores de las características cinéticas del proceso de desulfuración en todas las variantes del proceso, indicando las dimensiones (y errores).

3. Conclusiones del trabajo.

preguntas de examen

1. ¿Qué condiciones son necesarias para la desulfuración de metales por escoria más completa?

2. ¿Qué procesos anódicos pueden acompañar a la eliminación de azufre?

3. ¿Cuáles son las etapas de la transición del azufre a través de la interfase?

4. ¿En qué casos se realiza el modo de desulfuración por difusión o cinético?

5. ¿Qué es la orden de trabajo?

2.4 Estudio termográfico de los procesos de disociación de carbonatos naturales (Trabajo N° 16)

2.4.1 Patrones generales de disociación de carbonatos

El termograma es la dependencia de la temperatura de la muestra con el tiempo. El método termográfico para estudiar los procesos de descomposición térmica de sustancias se generalizó después de que se descubrieron los rasgos característicos de tales dependencias: "paradas de temperatura" y "áreas de temperatura inclinada".

1.4

Figura 3. Ilustración de termograma:

la curva punteada es el termograma de una muestra de referencia hipotética en la que no se produce disociación; la línea continua es una muestra real con disociación en dos etapas.

Estas son secciones características de la dependencia, dentro de las cuales durante algún tiempo () la temperatura permanece constante (T \u003d const) o aumenta en una pequeña cantidad (T) a una tasa constante (T /). Mediante diferenciación numérica o gráfica, es posible determinar con buena precisión los momentos de tiempo y temperatura de inicio y final de la parada de temperatura.

En el trabajo de laboratorio propuesto, dicha dependencia se obtiene calentando continuamente el material natural calcita, cuyo componente principal es el carbonato de calcio. Una roca compuesta principalmente de calcita se llama piedra caliza. La piedra caliza se utiliza en grandes cantidades en la metalurgia.

Como resultado del tostado (tratamiento térmico) de piedra caliza por una reacción endotérmica

CaCO 3 \u003d CaO + CO 2

se obtiene cal (CaO), un componente necesario de la escoria fundida. El proceso se lleva a cabo a temperaturas por debajo de los puntos de fusión tanto de la piedra caliza como de la cal. Se sabe que los carbonatos y los óxidos formados a partir de ellos son prácticamente insolubles entre sí, por lo que el producto de reacción es una nueva fase sólida y gas. La expresión para la constante de equilibrio, en el caso general, tiene la forma:

Aquí a son las actividades de los reactivos sólidos, es la presión parcial del producto de reacción gaseoso. Otra roca, llamada dolomita, también se usa mucho en metalurgia. Se compone principalmente de un mineral del mismo nombre, que es la sal doble del ácido carbónico CaMg(CO 3) 2 .

La calcita, como cualquier mineral natural, junto con el componente principal contiene una variedad de impurezas, cuya cantidad y composición depende del depósito del recurso natural e incluso del área minera específica. La variedad de compuestos de impurezas es tan grande que es necesario clasificarlos según alguna característica que sea esencial en un caso particular. Para el análisis termodinámico, una característica esencial es la capacidad de las impurezas para formar soluciones con reactivos. Suponemos que no existen impurezas en el mineral, las cuales, en el rango de condiciones en estudio (presión y temperatura), entran en alguna reacción química entre sí o el componente principal o producto de su descomposición. En la práctica, esta condición no se cumple estrictamente, ya que, por ejemplo, los carbonatos de otros metales pueden estar presentes en la calcita, pero desde el punto de vista de un análisis posterior, tener en cuenta estas reacciones no proporcionará nueva información, sino que innecesariamente complicar el análisis.

Todas las demás impurezas se pueden dividir en tres grupos:

1. Impurezas que forman una solución con carbonato de calcio. Tales impurezas, por supuesto, deben tenerse en cuenta en el análisis termodinámico y, muy probablemente, en el análisis cinético del proceso.

2. Impurezas que se disuelven en el producto de reacción - óxido. La solución al problema de tener en cuenta impurezas de este tipo depende de la rapidez con que se disuelven en el producto de reacción sólido y la cuestión estrechamente relacionada de la dispersión de inclusiones de impurezas de este tipo. Si las inclusiones son de tamaño relativamente grande y su disolución ocurre lentamente, entonces no deben tenerse en cuenta en el análisis termodinámico.

3. Impurezas que son insolubles en el carbonato original y su producto de descomposición. Estas impurezas no deben tenerse en cuenta en el análisis termodinámico, como si no estuvieran presentes en absoluto. En algunos casos, pueden afectar la cinética del proceso.

En la versión más simple (aproximada) del análisis, es posible combinar todas las impurezas del mismo tipo y considerarlas como un componente generalizado. Sobre esta base, distinguimos tres componentes: B1, B2 y B3. También debe discutirse la fase gaseosa del sistema termodinámico bajo consideración. En el trabajo de laboratorio, el proceso de disociación se lleva a cabo en una instalación abierta que comunica con la atmósfera de la sala. En este caso, la presión total en el sistema termodinámico es constante y equivale a una atmósfera, y en la fase gaseosa hay un producto de reacción gaseoso: dióxido de carbono (CO2) y componentes del aire, en forma simplificada: oxígeno y nitrógeno. Estos últimos no interactúan con los demás componentes del sistema, por lo que, en el caso que nos ocupa, el oxígeno y el nitrógeno son indistinguibles, y en lo que sigue los llamaremos componente gaseoso neutro B.

Las paradas y plataformas de temperatura tienen una explicación termodinámica. Con una composición conocida de las fases, es posible predecir la temperatura de parada por métodos termodinámicos. También es posible resolver el problema inverso: determinar la composición de las fases a partir de temperaturas conocidas. Se incluye en este estudio.

Las paradas de temperatura y las plataformas solo se pueden realizar si se cumplen ciertos requisitos relacionados con la cinética del proceso. Es natural esperar que estos sean los requisitos de composiciones prácticamente en equilibrio de las fases en el sitio de la reacción y gradientes despreciablemente pequeños en las capas de difusión. El cumplimiento de tales condiciones es posible si la velocidad del proceso no está controlada por factores internos (resistencia a la difusión y la resistencia de la reacción química en sí), sino por factores externos: la velocidad de suministro de calor al sitio de reacción. Además de los modos básicos de reacción heterogénea definidos en química física: cinético y difusión, este modo del proceso se denomina térmico.

Tenga en cuenta que el régimen térmico del proceso de disociación en fase sólida resulta posible debido a la peculiaridad de la reacción, que requiere el suministro de una gran cantidad de calor y, al mismo tiempo, no incluye las etapas de suministro. las sustancias iniciales al sitio de reacción (dado que una sustancia se descompone) y retirando el producto de reacción sólido de la separación de fases límite (dado que este límite se mueve). Solo quedan dos pasos de difusión: la eliminación del CO2 a través de la fase gaseosa (aparentemente con muy poca resistencia) y la difusión del CO2 a través del óxido, que se ve muy facilitada por el craqueo del óxido llenando el volumen previamente ocupado por el monóxido de carbono volatilizado.

Considere un sistema termodinámico a temperaturas por debajo de la parada de temperatura. Supongamos primero que no hay impurezas del primer y segundo tipo en el carbonato. Se tendrá en cuenta la posible presencia de una impureza de tercer tipo, pero sólo para demostrar que se puede evitar. Supongamos que una muestra de la calcita en polvo estudiada está compuesta de partículas esféricas idénticas con un radio r 0 Dibujemos el límite del sistema termodinámico a cierta distancia de la superficie de una de las partículas de calcita, que es pequeña en comparación con su radio, e incluyamos así un cierto volumen de la fase gaseosa en el sistema.

Hay 5 sustancias en el sistema bajo consideración: CaO, CaCO3, B3, CO2, B, y algunas de ellas participan en una reacción. Estas sustancias se distribuyen en cuatro fases: CaO, CaCO3, B3, fase gaseosa, cada una de las cuales se caracteriza por sus propios valores de varias propiedades y está separada de otras fases por una interfaz visible (al menos bajo un microscopio). El hecho de que la fase B3 probablemente esté representada por una multitud de partículas dispersas no cambiará el análisis: todas las partículas tienen propiedades casi idénticas y pueden considerarse como una fase. La presión externa es constante, por lo que solo queda una variable externa: la temperatura. Por lo tanto, todos los términos para calcular el número de grados de libertad ( Con) están definidos: Con = (5 – 1) + 1 – 4 = 1.

El valor obtenido significa que cuando cambia la temperatura (de un parámetro), el sistema pasará de un estado de equilibrio a otro, y el número y la naturaleza de las fases no cambiará. Los parámetros del estado del sistema cambiarán: temperatura y presión de equilibrio de dióxido de carbono y gas neutro B ( T , RCO2 , R B).

Estrictamente hablando, lo que se ha dicho no es cierto para cualquier temperatura por debajo de la parada de temperatura, sino solo para el intervalo en el que la reacción, que inicialmente ocurre en el régimen cinético, ha cambiado al régimen térmico, y realmente se puede hablar de la proximidad. de los parámetros del sistema a los de equilibrio. A temperaturas más bajas, el sistema esencialmente no está en equilibrio, pero esto no afecta de ninguna manera el carácter de la dependencia de la temperatura de la muestra con el tiempo.

Desde el comienzo del experimento, a temperatura ambiente, el sistema está en un estado de equilibrio, pero solo porque no hay sustancias en él que puedan interactuar. Esto se refiere al óxido de calcio, que en estas condiciones (la presión parcial del dióxido de carbono en la atmósfera es de aproximadamente 310 a 4 atm, la presión de equilibrio es de 10 a 23 atm) podría carbonizarse. De acuerdo con la ecuación de isoterma para la reacción, escrita teniendo en cuenta la expresión de la constante de equilibrio (16.1) con las actividades de las sustancias condensadas igual a uno:

el cambio en la energía de Gibbs es positivo, lo que significa que la reacción debe proceder en la dirección opuesta, pero esto no es posible porque, para empezar, no hay óxido de calcio en el sistema.

Con el aumento de la temperatura, la elasticidad de disociación (la presión de equilibrio del CO2 sobre el carbonato) aumenta, como sigue a partir de la ecuación isobárica:

ya que el calor de la reacción es mayor que cero.

Solo a una temperatura de aproximadamente 520 C, la reacción de disociación se vuelve termodinámicamente posible, pero comenzará con un retraso de tiempo significativo (período de incubación) necesario para la nucleación de la fase de óxido. Inicialmente, la reacción procederá en modo cinético, pero, debido a la autocatálisis, la resistencia de la etapa cinética disminuirá rápidamente tanto que la reacción pasará al modo térmico. Es a partir de este momento que el análisis termodinámico anterior se vuelve válido y la temperatura de la muestra comenzará a retrasarse con respecto a la temperatura de la muestra de referencia hipotética en la que no se produce la disociación (ver Figura 3).

El análisis termodinámico considerado seguirá siendo válido hasta el momento en que la elasticidad de disociación alcance 1 atm. Al mismo tiempo, se libera continuamente dióxido de carbono sobre la superficie de la muestra a una presión de 1 atm. Empuja el aire y nuevas porciones provienen de la muestra para reemplazarlo. La presión del dióxido de carbono no puede aumentar más allá de una atmósfera, ya que el gas escapa libremente a la atmósfera circundante.

El sistema cambia fundamentalmente, ya que ahora no hay aire en la fase gaseosa alrededor de la muestra y hay un componente menos en el sistema. El número de grados de libertad en dicho sistema c \u003d (4 - 1) + 1 - 4 \u003d 0

resulta ser igual a cero, y mientras mantiene el equilibrio en él, ningún parámetro de estado, incluida la temperatura, puede cambiar.

Ahora observamos que todas las conclusiones (cálculo del número de grados de libertad, etc.) seguirán siendo válidas si no se tiene en cuenta el componente B3, que aumenta tanto el número de sustancias como el número de fases en uno, lo que es mutuamente compensado

Viene una parada de temperatura, cuando todo el calor entrante se gasta solo en el proceso de disociación. El sistema funciona como un muy buen controlador de temperatura cuando un pequeño cambio aleatorio en la temperatura hace que la tasa de disociación cambie en la dirección opuesta, lo que devuelve la temperatura a su valor anterior. La alta calidad de la regulación se explica por el hecho de que dicho sistema es prácticamente libre de inercia.

A medida que se desarrolla el proceso de disociación, el frente de reacción se adentra más en la muestra, mientras que la superficie de interacción disminuye y aumenta el espesor del producto de reacción sólido, lo que dificulta la difusión del dióxido de carbono desde el sitio de reacción hasta la superficie de la muestra. A partir de algún momento, el régimen térmico del proceso pasa a uno mixto y luego a uno de difusión. Ya en el modo mixto, el sistema se volverá esencialmente de no equilibrio y las conclusiones obtenidas del análisis termodinámico perderán su significado práctico.

Debido a una disminución en la velocidad del proceso de disociación, la cantidad requerida de calor disminuirá tanto que parte del flujo de calor entrante nuevamente comenzará a gastarse en calentar el sistema. A partir de este momento, la parada de temperatura se detendrá, aunque el proceso de disociación continuará hasta que el carbonato se descomponga por completo.

Es fácil adivinar que para el caso más simple bajo consideración, el valor de la temperatura de parada se puede encontrar a partir de la ecuación

Un cálculo termodinámico usando esta ecuación usando la base de datos TDHT da una temperatura de 883°C para calcita pura y 834°C para aragonito puro.

Ahora compliquemos el análisis. Durante la disociación de calcita que contiene impurezas de los tipos 1 y 2, cuando las actividades del carbonato y el óxido no pueden considerarse iguales a la unidad, la condición correspondiente se vuelve más complicada:

Si asumimos que el contenido de impurezas es bajo y las soluciones resultantes se pueden considerar infinitamente diluidas, entonces la última ecuación se puede escribir como:

donde es la fracción molar de la impureza correspondiente.

Si un área de temperatura inclinada y ambas temperaturas ( T 2 > T 1) por encima de la temperatura de parada para carbonato de calcio puro - K R (T 1) > 1 y K R (T 2) > 1, entonces es razonable suponer que no hay impurezas del segundo tipo, o no tienen tiempo para disolverse () y estimar la concentración de impurezas del 1er tipo al principio

y al final de la parada de temperatura

La impureza del primer tipo debería acumularse hasta cierto punto en la solución de CaCO3-B1 a medida que se mueve el frente de reacción. En este caso, el coeficiente angular de la pendiente del sitio se expresa por la relación:

donde 1 es la proporción del componente B1 que vuelve a la fase original cuando se aísla en su forma pura; VS es el volumen molar de calcita; v c es la tasa de disociación de carbonato; es el efecto térmico de la reacción de disociación a la temperatura de parada; r 0 es el radio inicial de una partícula de calcita.

Usando datos de referencia, esta fórmula se puede usar para calcular v c- tasa de disolución

renio componente B1 en calcita.

2.4.2 Esquema de instalación y método de trabajo

El artículo estudia la disociación de carbonato de calcio y dolomita de varias fracciones.

El esquema de la configuración experimental se muestra en la Figura 4.

Figura 4 - Esquema de la instalación para el estudio de los termogramas de disociación de carbonatos:

1 - tubo de corindón, 2 - carbonato, 3 - termopar, 4 - horno,

5 - autotransformador, 6 - computadora personal con placa ADC

Un tubo de corindón (1) con un termopar (3) y una muestra de prueba de carbonato de calcio (2) se instala en un horno (4) precalentado a 1200 K. El termograma de la muestra se observa en la pantalla del monitor de la computadora personal. Después de pasar por la sección isotérmica, se repite el experimento con otra fracción de carbonato. En el estudio de la dolomita, se realiza un calentamiento hasta que se detectan dos paradas de temperatura.

Los termogramas obtenidos se presentan en el gráfico "temperatura - tiempo". Para facilitar la comparación, todos los termogramas deben mostrarse en un gráfico. A partir de ella se determina la temperatura de desarrollo intensivo del proceso, y se compara con la encontrada a partir del análisis termodinámico. Se extraen conclusiones sobre la influencia de la temperatura, la naturaleza del carbonato, el grado de su dispersión en la naturaleza del termograma.

2.4.3 Procesamiento y presentación de resultados de medición

Con base en los resultados del trabajo, se debe completar la siguiente tabla:

Tabla 1. Resultados del estudio del proceso de disociación del carbonato de calcio (dolomita)

Las dos primeras columnas se rellenan con valores cuando se abre el archivo de datos, el último debe calcularse. El suavizado se realiza en cinco puntos, la diferenciación numérica de los datos suavizados se realiza con suavizado adicional también en cinco puntos. Según los resultados del trabajo, se deben construir dos diagramas de dependencia separados: t– y d t/d- t .

El valor de parada de temperatura resultante ( ts) debe compararse con el valor característico de la calcita pura. Si el valor observado es mayor, entonces es posible estimar aproximadamente el contenido mínimo del primer tipo de impureza según la ecuación (16.7), asumiendo que no hay impurezas del segundo tipo. Si se observa una relación inversa, entonces podemos concluir que las impurezas del segundo tipo tienen el efecto principal y estimar su contenido mínimo, siempre que no haya impurezas del primer tipo. La ecuación (16.6) implica que en el último caso

Es deseable calcular el valor de la constante de equilibrio usando la base de datos TDHT usando el método descrito en el manual. En el caso extremo, puede usar la ecuación que aproxima la dependencia del cambio en la energía de Gibbs en la reacción de disociación del carbonato de calcio con la temperatura:

GRAMO 0 = B 0 + B una · T + B 2 · T 2 ,

tomando los valores de los coeficientes iguales: B 0 = 177820, J/mol; B 1 \u003d -162.61, J / (mol K), B 3 \u003d 0.00765, J mol -1 K -2.

Nota . Si en el curso "Química física" los estudiantes no están familiarizados con la base de datos TDHT y no realizaron los cálculos correspondientes en las clases prácticas, entonces se debe utilizar la ecuación de Schwartzman-Temkin y los datos del libro de referencia.

Orden de procesamiento de resultados

1. Ingrese los resultados del registro manual de información en un archivo de hoja de cálculo.

2. Realice el suavizado de temperatura.

3. Trace en una hoja aparte un gráfico de temperatura versus tiempo.

4. Diferenciar los valores de temperatura en el tiempo con suavizado de 5 puntos.

5. Construya en una hoja separada un gráfico de la dependencia del tiempo derivado de la temperatura con la temperatura, determine las características de los sitios.

Resultados de la prueba:

1. En un libro de hoja de cálculo enviado para revisión, la primera página titulada "Resultados" debe proporcionar la siguiente información:

una. En la celda "A1" - el valor de la parada de temperatura (promedio para una plataforma inclinada), en la celda "B1" - unidades de medida;

b. En la celda "A2" - la duración de la parada de temperatura, en la celda "B2" - unidades de medida;

C. En la celda "A3" - la pendiente del sitio, en la celda "B3" - unidades de medida;

d. En la celda "A4": el tipo de impureza o "0" si no se detectó la presencia de impurezas;

mi. En la celda "A5" - la fracción molar de la impureza;

F. A partir de la celda "A7", se deben articular claramente las conclusiones del trabajo.

En las celdas A1, A3 y A5, debe haber enlaces a celdas en otras hojas del libro de hojas de cálculo en las que se realizaron cálculos para obtener el resultado presentado, ¡y no los valores numéricos en sí mismos! Si este requisito no se cumple, el programa de verificación da el mensaje "Error de presentación de información".

2. Gráficos adecuadamente diseñados de temperatura versus tiempo, temperatura versus tiempo versus temperatura y temperatura versus tiempo versus tiempo en hojas separadas de hojas de cálculo con todos los títulos y símbolos necesarios.

3. Valores de las estimaciones de temperatura de parada y su duración.

4. Conclusiones del trabajo.

preguntas de examen

1. ¿Qué determina la temperatura a la que el carbonato comienza a disociarse en el aire?

2. ¿Por qué aumenta la elasticidad de la disociación de carbonita al aumentar la temperatura?

3. ¿Cuál es el número de grados de libertad del sistema en el que se ha establecido un equilibrio entre las sustancias CaO, CO 2, CaCO 3?

4. ¿Cómo cambiará la naturaleza del termograma si el producto de disociación forma soluciones sólidas con el material de partida?

5. ¿Qué modo de reacción de disociación de carbonato heterogéneo corresponde a la parte isotérmica del termograma?

6. ¿Cómo cambiará la forma del termograma durante la disociación del carbonato polidisperso?

7. ¿Cuál es la diferencia entre los termogramas obtenidos a una presión total de 101,3 kPa y 50 kPa?

2.5 Estudio de la dependencia de la temperatura de la viscosidad de los óxidos fundidos (Trabajo No. 17)

2.5.1 Naturaleza de la resistencia viscosa de los fundidos de óxido

La viscosidad es una de las características fisicoquímicas más importantes de los fundidos de escoria. Tiene un efecto significativo en la movilidad de difusión de los iones y, por lo tanto, en la cinética de la interacción del metal con la escoria, la tasa de calor y los procesos de transferencia de masa en unidades metalúrgicas. El estudio de la dependencia de la viscosidad con la temperatura proporciona información indirecta sobre las transformaciones estructurales en los fundidos de óxido y los cambios en los parámetros de los aniones complejos. La composición y, por lo tanto, la viscosidad, dependen del propósito de la escoria. Así, por ejemplo, para intensificar las etapas de difusión de la interacción redox entre el metal y la escoria (desulfuración, desfosforación, etc.), se selecciona la composición de la escoria para que su viscosidad sea baja. Por el contrario, para evitar la transferencia de hidrógeno o nitrógeno al acero, se introduce una escoria de mayor viscosidad a través de la escoria de la fase gaseosa.

Una de las características cuantitativas de la viscosidad puede ser el coeficiente de viscosidad dinámica (η), que se define como el coeficiente de proporcionalidad en la ley de fricción interna de Newton.

dónde F es la fuerza de fricción interna entre dos capas de fluido adyacentes, grad υ – gradiente de velocidad, S es el área de la superficie de contacto de las capas. La unidad de viscosidad dinámica en SI: [η] = N s / m 2 = Pa s.

Se sabe que un flujo de fluido es una serie de saltos de partículas a una posición estable vecina. El proceso tiene carácter de activación. Para implementar saltos, la partícula debe tener una reserva de energía suficiente en comparación con su valor promedio. Se necesita un exceso de energía para romper los enlaces químicos de una partícula en movimiento y formar una vacante (cavidad) en el volumen de fusión por el que pasa. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la energía promedio de las partículas y más de ellas pueden participar en el flujo, lo que conduce a una disminución de la viscosidad. El número de tales partículas "activas" aumenta con la temperatura según la ley de distribución exponencial de Boltzmann. En consecuencia, la dependencia del coeficiente de viscosidad de la temperatura tiene una forma exponencial

donde η 0 es un coeficiente poco dependiente de la temperatura, miη es la energía de activación del flujo viscoso. Caracteriza la energía cinética mínima de un mol de partículas activas capaz de participar en el flujo.

La estructura de los óxidos fundidos tiene un efecto significativo en el coeficiente de viscosidad. A diferencia del movimiento de iones bajo la acción de un campo eléctrico, en un flujo viscoso, todas las partículas de fluido se mueven secuencialmente en la dirección del movimiento. La etapa más lenta es el movimiento de partículas grandes, que hacen la mayor contribución al valor de η. Como resultado, la energía de activación del flujo viscoso resulta ser mayor que la de la conductividad eléctrica ( mi η > mi).

En las escorias ácidas que contienen óxidos de Si, P, B, la concentración de aniones complejos grandes en forma de cadenas, anillos, tetraedros y otras estructuras espaciales es alta (por ejemplo,

Etc.). La presencia de partículas grandes aumenta la viscosidad de la masa fundida, porque. moverlos requiere mucha energía en comparación con los pequeños.

Las adiciones de óxidos básicos (CaO, MgO, MnO) conducen a un aumento en la concentración de cationes simples (Ca 2+ , Mg 2+ , Mn 2+) en la masa fundida. Los aniones О2– introducidos contribuyen a la despolimerización por fusión; descomposición de aniones complejos, por ejemplo,

Como resultado, la viscosidad de la escoria disminuye.

Dependiendo de la temperatura y la composición, la viscosidad de las escorias metalúrgicas puede variar en un rango bastante amplio (0,01 - 1 Pa s). Estos valores son órdenes de magnitud superiores a la viscosidad de los metales líquidos, lo que se debe a la presencia de unidades de flujo relativamente grandes en las escorias.

La dependencia exponencial reducida de η en T(17.2) describe bien los datos experimentales para escorias básicas que contienen menos de 35 mol. % SiO2. En tales fundidos, la energía de activación del flujo viscoso miη es constante y tiene un valor pequeño (45 – 80 kJ/mol). A medida que la temperatura disminuye, η cambia de manera insignificante y solo después de la solidificación comienza a aumentar rápidamente.

En escorias ácidas con una alta concentración de componentes complejantes, la energía de activación puede disminuir al aumentar la temperatura: mi η = mi 0 / T, que es causado por la desagregación de aniones complejos durante el calentamiento. Los datos experimentales en este caso están linealizados en las coordenadas " enη – 1/ T 2".

2.5.2 Descripción del procedimiento de configuración y medición de la viscosidad

Para medir el coeficiente de viscosidad en la obra se utiliza un viscosímetro rotacional (Figura 5). El dispositivo y el principio de funcionamiento de este dispositivo es el siguiente. El líquido de prueba (2) se coloca en el crisol (1) de forma cilíndrica, en el que se sumerge el eje (4) suspendido de una cuerda elástica (5). Durante el experimento, el par del motor eléctrico (9) se transmite al disco (7), desde este a través de la cuerda hasta el husillo.

La magnitud de la viscosidad del óxido fundido se juzga por el ángulo de torsión de la cuerda, que se determina en una escala (8). Cuando el eje gira, la resistencia viscosa del fluido crea un momento de fuerzas de frenado, torciendo la cuerda hasta que el momento de deformación elástica de la cuerda se vuelve igual al momento de las fuerzas de resistencia viscosa. En este caso, la velocidad de rotación del disco y del husillo será la misma. En correspondencia con tal estado, el ángulo de torsión de la cuerda (∆φ) se puede medir comparando la posición de la flecha (10) con respecto a la escala: inicial, antes de encender el motor eléctrico y constante, después de encender. Es obvio que el ángulo de torsión de la cuerda ∆φ es mayor cuanto mayor es la viscosidad del fluido η. Si las deformaciones de la cuerda no superan las límite (correspondientes a la vigencia de la ley de Hooke), entonces el valor de ∆φ es proporcional a η y podemos escribir:

factor de ecuación k, llamada constante del viscosímetro, depende del tamaño del crisol y del eje, así como de las propiedades elásticas de la cuerda. A medida que disminuye el diámetro de la cuerda, aumenta la sensibilidad del viscosímetro.

Figura 5 - Esquema de la instalación para medir la viscosidad:

1 – crisol, 2 – fusión de prueba, 3 – cabezal de husillo,

4 - husillo, 5 - cuerda, 6 - parte superior de la instalación, 7 - disco,

8 - escala, 9 - motor eléctrico, 10 - flecha, 11 - horno, 12 - transformador,

13 - dispositivo de control de temperatura, 14 - termopar.

Para determinar la constante del viscosímetro k se coloca un líquido con una viscosidad conocida en el crisol: una solución de colofonia en aceite de transformador. En este caso, ∆φ0 se determina en el experimento a temperatura ambiente. Luego, conociendo la viscosidad (η0) del líquido de referencia a una temperatura dada, calcule k según la fórmula:

Valor encontrado k utilizado para calcular el coeficiente de viscosidad del óxido fundido.

2.5.3 Procedimiento de trabajo

Para familiarizarse con las propiedades viscosas de las escorias metalúrgicas, en este trabajo de laboratorio se estudia una fusión de Na 2 O · 2B 2 O 3. Las mediciones se llevan a cabo en el rango de temperatura de 850 a 750 o C. Después de alcanzar la temperatura inicial (850 o C), el indicador del viscosímetro se pone a cero. Luego encienda el motor eléctrico y fije el ángulo estacionario de giro de la cuerda ∆φ t . Sin apagar el viscosímetro, repita la medición de ∆φ t a otras temperaturas. El experimento se detiene cuando el ángulo de torsión de la cuerda comienza a exceder los 720°.

2.5.4 Procesamiento y presentación de resultados de medición

De acuerdo con los resultados de la medición, complete la siguiente tabla.

Tabla 1. Dependencia de temperatura de la viscosidad

En la tabla, las dos primeras columnas se completan de acuerdo con los resultados del registro manual de las lecturas de temperatura en la pantalla del monitor y el ángulo de torsión del hilo en la escala del viscosímetro. El resto de las columnas se calculan.

Para verificar la viabilidad de la ley exponencial de cambio en el coeficiente de viscosidad con la temperatura (17.2), se traza un gráfico en las coordenadas "Ln (η) - 10 3 / T". La energía de activación se encuentra utilizando las funciones LINEST() (OpenOffice.Calc) o LINEST() (MicrosoftOffice.Exel), aplicándolas a la quinta y sexta columna de la tabla.

En las conclusiones, los datos obtenidos para η y E η se comparan con los conocidos para escorias metalúrgicas, y se discute la naturaleza de la dependencia de la viscosidad con la temperatura y su relación con los cambios estructurales en la masa fundida.

Orden de procesamiento de resultados

1. Realice mediciones en la celda de calibración y calcule la constante de ajuste

2. Ingrese los resultados del registro manual de información en un archivo de hoja de cálculo.

3. Calcular los valores de viscosidad.

4. Trace un gráfico de viscosidad versus temperatura en una hoja aparte.

5. Calcular el logaritmo de la viscosidad y la temperatura absoluta inversa para todo el conjunto de medidas.

6. Encuentra los coeficientes de mínimos cuadrados b 0 , b 1 ecuación que aproxima la dependencia del logaritmo de la viscosidad con la temperatura recíproca, y calcula la energía de activación.

7. Trace en una hoja separada un gráfico de la dependencia del logaritmo de la viscosidad con la temperatura recíproca y proporcione una dependencia aproximada Resultados de la prueba:

1. En un libro de hoja de cálculo enviado para revisión, la primera página titulada "Resultados" debe proporcionar la siguiente información:

una. En la celda "A1" - temperatura inicial, en la celda "B1" - unidades de medida;

b. En la celda "A2" - la temperatura final, en la celda "B2" - unidades de medida;

C. En la celda "A3" - la energía de activación del flujo viscoso a bajas temperaturas, en la celda "B3" - unidades de medida;

d. En la celda "A4" - factor preexponencial en la fórmula para la dependencia de la temperatura de la conductividad eléctrica a bajas temperaturas, en la celda "B4" - unidades de medida;

mi. En la celda "A5" - la energía de activación del flujo viscoso a altas temperaturas, en la celda "B5" - unidades de medida;

F. En la celda "A6" - factor preexponencial en la fórmula para la dependencia de la temperatura de la conductividad eléctrica a altas temperaturas, en la celda "B6" - unidades de medida;

gramo. A partir de la celda "A7", se deben articular claramente las conclusiones del trabajo.

En las celdas A1-A6, debe haber enlaces a celdas en otras hojas del libro de hojas de cálculo en las que se realizaron cálculos para obtener el resultado presentado, ¡y no los valores numéricos en sí mismos! Si este requisito no se cumple, el programa de verificación da el mensaje "Error de presentación de información".

2. Gráficos correctamente diseñados de las dependencias de la viscosidad con la temperatura y el logaritmo de la viscosidad con la temperatura recíproca, obtenidos a partir de datos experimentales (puntos) y aproximados por un polinomio (línea), en hojas separadas de hojas de cálculo con todas las firmas de notación necesarias. preguntas de examen

1. ¿En qué forma están los componentes del óxido fundido, que consisten en CaO, Na 2 O, SiO 2, B 2 O 3, Al 2 O 3?

2. ¿Cómo se llama el coeficiente de viscosidad?

3. ¿Cómo cambiará la dependencia de la temperatura de la viscosidad de la escoria cuando se le agreguen óxidos básicos?

4. ¿En qué unidades se mide la viscosidad?

5. ¿Cómo se determina la constante del viscosímetro?

6. ¿Qué determina la energía de activación de un flujo viscoso?

7. ¿Cuál es la razón de la disminución de la viscosidad al aumentar la temperatura?

8. ¿Cómo se calcula la energía de activación de un flujo viscoso?

2.6 Recuperación de manganeso de óxido fundido a acero

(Trabajo #18)

2.6.1 Leyes generales de interacción electroquímica de metal y escoria

Los procesos de interacción del metal líquido con la escoria fundida son de gran importancia técnica y ocurren en muchas unidades metalúrgicas. La productividad de estas unidades, así como la calidad del metal acabado, está determinada en gran medida por la velocidad y la integridad de la transición de ciertos elementos a través del límite de fase.

La ocurrencia simultánea de un número significativo de procesos físicos y químicos en diferentes fases, las altas temperaturas, la presencia de flujos hidrodinámicos y térmicos dificultan el estudio experimental de los procesos de interacción de fases en condiciones de producción y laboratorio. Dichos sistemas complejos se estudian con la ayuda de modelos que reflejan los aspectos individuales, pero más significativos del objeto en consideración. En el presente trabajo, el modelo matemático de los procesos que ocurren en la interfaz metal-escoria permite analizar el cambio en las concentraciones de volumen de los componentes y la velocidad de su transición a través del límite interfacial en función del tiempo.

La reducción de manganeso del óxido fundido se produce según la semirreacción electroquímica:

(Mn 2+) + 2e =

Los procesos que lo acompañan deben ser procesos de oxidación. Obviamente, este podría ser el proceso de oxidación del hierro.

= (Fe2+) + 2e

o impurezas en la composición del acero, como el silicio. Dado que un ion de silicio de cuatro cargas no puede estar en la escoria, este proceso va acompañado de la formación de un tetraedro de silicio-oxígeno de acuerdo con la semirreacción electroquímica:

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

El flujo independiente de solo una de las semirreacciones del electrodo dadas es imposible, porque esto conduce a la acumulación de cargas en la doble capa eléctrica en el límite de fase, lo que impide la transición de la sustancia.

El estado de equilibrio de cada uno de ellos se caracteriza por el potencial de electrodo de equilibrio ()

donde es el potencial estándar, son las actividades de las formas oxidada y reducida de la sustancia, z es el número de electrones involucrados en el proceso del electrodo, R es la constante universal de los gases, F es la constante de Faraday, T- la temperatura.

La reducción de manganeso de escoria a metal se realiza como resultado de la ocurrencia conjunta de al menos dos semirreacciones de electrodos. Sus velocidades se establecen de manera que no haya acumulación de cargas en la interfaz. En este caso, el potencial del metal toma un valor estacionario, en el que las tasas de generación y asimilación de electrones son las mismas. La diferencia entre lo real, es decir. estacionario, potencial y su valor de equilibrio, se denomina polarización (sobretensión) del electrodo, . La polarización caracteriza el grado de eliminación del sistema del equilibrio y determina la velocidad de transición de los componentes a través del límite de fase de acuerdo con las leyes de la cinética electroquímica.

Desde el punto de vista de la termodinámica clásica, los procesos de reducción de manganeso de la escoria por silicio disuelto en hierro ocurren en el sistema en una u otra dirección:

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

y el propio disolvente (oxidación de manganeso con óxido de hierro en escoria

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

Desde el punto de vista de la cinética formal, la velocidad de la primera reacción, determinada, por ejemplo, por el cambio en el contenido de silicio en el metal lejos del equilibrio en el régimen cinético, debería depender del producto de las concentraciones de óxido de manganeso en el escoria y silicio en el metal hasta cierto punto. En el régimen de difusión, la velocidad de reacción debe depender linealmente de la concentración del componente cuya difusión se dificulta. Se pueden hacer consideraciones similares para la segunda reacción.

Constante de equilibrio de reacción expresada en términos de actividades

es una función de la temperatura solamente.

La relación de concentraciones de equilibrio de manganeso en escoria y metal.

se llama el coeficiente de distribución de manganeso, que, en cambio, depende de la composición de las fases y sirve como una característica cuantitativa de la distribución de este elemento entre la escoria y el metal.

2.6.2 Modelo de proceso

El modelo de simulación considera tres semirreacciones de electrodos que pueden ocurrir entre la fusión de óxido de CaO – MnO – FeO – SiO 2 – Al 2 O 3 y el hierro líquido que contiene Mn y Si como impurezas. Se hace una suposición sobre el régimen de difusión de su flujo. Se tiene en cuenta la inhibición de la difusión de partículas de Fe 2+ en escoria, silicio en metal y manganeso en ambas fases. El sistema general de ecuaciones que describe el modelo tiene la forma

dónde υ ј es la velocidad de la semirreacción del electrodo, η j– polarización, yo j es la densidad de la corriente de difusión límite, DJ es el coeficiente de difusión, β es la constante convectiva, cj- concentración.

El programa modelo de simulación permite resolver el sistema de ecuaciones (18.4) - (18.8), lo que permite establecer cómo la concentración de volumen de los componentes y la velocidad de su transición cambian con el tiempo cuando el metal interactúa con la escoria. Se muestran los resultados del cálculo. La información recibida de la pantalla del monitor incluye una representación gráfica de los cambios en las concentraciones de los componentes principales, sus valores actuales, así como los valores de temperatura y las constantes de convección (Figura 8).

El diagrama de bloques del programa para el modelo de simulación de la interacción del metal y la escoria se muestra en la Figura 7. El programa se ejecuta en un ciclo que se detiene solo después de que haya transcurrido el tiempo de simulación especificado (alrededor de 10 minutos).

Figura 7 - Diagrama de bloques del programa del modelo de simulación

2.6.3 Procedimiento de trabajo

La imagen generada por el programa de simulación se muestra en la Figura 8 (panel derecho). Los valores numéricos seleccionados de las cantidades medidas se dan en la parte superior del panel, todos los valores obtenidos durante la simulación del proceso se muestran en el gráfico. En las designaciones de los componentes de fundidos metálicos y de escoria, se utilizan signos adicionales adoptados en la literatura metalúrgica. Los corchetes indican que el componente pertenece a la masa fundida y los corchetes a la escoria. Los multiplicadores en las designaciones de los componentes se usan solo para trazar, no deben tenerse en cuenta al interpretar los valores. Mientras el modelo se está ejecutando, solo se muestra el valor de uno de los valores medidos en un momento dado. Después de 6 segundos, desaparece y aparece el valor del siguiente valor. Durante este período de tiempo, es necesario tener tiempo para registrar el siguiente valor. Para ahorrar tiempo, se recomienda no escribir cifras constantes, por ejemplo, la unidad principal en el valor de la temperatura.

Fig. 8. Imagen de la pantalla del monitor durante la ejecución de la obra No. 18 en diferentes etapas de los procesos.

En cuatro - cinco minutos después del inicio de la instalación, agregue óxido de manganeso precalentado a la escoria, lo que se hace presionando simultáneamente la tecla Alt y la tecla numérica en el teclado principal con el número de su instalación. El orden de procesamiento de los resultados:

1. Ingrese los resultados del registro manual de información en un archivo de hoja de cálculo.

2. Calcule las tasas de los procesos de transición de elementos a través del límite interfacial y los logaritmos de estos valores antes y después de la adición de óxido de manganeso a la escoria con una masa de metal fundido de 1400 kg.

3. Representar gráficamente en hojas separadas la temperatura frente al tiempo, la tasa de transición de manganeso frente al tiempo, el logaritmo de la tasa de transición de silicio frente al logaritmo de la concentración de silicio en el metal.

4. Estimar las características cinéticas del proceso de transición del silicio usando el método de mínimos cuadrados.

Resultados de la prueba:

1. Los cuadros debidamente diseñados enumerados en la sección anterior, en una hoja separada de hojas de cálculo con todas las firmas y símbolos necesarios.

Fig. 2. Valores del orden de la reacción de oxidación del silicio antes y después de la introducción del óxido de manganeso, indicando los errores.

3. Conclusiones del trabajo.

preguntas de examen

1. ¿Por qué es necesario modelar los procesos de producción de acero?

2. ¿Cuál es la naturaleza de la interacción entre el metal y la escoria y cómo se manifiesta?

3. ¿Qué potencial se llama estacionario?

4. ¿Qué potencial se llama equilibrio?

5. ¿Qué se llama polarización de electrodos (sobretensión)?

6. ¿Cuál es el coeficiente de distribución de manganeso entre el metal y la escoria?

7. ¿Qué determina la constante de distribución de manganeso entre el metal y la escoria?

8. ¿Qué factores afectan la velocidad de transición del manganeso de metal a escoria en el modo de difusión?

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n1.doc

FGOU VPO

UNIVERSIDAD FEDERAL DE SIBERIA

INSTITUTO DE METALES NO FERROSOS

Y CIENCIA DE MATERIALES

TEORÍA DE LOS PROCESOS METALÚRGICOS

RESUMEN DE CONFERENCIAS PARA ESTUDIANTES DE LA ESPECIALIDAD

INGENIERO FÍSICO

Krasnoyarsk 2008

CDU 669.541

BBC 24.5

Crítico
Aprobado como material didáctico
I.I.Kopach
K 55 Teoría de los procesos metalúrgicos: proc. Manual para la especialidad "Ingeniero-Físico" / SibFU. Krasnoyarsk, 2008. - 46 págs.

ISBN 5-8150-0043-4
El manual esboza las disposiciones teóricas de los principales procesos de producción metalúrgica, tales como: disociación, procesos redox, métodos químicos y físicos de refinación, escorias de producción metalúrgica y metalurgia de sulfuros.
Universidad Federal de Siberia, 2008

Introducción

1. 
   DISOCIACIÓN DE COMPUESTOS QUÍMICOS
2. 
   COMPOSICIÓN Y PROPIEDADES DE LA FASE GASEOSA A ALTAS TEMPERATURAS.
3. 
   PROCESOS DE REDUCCIÓN.
   1. 
      reducción de hidrógeno
   2. 
      Recuperación con carbón sólido
   3. 
      Recuperación con gas CO
   4. 
      Restauración con metales

4. REFINACIÓN DE METALES

4.1. Métodos de refinación pirometalúrgicos

4.2. Métodos de refinación física

1. 
   asentamiento
2. 
   Cristalización
3. 
   refinación al vacío

5. PROCESAMIENTO DE MATERIALES SULFUROSOS.

1. 
   Fusión de separación.
2. 
   Conversión mate.

6. ESCORIA METALÚRGICA.

1. 
   La estructura de la escoria se derrite.

B E D E N I E

La teoría de los procesos metalúrgicos es una química física que describe el comportamiento de los sistemas que reaccionan químicamente a altas temperaturas, que van desde 800 a 2500 K y más.

El progreso acelerado de la humanidad comenzó después de que las personas aprendieron a usar los metales. El nivel de desarrollo del país sigue estando determinado en gran medida por el nivel de desarrollo de las industrias metalúrgica, química y minera. En la actualidad, las formas de desarrollo extensivo prácticamente se han agotado, y la cuestión del desarrollo intensivo de todas las ramas de la producción, incluida la metalurgia, ha pasado a primer plano. Las últimas décadas se caracterizan por enfoques cualitativamente nuevos para todos los procesos de producción, estos son:

1. 
   ahorro de energía y recursos,
2. 
   procesamiento profundo de materias primas y desechos artificiales,
3. 
   uso de los últimos logros de la ciencia en la producción,
4. 
   uso de micro y nanotecnologías,
5. 
   automatización e informatización de los procesos productivos,
6. 
   minimización de los efectos nocivos sobre el medio ambiente.

Estos (y muchos otros) requisitos plantean grandes exigencias al nivel de formación básica y especializada de un ingeniero moderno.

El libro de texto propuesto sobre la teoría de los procesos metalúrgicos es un intento de presentar la disciplina en el primer nivel de complejidad, es decir, el más bajo. sin pruebas matemáticas, con mínima fundamentación de las posiciones iniciales y análisis de los resultados obtenidos. El manual consta de 6 capítulos, que abarcan casi todo el proceso de obtención de metales a partir de minerales y concentrados.

Primero, recordemos el proceso de alto horno de fundición de hierro a partir de mineral de hierro o concentrados de mineral de hierro, conocido por un curso de química escolar. Hay tres fases en un alto horno:

1. 
   fase gaseosa, compuesta por CO, CO 2 gases, vapores metálicos y óxidos,
2. 
   fase de escoria formada por óxidos fundidos CaO, SiO 2 , Al 2 O 3 , FeO, MnO, etc.
3. 
   una fase metálica que consiste en hierro líquido e impurezas disueltas en él, como carbono, manganeso, silicio, fósforo, azufre, etc.

Las tres fases interactúan química y físicamente. El óxido de hierro se reduce en la fase de escoria y pasa a la fase metálica. El oxígeno disuelto en la fase de escoria pasa a la fase metálica y oxida las impurezas que contiene. Las gotas de óxido flotan en la fase de metal y las gotas de metal se asientan en la fase de escoria. La transición de componentes de una fase a otra está asociada con su transferencia a través de los límites de fase, por lo tanto, un ingeniero metalúrgico trabaja con sistemas de múltiples componentes, heterogéneos y que reaccionan químicamente.

Actualmente, la metalurgia recibe alrededor de 70 metales, que generalmente se dividen en no ferrosos y ferrosos. Estos últimos incluyen solo 4 metales: hierro, manganeso, vanadio y cromo. El grupo de los metales no ferrosos es más numeroso, por lo que se divide en los siguientes subgrupos.

1. 
   Pesado: cobre, plomo, zinc, níquel, estaño, mercurio, 18 elementos en total.
2. 
   Metales ligeros: aluminio, magnesio, titanio, silicio, metales alcalinos y alcalinotérreos, 12 elementos en total.
3. 
   Nobles: oro, plata, platino, etc., solo 8 elementos, recibieron su nombre debido a la falta de afinidad por el oxígeno, por lo tanto, en la naturaleza se encuentran en estado libre (no oxidado).
4. 
   Metales raros: refractarios - 5 elementos, tierras raras - 16 elementos y radiactivos - 16 elementos.

Según el método de producción, los procesos para la obtención de metales se dividen en tres grupos:

pirometalúrgico,

hidrometalúrgico y

procesos electrometalúrgicos.

Los primeros proceden a temperaturas del orden de 1000 - 2500 K, estando los componentes en estado fundido y disuelto.

Estos últimos proceden en solventes acuosos, con menos frecuencia en orgánicos, a temperaturas de 300 a 600 K. Muchos procesos hidrometalúrgicos también se desarrollan a presiones elevadas, es decir, en autoclaves.

Los procesos electrometalúrgicos ocurren en electrodos tanto en soluciones acuosas como en sales fundidas a diferentes temperaturas. Por ejemplo, la electrólisis de alúmina en una fusión de criolita-alúmina se produce a 1230 K, y la electrólisis de platino a partir de un electrolito acuoso se produce a 330 K.

Las materias primas para la producción de muchos metales son, en primer lugar, minerales oxidados, a partir de los cuales se obtienen aluminio, hierro, cromo, manganeso, titanio, parcialmente cobre, níquel y plomo. A partir de minerales sulfurados menos comunes se obtienen metales como cobre, plomo, níquel, cobalto y metales nobles. El magnesio, el calcio y los metales alcalinos se obtienen a partir de minerales de cloruro (de las aguas de los mares y lagos).

La producción metalúrgica tiene un impacto nocivo en el medio ambiente, a saber:

1. 
   emisiones de gases de reacción como CO, SO 2 , SO 3 , Cl, CS 2 y muchos otros gases,
2. 
   partículas plisadas y líquidas de varios tamaños y composiciones,
3. 
   descarga de grandes volúmenes de aguas industriales que contaminan los cuerpos de agua, incluido el suministro de agua potable.
4. 
   una gran descarga de exceso de energía de bajo valor que se puede utilizar para calentar invernaderos, etc.

Estos factores tienen un impacto negativo. En primer lugar, a los empleados de las empresas, así como a las ciudades y pueblos cercanos. Por lo tanto, una de las tareas más importantes de un ingeniero es organizar y planificar la producción de tal manera que se minimicen los efectos nocivos sobre el medio ambiente. Los problemas ambientales deben estar en primer lugar no solo en la producción social, sino también en la autolimitación personal de cada persona, en forma de rechazo total o parcial al transporte personal, consumo excesivo de recursos energéticos, etc.

Una estimación aproximada muestra que una persona que viaja al trabajo en transporte público consume alrededor de un orden de magnitud menos de combustible y oxígeno, en comparación con los amantes de la comodidad que viajan solos en un automóvil con una capacidad de motor de varios litros. El futuro de la humanidad, como comunidad pensante, está en el camino del autocontrol consciente en la esfera del consumo de bienes, servicios y, en última instancia, de los recursos energéticos.