Теория металлургических процессов (стр. 5 )

3.3.5.2 Построить график зависимости lg Кp = f (1/T) по экспериментальным данным.

3.3.5.3 Получить уравнение зависимости lg Кp = f (1/T) с использованием метода наименьших квадратов (Приложение А) по экспериментальным данным. Сравнить полученный результат с литературными данными.

3.3.6 Контрольные вопросы

3.3.6.1 Вывести температурную зависимость DG = f (T) для реакций 25 - 28 и рассчитать по полученным уравнениям .

3.3.6.2 Проверить сходимость результатов по п.1 с результатами вычисления методом приведенных потенциалов (Приложение В, таблица В.1).

3.3.6.3 Вычислить равновесное давление монооксида углерода при 700 0С для реакции (27) с использованием приведенных потенциалов. Полученный результат сравнить с литературными данными Робщ = 1; 0,1; 10 атм.

3.3.6.4 Определить расчетом относительное число молей СО2 в момент времени t, равное n (CO2) / n0 (CO2), и оценить результат, полученный расчетом, с результатом, полученным экспериментально Робщ = 1 атм.

3.3.6.5 Определить вариантность системы, в которой протекают реакции 25 - 28, какой физический смысл имеет число степеней свободы гетерогенной системы (Ств; О2, СО, СО2).

3.3.6.6 Для каких металлургических процессов реакция газификации твердого углерода имеет важное значение?

3.4 Лабораторная работа «Изучение реакций в системе Ме – S – O»

3.4.1 Теоретическое введение

Для практики переработки сульфидных руд и концентратов важное значение имеют целый ряд химических реакций с участием газообразной и твердой фаз в системе Ме – S – O. Закономерности этих реакций позволяют оценить условия полного ил сульфатизирующего обжига пр 400 – 800 0С.

В зависимости от температуры и состава газовой фазы (SO2, SO3,O2 с возможным присутствием N2, S2) твердые фазы могут состоять из оксидов, сульфидов, сульфатов и оксисульфатов различной степени сложности.

При взаимодействии сульфида металла с кислородом развивается реакция общего вида:

2МеS + 3O2 Û 2MeO + 2SO2; DH1< 0 (34)

Влияние кислорода и каталитическое действие МеО обеспечивает условия протекания реакции окисления диоксида серы до триоксида:

2SO2 + O2 Û 2SO3; DH2< 0 (35)

Образованию триоксида серы способствует уменьшение температуры, увеличение давления за счет уменьшения объема системы и избыточное давление кислорода в газовой фазе (принцип Ле Шаталье).

Парциальное давление SO3 в газовой фазе в состоянии равновесия зависит от парциальных давлений SO2 и O2:

(36)

Численное значение определяет возможность образования MeSO4 и связано с давлением диссоциации MeSO4 по схеме:

MeSO4 Û МеО + SO2; DH3 > 0 (37)

для которой .

Мерой полноты разложения и показателем прочности сульфата является равномерное давление . В случае (г. ф.) > (4) создаются условия образования сульфата металла в системе Me – S – O.

3.4.2 Задачи исследования

3.4.2.1 Установить температурные области полного и сульфизирующего обжига по результатам обжига.

3.4.2.2 По термодинамическим данным подтвердить результаты эксперимента, определить графически температуры выше которых протекает полный обжиг. Расчет выполнить для условий:

а) реакции протекают в атмосфере воздуха;

б) реакции протекают в атмосфере чистого кислорода.

3.4.3 Методика и аппаратура

Взаимодействие сульфида с кислородом осуществляют в атмосфере воздуха при различных температурах. Навеску исследуемого сульфида выдерживают определенное время. Изотермически в потоке воздуха, проходящего с заданной скоростью. Газообразные продукты реакции на выходе проходят через растворы, поглощающие оксиды серы.

Установка для проведения опытов состоит из реакционной трубки, реометра, обеспечивающего заданную скорость газового потока, и поглотительных склянок, заполненных растворов гидроксида натрия. В реакционную трубку при рабочей температуре помещают фарфоровую лодочку с навеской сульфида. Температуру в реакционной зоне измеряют термопарой и милливольтметром с использованием терморегулятора.

Твердые продукты обжига после охлаждения обрабатывают горячей дистиллированной водой и полученный раствор анализируют на содержание катионов соответствующего металла. По результатам анализа определяют температурные пределы, в которых протекает полный или сульфатизирующий обжиг.

3.4.4 Порядок выполнения работы

Объектом исследования являются сульфиды железа или меди. Навеску исследуемого сульфида (1г) помещают в фарфоровой лодочке в реакционную трубку, предварительно нагретую до заданной температуры.

Включают насос и по реометру устанавливают постоянную скорость окислительного газа (20 см3/мин). Продолжительность изотермической выдержки навески сульфида в окислительной атмосфере 15 мин. По окончании обжига лодочку с навеской помещают на асбестовую сетку для охлаждения, после чего продукты обжига в стеклянной колбе заливают 50 мл дистиллированной воды и кипятят в течение 5 мин. Полученный раствор фильтруют и анализируют на присутствие катионов соответствующего сульфата.

Поскольку сульфиды и оксиды железа и меди в воде практически не растворяются, то окраска раствора изменяется в зависимости от количества сульфата в продуктах обжига, которое является функцией температуры. Опыты проводят при пяти –шести заданных значениях температур в интервале 400 – 700 0С.

При использовании в качестве объекта исследования сульфида железа (FeS), к 5 мл фильтрата добавляют две капли раствора желтой кровяной соли (К4[Fe(CN)6]). Присутствие ионов железа Fe 2+ (продукта электролитической диссоциации FeSO4) дает синюю окраску раствора, интенсивность которой изменяется в зависимости от концентрации ионов железа и, соответственно, от температуры обжига. Присутствие катиона меди Cu 2+ в фильтрате при обжиге сульфида меди окрашивает раствор в голубой цвет при добавлении, в качестве индикатора, водного раствора аммиака. Отсутствие окраски раствора указывает на температуру полного обжига.

3.4.5 Обработка результатов измерений

3.4.5.1 По данным химического анализа продуктов обжига на содержание катионов металлов в растворах определить температурные пределы полного и сульфатизирующего обжига.

3.4.5.2 По термодинамическим данным вывести уравнения температурной зависимости для реакций (35) и (36) и рассчитать при температурах опыта.

3.4.5.3 Интерпретировать результаты расчетов и сопоставить с результатами эксперимента.

3.4.6 Контрольные вопросы

3.4.6.1 Укажите условия термодинамической возможности сульфатизирующего обжига.

3.4.6.2 Приведите примеры целесообразности проведения сульфатиизиирующего обжига в металлургической практике.

3.4.6.3 Каково влияние на полноту обжига сульфидов введения инертного газа при постоянном давлении в системе и при постоянном объеме системы?

3.4.6.4 Увеличение интенсивности окраски растворов, анализируемых на катионы металлов, указывает на температурную область полного или сульфатизирующего обжига?

3.4.6.5 Напишите уравнения стехиометрического баланса для реакций 34, 35 и сформулируйте физический смысл инвариантов этих уравнений. Зависят ли стехиометрические балансы от обратимости?

3.4.6.6 В реакционной зоне обжига протекают реакции, которые можно представить системой уравнений:

На основании стехиометрической эквивалентности рассчитать степень превращения компонента А (aА) и селективность компонента А по целевому продукту R (sА ® R) при заданной температуре обжига за время t при условии: количества веществ (моль) в начальный момент (t0)равны:

n0 (A) = 5,0; n0 (В) = 4,0; n0 (D) = 2,0

ко времени t количества веществ составляют:

nt (С) = 3,4; nt (F) = 2,0; nt (D) = 1,0

Вещество В взято в избытке на 1 моль. Какое количество вещества R при этом образуется?

3.5 Лабораторная работа «Термический анализ бинарной металлической системы свинец – олово»

3.5.1 Теоретическая часть

Фазовые диаграммы двойных и тройных металлургических систем (металлических, солевых, оксидных, комбинированных) являются основой теории получения и рафинирования металлов, выбора состава шлаков и флюсов, используемых при получении металлов, ликвационного разделения металлов; шлака и штейна, штейна и металлической фазы, выбора присадок для высокотемпературного экстрагирования целевого металла; легирования и создания сплавов с заданными эксплуатационными свойствами.

Диаграммы состояния несут важную информацию о фазовом составе сплавов в равновесных условиях и температурах фазовых превращений. Графо-аналитические расчеты позволяют определить параметры, которые можно изменять, не нарушая числа фаз в системе; оценить количественно и качественно выход целевого продукта при разделении или рафинировании сплава.

Согласно правилу фаз, максимально возможное число равновесных фаз в бинарной системе равно трем:

С = К – Ф + n ; Ф = К – С + n = 2 – 0 + 1 = 3

при постоянном давлении и одном изменяющемся внешнем параметре – температуре.

Следовательно, нонвариантное равновесие реализуется при постоянных температуре и составах равновесных фаз.

В бинарных металлургических системах встречаются следующие нонвариантные равновесия:

а) при наличии жидкой фазы:

1) эвтектическое Ж Û a + b;

2) перитектическое Ж + b Û a;