Теория металлургических процессов (стр. 1 )

Қазақстан Республикасының Білім және ғылым Министрлігі Д. Серікбаев атындағы ШҚМТУ

Министерство образования и науки Республики Казахстан ВКГТУ им. Д. Серикбаева

УТВЕРЖДАЮ

Декан горно-металлургического

факультета

---------А. Адрышев

«___»_______2014г.

МЕТАЛЛУРГИЯЛЫК ПРОЦЕСТЕР ТЕОРИЯСЫ

Практикалық сабақтарды өткізуге арналған әдістемелік нұсқаулар

ТЕОРИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Методические указания к проведению практических занятий

Специальность:5В070900 – Металлургия

Өскемен

Усть-Каменогорск

2014

Методические указания разработаны на кафедре химии, металлургии и обогащении на основании учебного плана

подготовки бакалавров специальности 5В070900 – Металлургия

Методические указания обсуждены на заседании кафедры

Зав. кафедрой

Протокол № ___ от «____»__________2014г.

Одобрены методическим Советом горно-металлургического факультета

Председатель

Протокол № ___ от «____»__________2014г.

Разработал

к. т.н., доцент

Нормоконтроль

УДК 66.027/07 (076.5)

Реутова металлургических процессов. Методические указания к проведению практических занятий для студентов специальности 5В 070900 «Металлургия». - Усть-Каменогорск: ВКГТУ, 2014, - 25с.

Методические указания к проведению практических занятий содержат необходимую учебную информацию в теории металлургических процессов вскрытия, разделения и получения металлов заданной степени чистоты на примерах расчета технологического регламента оптимального металлургического процесса..

Методические указания предназначены для студентов специальности 5В 070900 «Металлургия».

утверждены на заседании методического Совета горно-металлургического факультета.

Протокол № ____ от ___________2014

ТЕОРИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Методические указания к практическим занятиям для студентов специальности 5В 070900 «Металлургия».

УДК 66.027/07 (076.5)

Реутова металлургических процессов. Методические указания к практическим занятиям для студентов специальности 5В070900 «Металлургия»/ ВКГТУ.- Усть-Каменогорск, 2014,- 25с.

Методические указания содержат учебный материал по теории металлургических процессов как научный инструмент на этапе изучения базовых основ исследования и выполнения технологических операций в области металлургии.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Основы теории металлургических процессов как теоретический научный инструмент на этапе исследования с последующим предложением оптимальных параметров ведения процесса в практике проведения эксперимента и его реализации в промышленных условиях.

1 Основные темы практического закрепления теории металлургических процессов:

1.1  Стехиометрический баланс окислительно-восстановительных реакций как основа массообменных характеристик исследуемых металлургических процессов.

1.2  Кислородный потенциал как универсальный критерий оценивания термодинамической активности компонентов исследуемой металлургической системы.

1.3  Химическое равновесие как оценка предела протекания процесса;

Применение принципа Ле Шателье для теоретического прогнозирования заданного (максимального) выхода продуктов. 1.4 Графо-аналитические расчеты в задачах металлургии с использованием фазовых диаграмм равновесия.

2  Индивидуальные задания:

2.1  Массообменные расчеты по уравнениям окислительно-восстановительных реакций;

2.2  Расчет технологического регламента при получении металла заданной степени чистоты с использованием кислородного потенциала;

2.3  Применение принципа Ле Шателье при расчете максимально возможного выхода продуктов исследуемого процесса;

2.4  Графо-аналитические расчеты по диаграмме фазового равновесия системы Pb-Fe-S.

Список литературы.

Приложения:

Приложение А

Рис. 1 Температурная зависимость величины кислородного потенциала** (термодинамической активности) элементов от состава рабочей атмосферы (СО, СО2, О2, N2, Н2, Н2Оg) плавки (обжига).

ПриложениеБ Термодинамические характеристики компонентов исследуемых систем;

иаграмма фазового равновесия системы Pb-Fe-S (горизонтальный изотермический разрез при 1200 0С).

ВВЕДЕНИЕ

Основу металлургии как науки составляет теория металлургических процессов. При исследовании металлургических систем, как правило. необходимы более глубокие знания в изучаемом процессе, позволяющие решать поставленные металлургические задачи. Предметом теории металлургических процессов служит физико-химический анализ сложных металлургических систем и процессов. Одновременно с экспериментами в металлургии успешно используются теоретические методы исследования химического и фазового равновесия, определяющие оптимальные параметры ведения процесса на основе теоретических исследований, не пребегая к сложным экспериментам. Нет ничего практичнее работоспособной теории, что и подтверждают результаты экспериментов, поставленных на основе теоретических расчетов. Учебный план по дисциплине « Теория металлургических процессов» включает лекции, практические занятия, выполнение курсовой работы.

Форма контроля – текущий и рубежный тестовый контроль; защита курсовой работы, экзамен.

1 Основные темы практических занятий. 1.1Стехиометрический баланс окислительно-восстановительных реакций

(к расчёту массообменных процессов при протекании окислительно-восстановительных как основа массообменных характеристик исследуемых металлургических процессов).

Метод стехиометрического баланса окислительно-восстановительных реакций реакций.

Стехиометрический баланс как метод математического описания химических реакций позволяет выполнить расчёт химического состава по данным элементного состава исследуемой системы либо выполнить обратную задачу: по данным химического состава исследуемой пробы рассчитать её элементный состав как дифференцированный по химическим соединениям, так и в виде интегрального содержания элементов.

Стехиометрический баланс как метод расчёта представляет равенство количества каждого химического элемента левой части уравнения количеству этого химического элемента в правой части химического уравнения реакции. Стехиометрический баланс определяет соблюдение закона сохранения массы химических элементов: полная масса всех составных частей в начале химической реакции равняется массе системы в результате реакции при соблюдении постоянства изотопного состава элементов; при этом можно пренебречь изменением массы, связанной с изменением энтальпии системы (Е = mc2) в виду её крайне малого значения при отсутствии ядерных превращений; в частности, при термической диссоциации молекул водорода энергетический эффект составляет порядка 230 кДж/ г, что соответствует изменению массы на 2,5*10-9 г. Такие малые изменения массы могут не учитываться при расчёте материального баланса. Для закрытых систем условие материального баланса представлено в виде аналитического выражения закона сохранения массы химических элементов [1]:

-  bj + Ʃki=1 υjini + ƩLl=1 υjlnl + ƩXx=1 ƩRr=1 υjrx * nrx = 0 (1)

где bj - мольное содержание j-го химического элемента в системе (моль/кг);

j - 1,2,3….. m

m - число химических элементов, образующих систему;

υjα - число молей атомов j-го элемента в α компоненте (g, l, aq)

(стехиометрический коэффициент)

При наличии в рассматриваемой многокомпонентной системе ионов необходимо обеспечить соблюдение общей электронейтральности.

Системы, включающие конденсированные фазы в виде растворов, при расчёте материального баланса требуют введения нормирующих соотношений, ограничивающих состав этих фаз:

ƩRr=1 ( nrx / nx ) - 1 = 0 , ( х = 1,2,3….Х), (2)

где ( nrx / nx ) – мольная доля компонента r в растворе х.

Для всех компонентов всех фаз должно выполняться условие неотрицательности концентраций. Масса конденсированных фаз может быть не только положительной, но и строго нулевой величиной.

Стехиометрическое уравнение химической реакции, по сути, является математическим описанием химической реакции и, как было уже сформулировано, представляет собой краткое выражение материального баланса реакции (для одной стадии):

υ1А1 + υ2А2 + ….. + υmAm = 0 (3)

Различие Аi между исходными веществами (реагентами) и продуктами реакции отражена в различных знаках стехиометрических коэффициентов (для расходуемого в реакции реагента υ ˂ 0, а для продукта (образующегося вещества) υ ˃ 0

1.2  Кислородный потенциал как универсальный критерий оценивания термодинамической активности компонентов исследуемой металлургической системы.

Физико-химические процессы окисления элементов и термического восстановления оксидов (карбонатов, сульфатов, гидроксидов) в открытых высокотемпературных системах определены технологическим регламентом, который целесообразно при исследовании предлагаемого в статусе новационного процесса оценить первоначально теоретически с последующей рекомендацией полученных параметров в инновационную практику его проведения.

В термических процессах газовая фаза активно участвует в химических процессах взаимодействия с компонентами расплава при контакте расплава с материалом плавильного тигля, материалом футеровки плавильной (обжиговой) печи. Состав и свойства газовой атмосферы определяют завершенность и эффективность процессов плавки, восстановления металлов из оксидов; раскисления металлического расплава, дегазации расплавов и т. д.

Количественной характеристикой окислительно-восстановительных свойств равновесной газовой фазы, содержащей кислород, является ее кислородный потенциал (p0), определяемый по уравнению:

p0= RTlnРо (7) Кислородный потенциал (pо) представляет собой величину химического потенциала кислорода, отсчитываемого от стандартного состояния, и зависящего от температуры и состава газовой фазы. При наличии в газовой фазе компонентов, которые могут реагировать с кислородом или при диссоциации образуют кислород, необходимо учитывать развитие этих реакций при вычислении кислородного потенциала.. В частности, окислительные свойства СО2 и Н2О при высоких температурах определяются развитием реакций диссоциации этих соединений; для газовых смесей СО-СО2 парциальное давление кислорода определяется из условия равновесия реакции окисления монооксида углерода: