ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет"

Кафедра материаловедения и физики металлов

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к проведению лабораторных работ и выполнению самостоятельной работы по дисциплине

“Производство отливок из чугуна и стали”

для студентов специальности 150104 “Литейное производство

черных и цветных металлов” и направления 150400.62 «Металлургия», профиля «Технология литейных процессов»

очной формы обучения

Часть 2

Воронеж 2013

Составитель канд. техн. наук Л.С. Печенкина

УДК 621.74

Методические указания к проведению лабораторных работ и выполнению самостоятельной работы по дисциплине «Производство отливок из чугуна и стали» для студентов специальности 150104 «Литейное производство черных и цветных металлов» и направления 150400.62 «Металлургия», профиля «Технология литейных процессов» очной формы обучения. Ч. 2 / ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет"; сост. Л.С. Печенкина. Воронеж, 2013. 73 c.

В методических указаниях приведены описания лабораторных работ, отражающих основные группы процессов, протекающих в металлургических агрегатах, при плавке чугуна и стали, раскислении, модифицировании. Приведены краткие теоретические сведения и контрольные вопросы; даны объем, порядок выполнения работ, указания по составлению отчетов.

Табл. 15. Ил. 14. Библиогр.: 7 назв.

Рецензент канд. физ.-мат. наук, доц. А.А. Лукин

Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф. А.Т. Косилов

Издаётся по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

©ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный

технический университет", 2013

Лабораторная работа №1 Влияние температуры на состав газовой смеси в металлургических агрегатах для выплавки чугуна

Цель работы. Для реакции газификации, протекающей в лабораторной трубчатой печи при постоянном давлении Р газовой смеси определить содержание в ней окиси углерода, выяснить влияние температуры на состав газовой смеси и сравнить его с равновесной.

1. Общие сведения

Во многих металлургических агрегатах, в том числе в доменной печи, при наличии твердого углерода и углекислого газа протекает реакция газификации

С_(тв)+СО_2(газ)  2СО_(газ), (1)

Для которой ₂₉₈  170 кДж/моль >0

Реакция (1) представляет большой интерес для металлургии, т.к. она дает ценный продукт – окись углерода, являющуюся ценным топливом и эффективным реагентом – восстановителем металлов из окислов.

Двухкомпонентная двухфазная система (1) имеет 4 переменных параметра T, P, Р_СО2, Р_СО и в состоянии равновесия обладает степенями свободы, т.е является бивариантной . Поэтому должно существовать 2 уравнения, связывающие переменные параметры, определяющие состояния равновесия системы

Р=Р_СО2 +Р_СО, (2)

= Кр = (Т), (3)

где Р – общее давление газовой смеси; Р_СО2 и Р_СО – равновесные парциальные давления углекислого газа и окиси углерода; Кр – константа равновесия реакции (1).

Из соотношений (2) и (3) следует, что равновесный состав газовой смеси ( СО+СО₂ ) является функцией температуры Т и общего давления Р, что вытекает из решения системы уравнений (2) – (3) при заданных значениях Т и Р:

Р_СО = – + ; (4)

Р_СО2 = Р + – . (5)

Для точного расчета К_Р как функции Т можно воспользоваться следующими данными:

Н₂₉₈=41080 кал (6)

С_Р, графит = 1,1+4,8·10^-3Т-1,2·10^-6Т² , (7)

С_Р, _СО2 =7,0+7,1·10^-3Т-1,86·10^-6Т² , (8)

С_Р, _СО =6,5·10^-3Т. (9)

Тогда

Н=40034+4,9Т-4,95·10^-3Т²+1,02·10^-6Т³, (10)

G⁰=40034-4,9ТlnТ+4,95·10^-3Т²-0,51·10^-6Т³+I (11)

Константу интегрирования I вычисляют по абсолютным значениям энтропии

S⁰₂₉₈=2S⁰co-S⁰co₂-S⁰гр=42,11 кал/град.моль, (12)

откуда

G⁰₂₉₈=Н⁰₂₉₈-298S⁰₂₉₈=28530 кал/моль. (13)

Подстановка этого значения G⁰ в уравнение (11) дает I,

После чего из соотношения

G⁰= – RTlnК_Р (14)

получаем зависимость К_Р от Т:

lgК_Р = – + 2,475 lgT – 1,082·10^-3 Т+

+0,111·10^-6 Т² + 2,67 . (15)

Упрощенный расчет приводит к более простому соотношению

lgК_Р = - + 9,11 . (16)

В табл. 1 приведены значения lgКр реакции (1) для некоторых значений температуры. Из таблицы следует что в интервале температуры Т = 600 ⁰С величина Кр может изменяться в миллионы раз.

Т.к. %СО₂ + %СО = 100, то равновесный состав бинарной газовой смеси в системе (1) можно характеризовать процентным содержанием лишь одного газового компонента. Чаще всего равновесие характеризуют содержанием газа-продукта СО, которое дает представление о полноте протекания процесса.

Таблица 1

Константа равновесия реакции газификации как функция температуры

t, oC	lgKp по уравнениям
	точному (15)	приблизительному (16)
400 500 600 700 800 900 1000 1100	-4,006 -2,259 -0,949 +0,115 +1,007 +1,702 +2,302 +2,773	-4,14 -2,44 -1,11 -0,07 +0,81 +1,51 +2,11 +2,63

Из соотношений (2) и (3) или (4) и (5) следует, что равновесный процент СО является функцией температуры и давления, что можно проиллюстрировать данными, приведенными в табл.2.

Таблица 2

Равновесный процент окиси углерода в системе (1) как функция температуры и давления

t,0C	Р, ат.
	0,1	10
600 800 1000	59 98,9 99,95	8,5 57,1 95,4

Т аким образом, графическая интерпретация равновесия (1) может быть представлена в координатах Р_СО -Т - Р , и совокупность равновесных значений % СО в этой системе координат образует в трехмерном пространстве поверхность (рис.1).

Рис. 1

Равновесный процент окиси углерода в системе С-СО₂-СО как функция температуры Т и давления Р (аксонометрическая проекция)

Практически удобнее поль­зоваться двумерными графиками, которые представляют собой изоба­рические сечения поверхности % СО = (Т, Р).

На рис. 2 представ­лены изобары ре­акции (1), а на рис. 3 -изотермы.

Каждая из кри­вых на рис.2 харак­теризует ус­ловия равно­вес­ного сосу­щество­вания реаген­тов, образующих рас­сматри­ваемую сис­тему. Другими словами, если фигу­ративная точка,

Рис.2

изо­бражающая состоя­ние системы, распо­лагается на кривой, то система находится в со­стоянии равновесия. При ином ее положении могут происхо­дить процессы, приводящие систему в равновесное состояние.

Для определения направления этих процессов можно воспользоваться уравнением изотермы реакции (1)

G = RT · , (17)

где G – изменение свободной энергии Гиббса; Р^/со₂ и Р^/со – неравновесные, а Рсо₂ и Рсо – равновесные давления газообразных компонентов.

Если фигуративная точка расположена выше изобары, то Р^/co > Рсо, а Р^/со₂ <Рсо₂ и G > 0, то есть в системе возможен лишь распад окиси углерода. Следовательно, область, расположенная над изобарой, отвечает условиям устойчивого существования графита.

Переход в область, лежащую под изобарой, приводит к соотношению G<0, что открывает возможность газификации углерода.

Аналогичное рассуждение можно применить и к изотермам; выше этих линий идет распад СО, и графит термодинамически устойчив, а ниже – газификация углерода.

Рис. 3. Изотермы реакции С+СО₂ = 2СО

В металлургических агрегатах, в том числе и в доменной печи, смесь СО и СО₂, как правило не равновесна, и большой практический интерес представляет собой выяснение степени отклонения состава бинарной смеси от равновесного.

В данной лабораторной работе используется химический газоанализатор, однако в условиях современного производства используются газоанализаторы самых разных типов. Классифицировать эти приборы можно следующим образом:

1. Приборы, основанные на физических методах анализа, включающих вспомогательные химические реакции.

При помощи таких газоанализаторов, называемых объёмно-манометрическими или химическими, определяют изменение объёма или давления газовой смеси в результате химических реакций её отдельных компонентов. Рис. 4. Хим. газоанализатор ГХ-100

2. Приборы, основанные на физических методах анализа, включающих вспомогательные физико-химические процессы.

Термохимические, основанные на измерении теплового эффекта реакции каталитического окисления (горения) газа, применяют главным образом для определения концентраций горючих газов (например, опасных концентраций окиси углерода в воздухе). Электрохимические позволяют определять концентрацию газа в смеси по значению электрической проводимости раствора, поглотившего этот газ. Фотоколориметрические, основанные на изменении цвета определённых веществ при их реакции с анализируемым компонентом газовой смеси, применяют главным образом для измерения микроконцентраций токсичных примесей в газовых смесях — сероводорода, окислов азота и др. Хроматографические наиболее широко используют для анализа смесей газообразных углеводородов.

3. Приборы, основанные на чисто физических методах анализа.

Термокондуктометрические, основанные на измерении теплопроводности газов, позволяют анализировать двухкомпонентные смеси (или многокомпонентные при условии изменения концентрации только одного компонента).

При помощи денсиметрических газоанализаторов, основанных на измерении плотности газовой смеси, определяют главным образом содержание углекислого газа, плотность которого в 1,5 раза превышает плотность чистого воздуха. Магнитные газоанализаторы применяют главным образом для определения концентрации кислорода, обладающего большой магнитной восприимчивостью. Оптические газоанализаторы основаны на измерении оптической плотности, спектров поглощения или спектров испускания газовой смеси. При помощи ультрафиолетовых газоанализаторов определяют содержание в газовых смесях галогенов, паров ртути, некоторых органических соединений.

Все приборы газового анализа также могут быть классифицированы:

• по функциональным возможностям (индикаторы, течеискатели, сигнализаторы, газоанализаторы

• по конструктивному исполнению (стационарные, переносные, портативные);

• по количеству измеряемых компонентов (однокомпонентные и многокомпонентные);

• по количеству каналов измерения (одноканальные и многоканальные);

• по назначению (для обеспечения безопасности работ, для контроля технологических процессов, для контроля промышленных выбросов, для контроля выхлопных газов автомобилей, для экологического контроля).

Однако приобретение предприятием газоанализатора зависит от условий производства, целей и задач использования газоанализаторов в этих условиях, а так же экономической целесообразности.