новая папка 1 / 336135

1815

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра металлургии

Расчет равновесных концентраций элементов в сталеплавильных процессах

Методические указания

к курсовой работе по дисциплине «Теоретические основы сталеплавильных процессов»

Составители: А.Н. Роготовский, А.А. Шипельников, Т.В. Кравченко

Липецк Липецкий государственный технический университет

2015

2

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра металлургии

Расчет равновесных концентраций элементов в сталеплавильных процессах

Методические указания

к курсовой работе по дисциплине

«Теоретические основы сталеплавильных процессов»

А.Н. РОГОТОВСКИЙ А.А. ШИПЕЛЬНИКОВ Т.В. КРАВЧЕНКО

Липецк Липецкий государственный технический университет

2015

3

УДК 669.18 (07)

Р 598

Рецензент - канд. техн. наук, доцент И.Г. Бянкин

Роготовский, А.Н.

Р 598 Расчет равновесных концентраций элементов в сталеплавильных процессах [Текст]: методические указания к курсовой работе по дисциплине «Теоретические основы сталеплавильных процессов» / сост. А.Н. Роготовский,

А.А. Шипельников, Т.В. Кравченко. – Липецк: Издательство Липецкого государственного технического университета, 2015. – 20 с.

Рассмотрены теоретические основы и алгоритмы расчета равновесных концентраций основных элементов в металлургической ванне сталеплавильных процессов. Главное внимание уделено методикам определения активностей компонентов металлического и шлакового расплава.

Предназначены для студентов 3 и 4 курса металлургического института, специальности 150101.65 «Металлургия чёрных металлов» и направления подготовки 150400 «Металлургия», изучающих дисциплину «Теоретические основы сталеплавильных процессов».

Табл. 4. Библиогр.: 3 назв.

© ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет», 2015

4

Содержание

Стр.

1. Теоретические основы и алгоритм расчетов поведения элементов-примесей в сталеплавильной ванне……………………...3

2.Примеры и пояснения расчетов по марганцу…………………………..………9

3.Примеры и пояснения расчетов по фосфору………..…………………………12

4.Примеры и пояснения расчетов по ванадию, хрому и кремнию…………......14

Приложение…………………………………………………………………………16

Библиографический список………………………………………………………..19

5

1. Теоретические основы и алгоритм расчетов поведения элементовпримесей в сталеплавильной ванне

Для выполнения курсовой работы требуются знания, полученные при освоении курсов дисциплин: «Физическая химия металлургических систем и процессов», «Теория металлургических расплавов», «Металлургические технологии 1», а также умения обобщать и анализировать полученную информацию, применяя основные положения химической термодинамики и математический аппарат теории металлургических расплавов.

Рафинировочные процессы в системе «металл-шлак» всегда идут в направлении достижения равновесия. И хотя в реальных условиях равновесие часто не достигается, знание его важно для оценки поведения данного компонента-примеси в изменяющихся условиях сталеплавильного процесса.

В качестве исходных данных дается химический состав шлака и металла, температура ванны, количество шлака (в % к массе металла). Требуется определить степень рафинирования ванны от этого элемента или, наоборот, степень насыщения им металла за счет шлака при изменяющихся исходных условиях.

На первом этапе расчета нужно определить условия равновесия данной химической реакции: найти величину константы равновесия для заданной температуры и по ней определить коэффициент распределения элементапримеси между металлом и шлаком. Однако полученное уравнение показывает только отношение активностей (концентраций) данного элемента в шлаке и в металле, но не их абсолютные количества.

Для нахождения абсолютных величин равновесных концентраций примеси в металле и шлаке необходима система из двух уравнений: равновесного и балансового. Последнее составляется из условия, что понижение концентрации элемента-примеси в одной из фаз должно сопровождаться соответствующим приростом содержания в другой фазе и

6

наоборот. При этом необходимо учитывать соотношение количества металла и шлака и (если компонент-примесь меняет химическое состояние) вводить стехиометрический множитель.

Решая систему из двух уравнений, находят равновесные концентрации примеси в каждой фазе. Правильность решения проверяют подстановкой полученных равновесных концентраций в балансовое уравнение: оно должно обратиться в тождество. После этого определяют степень рафинирования металла от данной примеси и пригодность заданных исходных условий для сталеплавильного процесса.

Всоответствии с заданием указанные расчеты повторяют для двух других вариантов при изменении температуры процесса, состава или количества шлака. Полученные в этих вариантах результаты изображают в виде графиков L i = f ( T ) ; L i = φ (основность шлака) и др. На основе этих графиков студент должен указать, какие исходные параметры (химический состав шлака, температура и др.) могут обеспечить наилучшее решение данной металлургической задачи.

Для получения правильных результатов необходимо строго выдерживать способы выражения концентраций, которые приняты в используемых термодинамических уравнениях. Если, например, в выражение константы равновесия входят активности компонента металла (шлака), то необходимо определить коэффициент его активности и пользоваться этим коэффициентом для пересчетов с концентрации на активность и наоборот.

Всоответствии с вышеизложенным активность элемента, растворенного в жидком железе, например, углерода, находится из выражения

где f[С] – коэффициент активности углерода.

Для упрощения написания формул в большинстве учебной и научной литературы в скобки заключают только химические символы элементов,

7

опуская при этом обозначение массового процента:

где fCj – коэффициенты активности углерода вследствие взаимодействия его с атомами самого углерода и других элементов, которые растворены в жидком железе.

Обозначение коэффициента активности малой буквой латинского алфавита f подразумевает в теории металлургических процессов, что за стандартное состояние принят 1%-ный раствор элемента, причем его концентрация выражена в массовых процентах.

Каждый из частных коэффициентов активности определяется из уравнения

где eij – параметры взаимодействия первого порядка.

Поскольку сталь и чугун можно считать разбавленными растворами относительно большинства присутствующих в них элементов, то приведенные формулы являются достаточно точными. При высоких концентрациях растворенных элементов в жидком железе следует дополнить расчетные формулы слагаемыми с параметрами взаимодействия второго или даже третьего порядка. В этом случае расчеты усложняются:

Но в большинстве случаев для расчетов в металлургической практике достаточно разложения коэффициента активности в ряд Тейлора только по первым производным. Тогда для расчета активности углерода в жидком железе

8

применимо уравнение:

Величины параметров взаимодействия наиболее важных элементов, которые присутствуют в стали, приведены в табл. 1.

9

Если концентрации элементов выражены в мольных долях Хi, то расчет активности ведется по другому уравнению:

где: ХС, ХM n, XSi… – мольные доли элементов в жидком железе; CC , εCMn , CSi –

параметры взаимодействия первого порядка.

Параметры ij , eij и eij имеют разные численные значения, но могут быть выражены друг через друга:

где М1, Мi, Мj – атомные массы металла-растворителя (компонент 1) и

растворенных компонентов i и j. Из вывода параметров взаимодействия

Параметры взаимодействия зависят от температуры. Эту зависимость чаще всего выражают в виде