Металлургия » Теоретические основы сталеплавильных процессов. » Общая физико-химическая характеристика сталеплавил » Основные методы и законы физической химии, применяемые при изучении сталеплавильных процессов

Основные методы и законы физической химии, применяемые при изучении сталеплавильных процессов

 (голосов: 1)
Основные методы и законы физической химии, применяемые при изучении  сталеплавильных процессовОсновные методы и законы физической химии, применяемые при изучении
сталеплавильных процессов
С точки зрения физической химии в процессе плавки стали происходит взаимодействие четырех фаз - металлической, шлаковой, газовой и футеровки, различающихся как по агрегатному состоянию, так и по химическому составу. В результате этого взаимодействия неизбежно протекают различные обменные процессы, т.е. процессы перехода химических элементов из одной фазы в другую. Неизбежность протекания этих обменных процессов объясняется тем, что в разных фазах бывают неодинаковыми химические (изобарные) потенциалы элементов или соединений, в которые они входят. Различные изобарные потенциалы химических элементов в разных фазах могут быть созданы искусственно и могут складываться естественно.
Для хода и результатов плавки, т. е. для получения стали заданного состава (качества), наибольшее значение имеет взаимодействие металла со шлаковой и газовой фазами. Однако в ряде случаев, например, при строго теоретическом подходе, следует учитывать и влияние футеровки на состав металла. Кроме того, большое значение имеет взаимодействие шлака и футеровки.
Обменные процессы в сталеплавильной ванне сопровождаются различными химическими превращениями (реакциями). Особенно это характерно для взаимодействия металлической фазы со шлаковой. Металлическая фаза состоит из расплава химических элементов, шлаковая — в основном из расплава оксидов и их соединений, поэтому переход элемента из одной фазы в другую возможен лишь в результате протекания химической реакции, состоящей, прежде всего, в образовании или диссоциации (восстановлении) оксида.
Поскольку в сталеплавильных процессах взаимодействующие компоненты и продукты наиболее важных реакций обычно находятся в разных фазах, то эти реакции, как правило, являются гетерогенными. Гетерогенность основных химических реакций и высокая температура затрудняют изучение процессов плавки стали.
Изучение любого из частных процессов, представляющих в основном обменные химические процессы, обычно имеет три стадии, на каждой из которых решается один из следующих типов задач:
1. Определение возможного направления протекания процесса, в большей части химической реакции, в данных конкретных условиях. Знание возможного направления является его качественной характеристикой, которая важна, но недостаточна для нормальной реализации плавки в любом агрегате.
2. Установление предела, до которого может протекать химическая реакция, и факторов, от которых зависит этот предел. Это является количественной характеристикой процесса, позволяющей оценить возможные последствия протекания той или иной реакции, например, установить возможную степень удаления из металла той или иной примеси, или загрязнения ею металла. Без такой количественной характеристики невозможно успешное решение главной задачи плавки — обеспечения заданного химического состава готовой стали. Для нормальной реализации плавки это очень важно, но также недостаточно.
3. Определение возможной скорости процесса и факторов, влияющих на нее, что важно для установления возможной продолжительности процесса, следовательно, производительности агрегата. Производительность агрегата определяет производительность труда, затраты энергетических и некоторых материальных ресурсов.
Задачи первого и второго типов можно решить, используя методы и законы химической термодинамики, которые в настоящее время являются относительно разработанными. Эти задачи могут быть решены сравнительно легко и во многих случаях с достаточной для практики степенью точности, используя термодинамические характеристики реакций.
Значительно труднее определение скорости реакций. Это связано с тем, что, во-первых, кинетика химических реакций изучена в значительно меньшей степени, чем термодинамика; во-вторых, в сталеплавильной ванне массоперенос взаимодействующих частиц очень незначительно зависит от их физико-химических свойств, а определяется интенсивностью перемешивания металла и шлака. Поскольку закономерности изменения скоростей массопереноса в движущейся жидкости пока имеют в основном качественную оценку, то в настоящее время скорости протекания химических реакций в сталеплавильной ванне обычно определяют экспериментально, получая при этом средние, обычно приближенные данные. Учитывая сказанное выше о значении и возможностях термодинамического метода изучения сталеплавильных процессов, целесообразно описание основных физико-химических явлений начинать с их термодинамического анализа. При этом часто удается получать количественные зависимости, которыми можно пользоваться для установления параметров плавки.
Как известно, термодинамические характеристики, позволяющие количественно описать процесс, в частности, установить возможные пределы остаточного содержания примесей в металле в конце рафинирования, применимы лишь к равновесным реакциям. В связи с этим важно определение возможных областей применения термодинамики для количественной характеристики сталеплавильных процессов.
Для сталеплавильных процессов характерно, что между взаимодействующими фазами полного равновесия не наблюдается. В ряде случаев такого равновесия и не должно быть. Например, для окислительного рафинирования металла необходимо преднамеренное нарушение равновесия между металлической, шлаковой и газовой фазами по величине химического потенциала кислорода. Чтобы окислительное рафинирование протекало успешно, необходимо постоянно поддерживать химический потенциал кислорода в газовой фазе больше, чем в шлаковой, а в шлаковой больше, чем в металлической. Созданием такого состояния обеспечивается непрерывный приток в металл кислорода, который расходуется на окисление приме сей металла, а в отдельные периоды плавки и на окисление железа. Также нет равновесия в системе футеровка - шлак, причем эта неравновесная система образуется естественно, без принятия специальных мер. Указанное выше отсутствие равновесия между взаимодействующими фазами, создаваемое искусственно или складывающееся естественно, некоторые авторы склонны рассматривать как признак неприменимости термодинамики для количественной характеристики сталеплавильных процессов. Такой взгляд является ошибочным.
В сталеплавильных процессах при отсутствии равновесия в системе в целом множество частных процессов, протекающих в рассматриваемой системе, достигает истинного (термодинамического) равновесия.
К частным процессам, достигающим состояния термодинамического равновесия, относятся все химические реакции окисления примесей металла, продукты которых растворяются в шлаке, т. е. остаются в зоне реакции. К их числу прежде всего относятся реакции окисления марганца, фосфора, хрома, ванадия и других, поведение которых можно рассматривать как распределение между шлаком и металлом.
Доказательством того, что указанные реакции достигают состояния термодинамического равновесия, по крайней мере в конечной стадии плавки, являются факты, постоянно наблюдаемые на производстве: смещение реакций как в сторону окисления, так и в сторону восстановления примесей при изменении внешних условий, например температуры и окисленности ванны. Если реакция окисления примеси не достигала бы равновесия, то при повышении температуры она продолжала бы протекать в сторону окисления. В действительности в конце плавки при примерном постоянстве окисленности ванны с повышением температуры все примеси, оксиды которых растворяются в шлаке, восстанавливаются, т.е. реакция окисления идет в обратном направлении. Смещение реакций в ту или иную сторону наблюдается и при изменении степени окисленности ванны.
Поскольку окисленность ванны в основном зависит от содержания углерода в металле, последнее является важным фактором, определяющим содержание других примесей в металле, по крайней мере, в конце плавки, т.е. от остаточного содержания углерода в металле зависит содержание в нем других примесей, распределяющихся между шлаком и металлом. Достижению равновесия способствуют благоприятные кинетические условия в сталеплавильной ванне: химические реакции протекают при высоких температурах и преимущественно в жидких фазах, как правило, при интенсивном их перемешивании, поэтому их скорости достаточно высоки. Следовательно, методы и законы термодинамики можно использовать для качественной и количественной характеристики большинства химических реакций сталеплавильных процессов.
Термодинамический анализ составляет важнейшую часть теории сталеплавильных процессов, однако результаты термодинамических расчетов не всегда совпадают с практическими данными. Наблюдаемые расхождения связаны с тем, что в настоящее время важнейшие термодинамические характеристики некоторых реакций, протекающих в сталеплавильных ваннах, определены приближенно. Получение достоверных термодинамических характеристик этих реакций является одной из важных задач в изучении процессов производства стали.
При термодинамической характеристике сталеплавильных процессов наиболее часто используются законы физической химии: действия масс, смещения равновесия (принцип Ле-Шателье), распределения вещества между двумя несмешивающимися жидкостями (закон Нернста-Шилова), фазовых равновесий (правило фаз Гиб-бса), а также изменение энергии Гиббса (изобарно-изотермического потенциала) реакции (процесса) и другие термодинамические величины. В кинетической характеристике наибольшее значение имеют законы массо- и теплопереноса (передачи) как в пределах одной фазы, так и между фазами. Кроме того, используются законы сохранения материи и энергии, при помощи которых обычно составляют частные и общие материальные и тепловые балансы, позволяющие получить количественную характеристику как частных физико-химических процессов, так и особенно плавки в целом.
При термодинамическом анализе, прежде всего при определении равновесных остаточных примесей в металле, следует принимать, что реакции окисления протекают за счет кислорода, растворенного в металле, или кислорода FeO шлака, т. е. считать, что уравнения этих реакций имеют вид:
m [Е] + n [О] = (EmOn);
m [Е] + n (FeO) = (EmOn) + n [Fe];
m [Е] + n [О] = {EmOn};
m [Е] + n (FeO) = {EmOn} + n [Fe].
В этих уравнениях [Е], [О] и [Fe] - концентрации любого элемента, кислорода и железа в металле; (FeO) и {EmOn} - содержание оксида железа и любого элемента в шлаке; {EmOn} - содержание оксида в газовой фазе, m и n — стехиометрические коэффициенты.
Приведенные написания уравнений реакций обязательны при любом варианте подачи кислорода в ванну — в виде газа или твердого окислителя.
Написание уравнений реакций с учетом источника (вида) кислорода является обязательным при определении их тепловых эффектов. Тогда реакцию окисления газообразным кислородом следует записать в виде:
m[Е] + n/2 {O2} = (EmOn) или m[Е] + n/2 {O2} = {ЕmОn},
а реакцию окисления твердым окислителем - в виде:
m[Е] + n/3 Fe203(T) = (EmOn) + 2/3n [Fe]
или m[Е] + n/3 Fe203(T) = {EmOn} + 2/Зn [Fe].
Печать

РЕКЛАМА

Видео металлургия

Счетчики