Расчеты термодинамических функций металлургических процессов - Курсовая работа

При термической обработке сталей и сплавов и при горячей прокатке в объеме металлической матрицы образуются или распадаются различные химические соединения - карбиды, нитраты, оксиды, сульфиды и другие. Для наших расчетов понадобятся следующие термодинамические величины: DH - энтальпия или теплосодержание, как и внутренняя энергия, характеризует энергетическое состояние вещества, но включает энергию, затрачиваемую на преодоление внешнего давления, т.е. на работу расширения. Но, в отличие от этих двух функций, связь изменения энтропии с теплотой зависит от способа проведения процесса - от его скорости. Отражает влияние на направление протекания процесса, как тенденции к уменьшению внутренней энергии, так и тенденции к достижению наиболее вероятного состояния системы. На аноде никель и кобальт вместе с примесями железа и других металлов переходят в раствор в виде двухзарядных ионов которые гидролизуются и образуют осадок основных солей-"зеленых гидратов", сера выпадает в виде элементарных частиц, на чугунных катодах выделяется водород.При отсутствии коэффициентов теплоемкости a, b, и с, теплоемкость для данной температуры считается по формуле Владимирова А. Н.: , где Т1 = 298?К; , приведя эти два уравнения к общему, получим: DCP Т2 = , где Т2 - температура, при которой находится теплоемкость.Теория металлургических процессов основана на применение к этим процессам термодинамических расчетов. Как правило определяют ту или иную термодинамическую величину для стандартных условий (Т = 298°К и Робщ = 1атм.), а затем проводят пересчет на интересующие условия. Для многих веществ температурные зависимости теплоемкости, изменение энтальпии и энтропии при стандартных условиях приведены в справочниках.Проведем расчеты: · DH при Т = 298 °К для химической реакции: · DS при Т = 298 °К для химической реакции: · DCP при Т = 298 °К для химической реакции: · DG при Т = 298 °К для химической реакции: · LGKP при Т = 298 °К для химической реакции: , откуда Kp = 130,317 ?10-3; Рассчитаем теплоемкость для химической реакции: = = 3,27, Kp = 1,86·103. Рассчитаем теплоемкость для химической реакции: = = 2,478, Kp = 300,6. Рассчитаем теплоемкость для химической реакции: = = 2 Рассчитаем теплоемкость для химической реакции: = = 1,672Воспользуемся рассчитанными данными из таблицы 3, тогда: DH°х.р =-34,397КДЖ/моль;Проведем расчеты DH при Т = 298 °К для химической реакции: Проведем расчеты DS при Т = 298 °К для химической реакции: Для рабочей температуры (Траб = 1500 °К) рассчитаем Da, Db и Dc: Da = = (50,8 19,83) - (48,28 17,24) = 5,11;Значения температурных функций f(T) возьмем из «Справочника по расчетам равновесий металлургических реакций» А.Н. Крестовникова.Логарифмы Кр, найденные различными методами, заносим в таблицу 5. Таблица 5. Методы LGKP Kp D, %Рассмотрим график зависимости энтальпии от температуры (рис.1) . Видно, что с увеличением температуры энтальпия уменьшается, следовательно, реакция экзотермична, т.е. идет с выделением тепла. В этом случае реакция окисления металлического железа кислородом оксида кобальта в процессе конвертирования никелевого штейна в конвертере будет самопроизвольно протекать в прямом направлении, только при условии, что ?S >0. Рассмотрим график зависимости энтропии от температуры (рис.2) . Так как энтропия - это функция состояния термодинамической системы, а также количественная мера ее беспорядка, то можно сказать, что с увеличением температуры, уменьшается хаотичность движения частиц, т.е. уменьшается беспорядочность термодинамической системы.Рассмотрим график зависимости Ср от температуры (рис.4). Из него видно, что с увеличением температуры Ср уменьшается, это означает, что отношение изменения энтальпии реакции к изменению температуры развивается регрессирующие - энтальпия уменьшается тем быстрее, чем выше температура. Рассмотрим график зависимости ?H от температуры (рис. По графику видно что энтропия уменьшается, т.е. уменьшается беспорядочность системы. Рассмотрим график зависимости ?G от температуры (рис.3).Теоретические основы процесса Ванюкова разработаны группой научных сотрудников Московского института стали и сплавов под руководством доктора технических наук профессора А.В. Ванюкова, после смерти которого, его именем названа печь и технологический процесс. Процесс Ванюкова представляет собой плавку сульфидного сырья в интенсивно перемешиваемой шлако-штейновой ванне с использованием тепла окислительных реакций.В процессе Ванюкова, как и в других автогенных процессах, элементарные стадии процесса плавления совмещены. Нагрев шихты и диссоциация высших сульфидов начинается во время вертикального движения шихты к поверхности расплава и завершается в барботируемой области ванны. Образующаяся сера частично окисляется кислородом дутья по реакции 1/2 S2 O2 = SO2 (5) частично испаряется в виде элементной серы и частично окисляется над расплавом кислородом, подсасываемого воздуха.

Содержание

Введение

Часть I. Термодинамический расчет

1. Описание процесса, при котором протекает металлургическая реакция

2. Основные расчетные формулы

3. Термодинамические расчеты металлургических процессов

3.1 Приближенный расчет по методу А.Н. Крестовникова

3.2 Приближенный расчет по методу Л.П. Владимирова

3.3 Расчет LGKP методом Темкина-Шварцмана

3.4 Расчет LGKP по методу Л.П. Владимирова

3.5 Расчет ошибки методов

3.6 Построение и анализ графиков

Вывод

Часть II. Технология плавки в печи Ванюкова

1. Физико-химическая сущность процесса

1.1 Процессы плавления шихты

1.2 Процесс обеднения шлака

1.3 Разделение продуктов плавки

2. Технико-экономические показатели

3. Материальные потоки

Список литературы

Металлургическое производство включает длинную цепь процессов, в ходе которых происходит превращение одних веществ в другие. Эти процессы в основном представляют собой различные химические реакции. Одной из первой таких реакций является восстановление оксидов, содержащихся в рудах. При термической обработке сталей и сплавов и при горячей прокатке в объеме металлической матрицы образуются или распадаются различные химические соединения - карбиды, нитраты, оксиды, сульфиды и другие. Эксплуатационные свойства готового металла определяют по его химическому составу, характером взаимодействия содержащихся в нем атомов.

Как правило определяют ту или иную термодинамическую величину для стандартных условий (Т = 298°К и Робщ = 1атм.), а затем проводят пересчет на интересующие условия.

Для наших расчетов понадобятся следующие термодинамические величины: DH - энтальпия или теплосодержание, как и внутренняя энергия, характеризует энергетическое состояние вещества, но включает энергию, затрачиваемую на преодоление внешнего давления, т.е. на работу расширения.

DS - энтропия - критерий самопроизвольности протекающего процесса. Подобно внутренней энергии и энтальпии, энтропия зависит только от состояния системы. Но, в отличие от этих двух функций, связь изменения энтропии с теплотой зависит от способа проведения процесса - от его скорости. Энтропия позволяет при помощи измерений термических величин, выяснить направление процессов при условие равновесия.

DG - энергия Гиббса, называемая также изобарно-изотермическим потенциалом или свободной энергией при постоянном давлении. Отражает влияние на направление протекания процесса, как тенденции к уменьшению внутренней энергии, так и тенденции к достижению наиболее вероятного состояния системы.

DCP - теплоемкость при постоянном давлении - отношение количества теплоты, сообщаемой системе в каком-либо процессе, к соответствующему изменению температуры.

Кр - отношение произведения парциальных давлений продуктов реакции к произведению парциальных давлений исходных веществ с учетом стехиометрии. Кр дает количественную оценку равновесия. Если ее численное значение велико, равновесие реакции сдвинуто в сторону образования продуктов реакции, если оно мало, то в смеси преобладают исходные вещества.

Для эндотермических реакций с возрастанием температуры Кр увеличивается, а для экзотермических - с возрастанием температуры Кр уменьшается.

Все выше перечисленные функции имеют большое значение для металлургических процессов. Они дают возможность предсказать направление процесса, т.е. позволяют выяснить, может ли быть осуществлена та или иная реакция, и какова будет полнота ее протекания в отдельных условиях, образуется или нет, тот или иной продукт.

Основная цель - научиться самостоятельно производить расчеты термодинамических функций состояния системы различными методами, рассчитывать ошибку этих методов и делать выводы о влиянии температур или обратных температур на параметры.

1. описание процесса, при котором протекает металлургическая реакция

СОО Fe = FEO Co

В большинстве видов отечественного сырья кобальт сопутствует никелю. При плавке сульфидных медно-никелевых руд его стараются сконцентрировать в медно-никелевом файнштейне, затем в флотационном никелевом концентрате, в анодах и наконец выделяют при очистке электролита в виде кека, содержащего 4-6% Со.

Из окисленных никелевых руд кобальт стараются перевести в файнштейн, а затем в анодную массу (8-10% Со, 58-64% Ni, 20-24% S). Ее разливают в аноды и подвергают электролизу в растворе NACI (100-120 г/л) в парах с чугунными катодами. На аноде никель и кобальт вместе с примесями железа и других металлов переходят в раствор в виде двухзарядных ионов которые гидролизуются и образуют осадок основных солей-"зеленых гидратов", сера выпадает в виде элементарных частиц, на чугунных катодах выделяется водород. Осадок зеленых гидратов растворяют в серной кислоте и, отфильтровав от серы, получают растворы для дальнейшей переработки. Этот передел сложен и дорог изза высокого расхода электроэнергии (4000 КВТ-ч/т) и реагентов, однако применяется на некоторых заводах.

Из пиритных концентратов (например, 0,5% Со и 0,5% Cu, остальное в основном FES) кобальт извлекают сульфатно-хлорирующим обжигом с последующим выщелачиванием огарка водой. Обжиг проводят в кипящем слое с добавками сильвинита; химизм его подобен описанному выше. Огарок выщелачивают в перколяторах.

Известны и другие приемы извлечения кобальта, применяемые для переработки различных видов сырья в нашей и зарубежной практике. Всеми этими способами получают водные растворы, в которых кобальту сопутствуют часто, преобладающие количества примесей железа, никеля, марганца, меди и других элементов.

Никеля в растворах часто в 5-10 раз больше, чем кобальта, его также надо извлечь в виде никелевого купороса NIS04 * 7H20 или других соединений. Железо окисляют хлором и осаждают в виде основных солей, добавляя известь или соду. Этот осадок сорбирует примеси мышьяка, сурьмы и висмута. Медь цементируют порошком кобальта или никеля, а иногда также осаждают содой. Марганец удаляют, продувая раствор хлором или добавляя в него гипохлорит натрия NAOCI, по мере окисления выпадает осадок MNO2 * Н2О.

Из очищенного раствора, содержащего только кобальт и никель, кобальт осаждают хлором или гипохлоритом натрия. Попутное подобное осаждение никеля предупреждается регулированием кислотности.

Если никель все же переходит в осадок, а это наблюдается при высоком отношении Ni: Co, первичную гидроокись переосаждают тем же способом после растворения ее по реакции.

Конечную гидроокись смешивают с содой, прокаливают и промывают водой для удаления примеси серы в виде Na2SO4. После вторичного прокаливания, но уже без соды, полученная таким образом Со3O4 содержит 70-72% Со, 0,2-0,3% Ni и сотые доли процента других примесей.

Рассмотрим график зависимости Ср от температуры (рис.4). Из него видно, что с увеличением температуры Ср уменьшается, это означает, что отношение изменения энтальпии реакции к изменению температуры развивается регрессирующие - энтальпия уменьшается тем быстрее, чем выше температура.

Рассмотрим график зависимости ?H от температуры (рис. 1). Из него видно, что с увеличением температуры энтальпия уменьшается. Энтальпия во всех расчетах отрицательная, следовательно реакция проходит с выделением тепла. ?St энтропия (рис. 2) - это функция состояния термодинамической системы, а также количественная мера ее беспорядка. По графику видно что энтропия уменьшается, т.е. уменьшается беспорядочность системы. Это влияет, благоприятствует течению реакции в обратном направлении.

Из уравнения ?Gx.р= ?Нт-T?St следует, что чем выше температура, тем меньше влияние энтропии на прямое течение процесса. Это объясняется тем, что с понижением температуры основное влияние оказывает изменение энергии, т.к. величина T?St становится малой по сравнению с ?Нт.

Порядок и знак изменения энергии Гиббса позволяет качественно предвидеть положение равновесия реакции. Рассмотрим график зависимости ?G от температуры (рис.3). Из него видно, что с увеличением температуры изменение энергия Гиббса увеличивается. Несмотря на то что ?Нт уменьшается, ?G после 1700К становиться положительной, вследствие существенного влияния T?St.

Рассмотрим график зависимости LGKP от температуры (рис. 5). На всем интервале температур LGKP убывает, что свидетельствует экзотермическому течению реакции. На всем интервале температур LGKP>0 следовательно равновесие сместится в сторону образования продуктов реакции.

Рассмотрим график LGKP от 1/Т (рис. 6). На данном графике зависимости lg Kp обратной температуры кривая стремится к прямой линии, что является следствием уравнения 2,3*LGKP=(-?Ht/RT) ?St/R

Часть 2. ПЛАВКА В ПЕЧИ ВАНЮКОВА (НМЗ)