Теория металлургических процессов (стр. 7 из 13)

В. Работа с данными, предварительно записанными в файл

После активации программы на экране появляется сообщение о величине эталонного сопротивления и последовательно выводится несколько значений отношения сопротивлений (r) калибровочной ячейки. После усреднения эти данные позволят найти постоянную установки.

В дальнейшем каждые несколько секунд на экране появляются значения температуры и отноше-ния сопротивлений для измерительной ячейки. Эта информация отображается на графике.

Программа автоматически завершает работу и пересылает все результаты на ПК преподавателя.

2.2.4 Обработка и представление результатов измерений

По результатам измерений следует заполнить таблицу со следующим заголовком:

Таблица 1. Температурная зависимость электропроводности расплава Na₂O · 2B₂O₃

t, °С

r

T, K

, (Ом см)–1

ln( )

1/Т 103, K–1

В таблице первые два столбца оказываются заполненными после открытия файла данных, а остальные являются вычисляемыми. По ним следует построить график зависимости ln(

) – 10³/T и с использованием метода наименьших квадратов (функция LINEST в OpenOffice.Calc) определить значение энергии активации. На графике следует привести аппроксимирующую прямую. Следует также построить график зависимости электропроводности от температуры. Порядок обработки результатов

1. Ввести записи результатов измерений в файл электронных таблиц.

2. Вычислить среднее значение отношения сопротивлений для калибровочной ячейки.

3. Вычислить постоянную установки.

4. Построить график зависимости r – t, визуально выявить и удалить выскакивающие значения. При большом их количестве применить сортировку.

5. Вычислить сопротивления измерительной ячейки, электропроводность оксидного расплава при разных температурах, логарифм электропроводности и обратную абсолютную температуру

6. Найти методом наименьших квадратов коэффициенты b₀, b₁ уравнения, аппроксимирующего зависимость логарифма электропроводности от обратной температуры, и вычислить энергию активации.

7. Построить на отдельном листе график зависимости логарифма электропроводности от обратной температуры и привести аппроксимирующую зависимость Зачетные результаты:

1. В книге электронных таблиц, представленной на проверку, на первой странице с названием «Результаты» должна быть представлена следующая информация:

a. В ячейке «А1» - исходная температура, в ячейке «В1» - единицы измерения;

b. В ячейке «А2» - конечная температура, в ячейке «В2» - единицы измерения;

c. В ячейке «А3» - энергия активации электропроводности, в ячейке «В3» - единицы измерения;

d. В ячейке «А4» - предэкспоненциальный множитель в формуле температурной зависимости электропроводности, в ячейке «В4» - единицы измерения;

e. Начиная с ячейки «А5» должны быть четко сформулированы выводы по работе.

В ячейках А1-А4 должны быть ссылки на ячейки на других листах книги электронных таблиц, на которых выполнены вычисления с получением представленного результата, а не сами числовые значения! При невыполнении этого требования программа проверки дает сообщение «Ошибка представления информации».

2. Правильно оформленный график зависимости логарифма электропроводности от обратной температуры, полученной по экспериментальным данным (точки) и аппроксимированной полиномом (линия), на отдельном листе электронных таблиц со всеми необходимыми подписями и обозначениями.

Контрольные вопросы

1. Что называют удельной электропроводностью?

2. Какие частицы обуславливают электропроводность шлаков?

3. Каков характер температурной зависимости электропроводности металлов и оксидных расплавов?

4. От чего зависит постоянная ячейки и как ее определить?

5. Почему для определения

нужно использовать переменный ток?

6. Как зависит от температуры энергия активации электропроводности?

7. Какие датчики и приборы используются в лабораторной установке. Какие физические величины они позволяют регистрировать?

8. Какие графики (в каких координатах) должны быть представлены по результатам работы?

9. Какие физико-химические величины должны быть получены после обработки первичных данных?

10. Определитесь, какие измерения проводятся перед опытом, какие величины регистрируются в ходе опыта, какие данные относятся к первичной информации, какой обработке она подвергается и какая при этом получается информация.

2.3 Исследование кинетики десульфурации металла шлаком на имитационной модели (Работа № 15)

2.3.1 Общие сведения о кинетике десульфурации металла шлаком

Примеси серы в стали, в количествах свыше 0.005 мас. %, существенно снижают ее механические, электротехнические, антикоррозийные и другие свойства, ухудшают свариваемость металла, приводят к появлению красно и хладноломкости. Поэтому процесс десульфурации стали, особенно эффективно протекающий со шлаком, имеет большое значение для качественной металлургии.

Исследование кинетических закономерностей реакции, выявления ее механизма и режима протекания необходимо для эффективного управления скоростью десульфурации, т.к. в реальных условиях металлургических агрегатов равновесное распределение серы между металлом и шлаком обычно не достигается.

В отличие от большинства других примесей в стали переход серы из металла в шлак является процессом восстановительным, а не окислительным 1. [S] +2e = (S^2–).

Это означает, что для непрерывного протекания катодного процесса, приводящего к накоплению положительных зарядов на металле, необходим одновременный переход других частиц, способный отдавать электроны в металлическую фазу. Такими сопутствующими анодными процессами могут быть окисление анионов кислорода шлака или частиц железа, углерода, марганца, кремния и других примесей металла в зависимости от состава стали.

2. (O^2–) = [O] + 2e,

3. [Fe] = (Fe²⁺) + 2e,

4. [C] + (O^2–) = CO + 2e, 5. [Mn] = (Mn²⁺) +2e.

В совокупности катодный и какой-либо один анодный процесс позволяет записать стехиометрическое уравнение реакции десульфурации в следующем виде, например:

1-2.

(CaO) + [S] = (CaS) + [O], H = -240 кДж/моль

1-3.

[Fe] + [S] +(CaO)= (FeO) + (CaS). H = -485 кДж/моль

Соответствующие выражения для констант равновесия имеют вид

(15.1)

(15.2)

Очевидно, выбранные в качестве примера процессы и подобные им могут происходить одновременно. Из соотношения (15.1) следует, что степень десульфурации металла при постоянной температуре, т.е. постоянном значении константы равновесия, увеличивается с ростом концентрации свободного иона кислорода (О^2-) в оксидном расплаве. Действительно, рост сомножителя в знаменателе должен компенсироваться убылью другого сомножителя чтобы соответствовать неизменному значению константы равновесия. Отметим, что содержание свободных ионов кислорода увеличивается при использовании высокоосновных, богатых оксидом кальция шлаков. Анализируя соотношение (15.2) можно заключить, что содержание ионов железа (Fe²⁺) в оксидном расплаве должно быть минимальным, т.е. шлаки должны содержать минимальное количество оксидов железа. Присутствие в металле раскислителей (Mn, Si, Al, C) также повышает полноту десульфурации стали за счѐт уменьшения содержания (Fe²⁺) и [O].

Реакция 1-2 сопровождается поглощением тепла (∆H>0), поэтому, по мере протекания процесса температура в металлургическом агрегате будет понижаться. Напротив, реакция 1-3 сопровождается выделением тепла (∆H<0) и, если она имеет определяющее значение, температура в агрегате будет повышаться.

При кинетическом описании десульфурации следует рассматривать следующие стадии процесса:

доставку частиц серы из объема металла к границе со шлаком, реализующуюся сначала за счет конвективной диффузии, а непосредственно вблизи границы раздела металл-шлак – молекулярной диффузии; электрохимический акт присоединения электронов к атомам серы и образование анионов S^2–; являющийся адсорбционно-химическим актом, отвод анионов серы в объем шлака, за счет молекулярной, а затем конвективной диффузии.

Аналогичные стадии характерны и для анодных этапов, с участием атомов Fe, Mn, Si или анионов O^2–. Каждая из стадий вносит свой вклад в общее сопротивление процесса десульфурации. Движущей силой потока частиц через ряд указанных сопротивлений является разность их электрохимических потенциалов в неравновесной системе металл – шлак или пропорциональная ей разность фактического и равновесного электродных потенциалов на границе раздела фаз, называемая перенапряжением.