Теория металлургических процессов (стр. 13 из 13)
и самим растворителем (окисления марганца оксидом железа в шлаке
(MnO) + [Fe] = [Mn] + (FeO) =. Н = 128 кДж/мольС позиций формальной кинетики скорость первой реакции, определяемой, например, по изменению содержания кремния в металле вдали от равновесия в кинетическом режиме должна зависеть от произведения концентраций оксида марганца в шлаке и кремния в металле в некоторых степенях. В диффузионном режиме скорость реакции должна линейно зависеть от концентрации компонента, диффузия которого затруднена. Аналогичные рассуждения могут быть сделаны и в отношении второй реакции.
Константа равновесия реакции, выраженная через активности
(18.1)
является функцией только температуры.
Отношение равновесных концентраций марганца в шлаке и металле
(18.2)
называют коэффициентом распределения марганца, который, в отличие от , зависит от состава фаз и служит количественной характеристикой распределения этого элемента между шлаком и металлом.
2.6.2 Модель процесса
В имитационной модели рассмотрены три электродные полуреакции, которые могут протекать между оксидным расплавом CaO – MnO – FeO – SiO2 – Al2O3 и жидким железом, содержащим в качестве примесей Мn и Si. Сделано допущение о диффузионном режиме их протекания. Учтена заторможенность диффузии частиц Fe2+ в шлаке, кремния в металле, марганца в обеих фазах. Общая система уравнений, описывающая модель, имеет вид
(18.4)(18.5)
(18.6)
(18.7)
(18.8)
где υј – скорость электродной полуреакции, ηj – поляризация, ij – плотность предельного тока диффузии, Dj – коэффициент диффузии, β – конвективная постоянная, Cj – концентрация.
Программа имитационной модели позволяет решить систему уравнений (18.4) – (18.8), что дает возможность установить, как изменяется объемная концентрация компонентов и скорости их перехода со временем при взаимодействии металла со шлаком. Результаты расчета выводятся на дисплей. Информация, получаемая с экрана монитора, включает в себя графическое изображение изменения концентраций основных компонентов, их текущие значения, а также значения температуры и константы конвекции (рисунок 8).
Блок-схема программы имитационной модели взаимодействия металла и шлака представлена на рисунке 7. Программа работает в цикле, который прекращается только после истечения заданного времени моделирования (примерно 10 мин).
Рисунок 7 – Блок-схема программы имитационной модели
2.6.3 Порядок проведения работы
Изображение, генерируемое имитационной программой, представлено на рис 8 (правая панель). В верхней части панели приводятся выборочные числовые значения измеряемых величин, на графике отображены все значения, полученные в ходе моделирования процесса. В обозначениях компонентов металлического и шлакового расплавов использованы принятые литервтуре металлургической тематики дополнительные знаки. Квадратные скобки обозначают принадлежность компонента металлическому расплаву, а круглые – шлаковому. Множители при обозначениях компонентов используются только для построения графика, их не следует учитывать при интерпретации значений. Во время работы модели в каждый данный момент отображается только значение одной из измеряемых величин. Через 6 сек оно исчезает и появляется значение следующей величины. За этот промежуток времени надо успеть записать очередное значение. Для экономии времени рекомендуется неизменные цифры не записывать, например, ведущую единицу в значении температуры.
Рис 8. Изображение экрана монитора при выполнении работы № 18 на разных стадиях процессов.
Через четыре – пять минут после начала работы установки произведите добавку предварительно прогретого оксида марганца в шлак, что реализуется при одновременном нажатии клавиши Alt и цифровой клавиши на основной клавиатуре с номером Вашей установки. Порядок обработки результатов:
1. Ввести результаты ручной записи информации в файл электронных таблиц.
2. Вычислить скорости процессов перехода элементов через межфазную границу и логарифмы этих величин до и после добавки оксида марганца в шлак при массе металлического расплава 1400 кг.
3. Построить на отдельных листах графики зависимости температуры от времени, скорости перехода марганца от времени, логарифма скорости перехода кремения от логарифма концентрации кремния в металле.
4. Методом наименьших квадратов оценить кинетические характеристики процесса перехода кремния.
Зачетные результаты:
1. Правильно оформленные графики, перечисленные в предыдущем разделе, на отдельном листе электронных таблиц со всеми необходимыми подписями и обозначениями.
2. Значения порядка реакции окисления кремния до и после введения оксида марганца с указанием погрешностей.
3. Выводы по работе.
Контрольные вопросы
1. Почему возникает необходимость моделирования процессов производства стали?
2. Какова природа взаимодействия металла со шлаком и в чем это проявляется?
3. Какой потенциал называется стационарным?
4. Какой потенциал называется равновесным?
5. Что называется электродной поляризацией (перенапряжением)?
6. Что называется коэффициентом распределения марганца между металлом и шлаком?
7. От чего зависит константа распределения марганца между металлом и шлаком?
8. Какие факторы влияют на скорость перехода марганца из металла в шлак в диффузионном режиме?
Список литературы
1. Линчевский, Б.В. Техника металлургического эксперимента [Текст] / Б.В. Линчевский. – М.: Металлургия, 1992. – 240 с.
2. Арсентьев, П.П. Физико-химические методы исследования металлургических процессов [Текст]: учебник для вузов / П.П. Арсентьев, В.В. Яковлев, М.Г. Крашенинников, Л.А. Пронин и др. – М.: Металлургия, 1988. – 511 с.
3. Попель, С.И. Взаимодействие расплавленного металла с газом и шлаком [Текст]: учебное пособие / С.И. Попель, Ю.П. Никитин, Л.А. Бармин и др. – Свердловск: изд. УПИ им. С.М. Кирова, 1975, – 184 с.
4. Попель, С.И. Теория металлургических процессов [Текст]: учебное пособие / С.И. Попель, А.И. Сотников, В.Н. Бороненков. – М.: Металлургия, 1986. – 463 с.
5. Лепинских, Б.М. Транспортные свойства металлических и шлаковых расплавов [Текст]: Справочник / Б.М. Лепинских, А.А. Белоусов / Под. ред. Ватолина Н.А. – М.: Металлургия, 1995. – 649 с.
6. Белай, Г.Е. Организация металлургического эксперимента [Текст]: учебное пособие / Г.Е. Белай, В.В. Дембовский, О.В. Соценко. – М.: Химия, 1982. – 228 с.
7. Панфилов, А.М. Расчет термодинамических свойств при высоких температурах [Электронный ресурс] : учебно-методическое пособие для студентов металлургического и физикотехнического факультетов всех форм обучения / А.М. Панфилов, Н.С. Семенова – Екатеринбург : УГТУ-УПИ, 2009. – 33 c.
8. Панфилов, А.М. Термодинамические расчеты в электронных таблицах Excel [Электронный ресурс] : методические указания для студентов металлургического и физико-технического факультетов всех форм обучения / А.М.Панфилов, Н.С. Семенова – Екатеринбург : УГТУУПИ, 2009. – 31 с.
9. Краткий справочник физико-химических величин / Под. ред. А.А. Равделя и А.М. Пономарева. Л. : Химия, 1983. – 232 с.