Metallurgiliste protsesside teooria. Kokkuvõte: Metallurgiliste protsesside teooria Laboritööde kirjeldus

Kazachkov E.A. Arvutused metallurgiliste protsesside teoorial (dokument)

Goldstein N.L. Lühikursus metallurgiliste protsesside teooriast (dokument)

Dildin A.N., Sokolova E.V. Metallurgiliste protsesside teooria (dokument)

Krivandin V.A. Filimonov Yu.P. Metallurgiliste ahjude projekteerimise teooria ja arvutused 1. köide (dokument)

Dudnikov I.A. Metallurgiliste protsesside teooria alused (dokument)

Šaroglazov B.A., Farafontov M.F., Klementjev V.V. ICE: tööprotsesside teooria, modelleerimine ja arvutamine (dokument)

Lukanin V.N., Morozov K.A., Khachiyan A.S. jne Tööprotsesside teooria (dokument)

Glinkov G.M., Makovsky V.A. Mustmetallurgia protsessijuhtimissüsteem (dokument)

Gikhman I.I., Skorokhod A.V. Sissejuhatus juhuslike protsesside teooriasse (dokument)

Konovalov A.V., Nerovny V.M., Kurkin A.S., Keevitusprotsesside teooria. Õpik ülikoolidele (dokument)

n1.doc

Föderaalne osariigi kutsealase kõrghariduse õppeasutus

SIBERI ÜLIKOOLI FÖDERAL

VÄRVILISTE METALLIDE INSTITUUT

JA MATERJALITEADUS

METALURGILISTE PROTSESSIDE TEOORIA

LOENGU KONTROLL ERIALA ÕPILASELE

FÜÜSIKAINSENER

KRASNOYARSK 2008

UDK 669.541

BBK 24,5

Ülevaataja
Õppevahendina heaks kiidetud
I.I.Kopach
K 55 Metallurgiliste protsesside teooria:Õpik Käsiraamat erialale “Füüsiline insener”/SFU. Krasnojarsk, 2008. – 46 lk.

ISBN 5-8150-0043-4
Käsiraamatus kirjeldatakse metallurgia tootmise peamiste protsesside teoreetilised põhimõtted, nagu dissotsiatsioon, redoksprotsessid, keemilised ja füüsikalised rafineerimismeetodid, metallurgilised räbud ja sulfiidmetallurgia.
Siberi föderaalülikool, 2008

SISSEJUHATUS

KEEMILISTE ÜHENDITE DISSOTSSEERIMINE
GAASIFAASI KOOSTIS JA OMADUSED KÕRGETEL TEMPERATUURIDEL.
OKSIDEERIMISPROTSESSID.
1. Redutseerimine vesinikuga
2. Redutseerimine tahke süsinikuga
3. Vähendamine CO gaasiga
4. Metalli reduktsioon

4. METALLIDE RAFINEERIMINE

4.1. Pürometallurgilised rafineerimismeetodid

4.2. Füüsikalised rafineerimismeetodid

Advokaaditöö
Kristallisatsioon
Vaakumrafineerimine

5. SULFIIDMATERJALIDE TÖÖTLEMINE.

Eraldussula.
Mattide teisendamine.

6. METALURGILINE RÄKU.

Räbu sulatuste struktuur

SISSEJUHATUS

Metallurgiliste protsesside teooria on füüsikaline keemia, mis kirjeldab keemiliselt reageerivate süsteemide käitumist kõrgetel temperatuuridel, vahemikus 800–2500 K ja rohkem.

Inimkonna kiirenenud areng algas pärast seda, kui inimesed õppisid metalle kasutama. Riigi arengutaseme määrab endiselt suuresti metallurgia-, keemia- ja mäetööstuse arengutase. Praeguseks on ekstensiivse arendamise võimalused praktiliselt ammendatud ja esikohale on kerkinud kõigi tootmisharude, sealhulgas metallurgia intensiivse arendamise küsimus. Viimaseid aastakümneid iseloomustavad kvalitatiivselt uued lähenemisviisid kõikidele tootmisprotsessidele:

energia ja ressursside säästmine,
tooraine ja tööstusjäätmete sügavtöötlemine,
uusimate teadussaavutuste kasutamine tootmises,
mikro- ja nanotehnoloogiate kasutamine,
tootmisprotsesside automatiseerimine ja arvutistamine,
kahjulike keskkonnamõjude minimeerimine.

Loetletud (ja paljud teised) nõuded seavad kõrged nõudmised kaasaegse inseneri põhi- ja eriväljaõppe tasemele.

Kavandatav metallurgiaprotsesside teooria õpik on katse esitada distsipliini esimesel, kõige madalamal keerukusastmel, s.o. ilma matemaatilise tõestuseta, lähteseisukohtade minimaalse põhjendamise ja saadud tulemuste analüüsiga. Käsiraamat koosneb 6 peatükist, mis hõlmavad peaaegu kogu protsessi metallide saamiseks maakidest ja kontsentraatidest.

Meenutagem esmalt kooli keemiakursusest tuntud malmi sulatamist kõrgahjus rauamaagist või rauamaagi kontsentraatidest. Kõrgahjus on kolm faasi:

gaasifaas, mis koosneb gaasidest CO, CO 2, metalliaurudest ja oksiididest,
räbu faas, mis koosneb sulanud oksiididest CaO, SiO 2, Al 2 O 3, FeO, MnO jne.
metallifaas, mis koosneb vedelast rauast ja selles lahustunud lisanditest, nagu süsinik, mangaan, räni, fosfor, väävel jne.

Kõik kolm faasi interakteeruvad üksteisega keemiliselt ja füüsikaliselt. Raudoksiid redutseeritakse räbufaasis ja läheb üle metallifaasi. Räbufaasis lahustunud hapnik läheb metallfaasi ja oksüdeerib selles olevad lisandid. Oksiidide tilgad hõljuvad metallifaasis ja metallitilgad settivad räbu faasis. Komponentide üleminek ühest faasist teise on seotud nende üleminekuga üle faasipiiride, seetõttu töötab metallurgi insener mitmekomponentsete, heterogeensete, keemiliselt reageerivate süsteemidega.

Praegu toodab metallurgia umbes 70 metalli, mis tavaliselt jagunevad värvilisteks ja mustadeks. Viimaste hulgas on ainult 4 metalli: raud, mangaan, vanaadium ja kroom. Värviliste metallide rühm on arvukam, seetõttu jaguneb see järgmisteks alarühmadeks.

Rasked: vask, plii, tsink, nikkel, tina, elavhõbe, kokku 18 elementi.
Kergmetallid: alumiinium, magneesium, titaan, räni, leelis- ja leelismuldmetallid, kokku 12 elementi.
Noble: kuld, hõbe, plaatina jne Kokku on 8 elementi, mis on oma nime saanud hapnikuafiinsuse puudumise tõttu, seetõttu on nad looduses vabas (oksüdeerimata) olekus.
Haruldased metallid: tulekindlad - 5 elementi, haruldased muldmetallid - 16 elementi ja radioaktiivsed - 16 elementi.

Tootmismeetodi järgi jagunevad metallide saamise protsessid kolme rühma:

pürometallurgiline,

hüdrometallurgilised ja

elektrometallurgilised protsessid.

Esimesed neist esinevad temperatuuridel 1000–2500 K, samas kui komponendid on sulas ja lahustunud olekus.

Viimased esinevad vesilahuses, harvemini orgaanilistes lahustites, temperatuuril 300–600 K. Paljud hüdrometallurgilised protsessid toimuvad ka kõrgendatud rõhul, s.o. autoklaavides.

Elektrometallurgilised protsessid toimuvad elektroodidel nii vesilahustes kui ka soolasulamites erinevatel temperatuuridel. Näiteks alumiiniumoksiidi elektrolüüs krüoliit-alumiiniumoksiidi sulatis toimub temperatuuril 1230 K ja plaatina elektrolüüs veepõhisest elektrolüüdist temperatuuril 330 K.

Paljude metallide tootmise tooraineks on ennekõike oksüdeeritud maagid, millest saadakse alumiiniumi, rauda, kroomi, mangaani, titaani ning osaliselt vaske, niklit ja pliid. Vähem levinud sulfiidmaagid toodavad metalle nagu vask, plii, nikkel, koobalt ja väärismetallid. Magneesiumi, kaltsiumi ja leelismetalle saadakse kloriidmaakidest (merede ja järvede vetest).

Metallurgia tootmisel on kahjulik mõju keskkonnale, nimelt:

reaktsioonigaaside, nagu CO, SO 2, SO 3, Cl, CS 2 ja paljude teiste gaaside heitkogused,
erineva suuruse ja koostisega pulbrilised ja vedelad osakesed,
suurtes kogustes veekogusid reostava tööstusvee, sealhulgas joogiveevarude ärajuhtimine.
suur üleliigse, väheväärtusliku energia väljavool, mida saab kasutada kasvuhoonete kütmiseks jne.

Need tegurid avaldavad negatiivset mõju. Eelkõige ettevõtete töötajatele, aga ka lähilinnadesse. Seetõttu on inseneri üks olulisemaid ülesandeid korraldada ja planeerida tootmist nii, et kahjulikud keskkonnamõjud oleksid minimaalsed. Keskkonnaprobleemid peaksid olema esikohal mitte ainult sotsiaalses tootmises, vaid ka iga inimese isiklikus enesepiirangus isiklikust transpordist täieliku või osalise loobumise, energiaressursside liigse tarbimise jms näol.

Ligikaudne hinnang näitab, et ühistranspordis tööle sõitev inimene kulutab ligikaudu suurusjärgu võrra vähem kütust ja hapnikku, võrreldes mugavussõpradega, kes sõidavad üksi mitmeliitrise mootori töömahuga autos. Inimkonna kui mõtleva kogukonna tulevik on kaupade, teenuste ja lõpuks ka energiaressursside tarbimise vallas teadliku enesepiiramise teel.

Otsingutulemuste kitsendamiseks saate oma päringut täpsustada, määrates otsitavad väljad. Väljade loend on esitatud ülal. Näiteks:

Saate korraga otsida mitmelt väljalt:

Loogilised operaatorid

Vaikeoperaator on JA.
Operaator JA tähendab, et dokument peab ühtima kõigi rühma elementidega:

teadusarendus

Operaator VÕI tähendab, et dokument peab vastama ühele rühmas olevatest väärtustest:

Uuring VÕI arengut

Operaator MITTE välistab seda elementi sisaldavad dokumendid:

Uuring MITTE arengut

Otsingu tüüp

Päringu kirjutamisel saate määrata meetodi, mille abil fraasi otsitakse. Toetatud on neli meetodit: otsing morfoloogiat arvesse võttes, ilma morfoloogiata, eesliidete otsing, fraaside otsing.
Vaikimisi tehakse otsing morfoloogiat arvesse võttes.
Ilma morfoloogiata otsimiseks pange fraasis olevate sõnade ette "dollari" märk:

$ Uuring $ arengut

Prefiksi otsimiseks peate päringu järele lisama tärni:

Uuring *

Fraasi otsimiseks peate lisama päringu jutumärkidesse:

" teadus-ja arendustegevus "

Otsi sünonüümide järgi

Sõna sünonüümide lisamiseks otsingutulemustesse peate lisama räsi " # " enne sõna või sulgudes olevat väljendit.
Ühele sõnale rakendades leitakse sellele kuni kolm sünonüümi.
Sulgudes olevale avaldisele rakendades lisatakse igale sõnale sünonüüm, kui see leitakse.
Ei ühildu morfoloogiavaba otsinguga, eesliiteotsinguga ega fraasiotsinguga.

# Uuring

Rühmitamine

Otsingufraaside rühmitamiseks peate kasutama sulgusid. See võimaldab teil kontrollida päringu Boole'i loogikat.
Näiteks peate esitama taotluse: otsige üles dokumendid, mille autor on Ivanov või Petrov ja pealkiri sisaldab sõnu uurimine või arendus:

Ligikaudne sõnaotsing

Ligikaudseks otsinguks peate panema tilde " ~ " fraasist pärit sõna lõpus. Näiteks:

broomi ~

Otsides leitakse sõnu nagu "broom", "rumm", "tööstuslik" jne.
Lisaks saate määrata maksimaalse võimalike muudatuste arvu: 0, 1 või 2. Näiteks:

broomi ~1

Vaikimisi on lubatud 2 muudatust.

Läheduse kriteerium

Läheduskriteeriumi järgi otsimiseks peate panema tilde " ~ " fraasi lõpus. Näiteks dokumentide leidmiseks sõnadega teadus- ja arendustegevus kahe sõna piires kasutage järgmist päringut:

" teadusarendus "~2

Väljendite asjakohasus

Üksikute väljendite asjakohasuse muutmiseks otsingus kasutage märki " ^ " väljendi lõpus, millele järgneb selle väljendi asjakohasuse tase teiste suhtes.
Mida kõrgem on tase, seda asjakohasem on väljend.
Näiteks selles väljendis on sõna "uuringud" neli korda asjakohasem kui sõna "arendus":

Uuring ^4 arengut

Vaikimisi on tase 1. Kehtivad väärtused on positiivne reaalarv.

Otsige intervalli jooksul

Intervalli näitamiseks, milles välja väärtus peaks asuma, peaksite märkima sulgudes olevad piiriväärtused, eraldades need operaatoriga TO.
Teostatakse leksikograafiline sorteerimine.

Selline päring tagastab tulemused, mille autor algab Ivanovist ja lõpeb Petroviga, kuid Ivanovit ja Petrovit tulemusse ei kaasata.
Väärtuse lisamiseks vahemikku kasutage nurksulge. Väärtuse välistamiseks kasutage lokkis sulgusid.

Föderaalne Haridusagentuur

Riiklik kutsekõrgkool "Uurali Riiklik Tehnikaülikool - UPI"

OLEN. Panfilov

Hariduslik elektrooniline tekstiväljaanne

Koostanud "Metallurgiliste protsesside teooria" osakond

Teaduslik toimetaja: prof., doktor. chem. Teadus M.A. Spiridonov

Laboratoorsete tööde juhend erialadel “Metallurgiliste süsteemide ja protsesside füüsikalis-keemia”, “Metallurgiliste protsesside teooria” kõikidele metallurgia erialade koolitusvormidele.

TMP osakonna töökojas “Metallurgiliste protsesside teooria” (eripublik) töö korraldamise reeglid on reguleeritud.

Mt-431 nime saanud. O.A. Esina). Kirjeldatakse laboritööde tegemise metoodikat ja korda, antakse nõuded laboritööde aruannete sisule ja vormistamisele vastavalt kehtivatele GOST-idele ning soovitused nende rakendamiseks.

Jekaterinburg

Sissejuhatus ................................................... ...................................................... .............................................................. ...................... 4

1 Töö korraldamine metallurgiaprotsesside teooria laboratoorses töökojas................... 4

1.1 Ettevalmistus laboritöödeks................................................ ...................................................... .............. .. 5 1.2 Soovitused mõõtmistulemuste töötlemiseks ja aruandluseks........................ ........ 5

1.3.1 Graafikute koostamine................................................ ...................................................... .............................. 5

1.3.2 Katseandmete silumine................................................ ...................................................... 7

1.3.5 Diskreetsete punktide hulgaga määratletud funktsiooni numbriline diferentseerimine................................ 8

teatud andmekogumi ligikaudne määramine................................................ ...................................................... 9

1.3.7 Tulemuste esitamine................................................ ...................................................... .............................. 10

2 Laboritöö kirjeldus................................................ .............................................................. ........................... ............. üksteist

2.1 Raua kõrgtemperatuurse oksüdatsiooni kineetika uurimine (töö nr 13) ........................... 12

2.1.1 Raua oksüdatsiooni üldised mustrid................................................ ...................................................... 12 2.1.2 Paigalduse kirjeldus ja katsete läbiviimise kord...................................... .......................... ..... 14

2.1.3 Mõõtmistulemuste töötlemine ja esitamine................................................ ...................................... 15

Kontrollküsimused................................................ ................................................... .............................. 17

2.2 Oksiidsulamite elektrijuhtivuse temperatuurisõltuvuse uurimine

(Töö nr 14) ................................................ ...................................................... .............................................................. ..... 19

2.2.1 Üldteave räbu elektrijuhtivuse olemuse kohta................................................ ............... 19

2.2.2 Paigaldus- ja mõõtmisprotseduuri kirjeldus................................................ ............................................ 21

2.2.3 Töökäsk........................................................ ...................................................... ............... 23

2.2.4 Mõõtmistulemuste töötlemine ja esitamine................................................ ...................................... 24

Kontrollküsimused................................................ ................................................... .............................. 25

2.3 Metallide väävlitustamise kineetika uurimine räbu abil simulatsioonimudelil (töö nr.

15) ............................................................................................................................................................ 26

2.3.1 Üldteave metallide väävlitustamise kineetika kohta räbuga................................................ ...................... 26

2.3.2 Protsessi matemaatiline mudel................................................ ...................................................... ...... 29

2.3.3 Tööprotseduur................................................. ............................................................ ..................... ...... kolmkümmend

2.3.4 Mõõtmistulemuste töötlemine ja esitamine................................................ ...................................... 31

Kontrollküsimused................................................ ................................................... .............................. 32

2.4 Looduslike karbonaatide dissotsiatsiooniprotsesside termograafiline uuring (Töö nr 16) 33

2.4.1 Karbonaatide dissotsiatsiooni üldised mustrid................................................... ...................................... 33

2.4.2 Paigaldusskeem ja tööprotseduur................................................ .............................................. 39

2.4.3 Mõõtmistulemuste töötlemine ja esitamine................................................ ...................................... 39

Kontrollküsimused................................................ ................................................... .............................. 41

2.5 Oksiidsulamite viskoossuse temperatuurisõltuvuse uuring (Töö nr 17) .................. 42

2.5.1 Oksiidsulamite viskoossuse vastupidavuse olemus............................................ ............................ 42

2.5.2 Paigalduse kirjeldus ja viskoossuse mõõtmise protseduur................................................ .............................. 43

2.5.3 Tööprotseduur................................................. ............................................................ .............................. 45

2.5.4 Mõõtmistulemuste töötlemine ja esitamine................................................ ...................................... 45 Testi küsimused................. ................................................................ .......................................................... ................. 46

2.6 Mangaani redutseerimine oksiidisulamist teraseks (töö nr 18)

2.6.1 Metalli ja räbu vahelise elektrokeemilise interaktsiooni üldpõhimõtted................................................ 47

2.6.2 Protsessi mudel................................................ ...................................................... .......................................... 49

2.6.3 Tööprotseduur................................................. ............................................................ .............................. 50

Kontrollküsimused................................................ ................................................... ...................................... 52 Kasutatud kirjandus.... .............................................................. .............................................................. .................................. 53

STP USTU-UPI 1-96	Ettevõtte standard. Diplomi- ja kursuseprojektide (tööde) koostamise üldnõuded ja reeglid.
GOST R 1,5-2002	GSS. Standardid. Üldnõuded ehitusele, esitlusele, kujundusele, sisule ja tähistusele.
GOST 2.105-95	ESKD. Üldnõuded tekstidokumentidele.
GOST 2.106-96	ESKD. Tekstidokumendid.
GOST 6.30 2003	USD. Organisatsiooni- ja haldusdokumentatsiooni ühtne süsteem. Nõuded dokumentidele.
GOST 7.32-2001	SIBID. Uurimisaruanne.
GOST 7.54-88	SIBID. Ainete ja materjalide omaduste arvandmete esitamine teadus- ja tehnikadokumentides. Üldnõuded.
GOST 8.417-2002	GSOEI. Koguste ühikud

Tähistused ja lühendid

	Endise NSV Liidu osariigi standard või riikidevaheline standard (praegu).
	Vene Föderatsiooni standardimis- ja metroloogiakomitee (Venemaa Gosstandart) või Vene Föderatsiooni eluaseme- ja ehituspoliitika riikliku komitee (Venemaa Gosstroy) vastu võetud standard.
	Riiklik standardimissüsteem.
	Riiklik süsteem mõõtmiste ühtsuse tagamiseks.
	Infotehnoloogia
	Vähima ruudu meetod
	Personaalarvuti
	Ettevõtte standard
	Metallurgiliste protsesside teooria

Sissejuhatus

Laboratoorsete tööde tegemine metall-räbu süsteemi omaduste ja metallurgiasõlmedes toimuvate protsesside uurimiseks võimaldab paremini mõista füüsikalis-keemilise analüüsimeetodi võimalusi ning omandada oskusi selle praktilises rakendamises. Lisaks tutvub üliõpilane üksikute füüsikalis-keemiliste omaduste ja metallurgiliste protsesside eksperimentaal- ja mudeluuringute mõningate meetodite rakendamisega üldiselt, omandab eksperimentaalse informatsiooni töötlemise, analüüsimise ja esitamise oskused.

1 Töö korraldamine metallurgiaprotsesside teooria laboratoorses töökojas

Metallurgiaprotsesside teooria laboratoorses töötoas on peamine eksperimentaalse teabe arvuti kogumine. See määrab kindlaks mitmed töökorralduse tunnused:

Iga õpilane saab individuaalse ülesande, täidab kogu katse või selle teatud osa ja töötleb saadud teavet. Töö tulemus sisaldab uuritava nähtuse saadud arvulisi karakteristikuid ja nende määramise vigu, tuvastatud tunnuseid illustreerivaid graafikuid ning kogu teabekogumi põhjal tehtud järeldusi. Õpilaste aruannetes antud töö kvantitatiivsete tulemuste lahknevus kontrollhinnetega võrreldes ei tohiks ületada 5%.

Peamine tulemuste vormistamise võimalus on katseandmete töötlemine, graafikute koostamine ja järelduste vormistamine Microsoft.Exceli või OpenOffice.Calc tabelites.

Õpetaja loal on ajutiselt võimalik esitada käsitsi kirjutatud aruanne koos vajalike illustratsioonide ja millimeetripaberile tehtud graafikutega.

Aruanne tehtud laboritööde kohta esitatakse laboritöötuba läbiviivale õpetajale hiljemalt järgmisele laboritööle eelneval tööpäeval. Edastamise järjekorra (e-posti teel, vaheajal igale parajasti tunde juhtivale õpetajale või laborandile) määrab õpetaja.

Üliõpilased, kes ei ole õigeaegselt esitanud aruannet varasemate tööde kohta ja ei ole läbinud kollokviumi (testi), ei tohi osaleda järgmisel laboritööl.

Laboratoorseid töid lubatakse teha ainult õpilastel, kes on läbinud laboritöökojas ohutute töömeetmete tutvustamise ning allkirjastanud juhendi arvestuslehe.

Tööd kütte- ja mõõteelektriliste instrumentidega, keemiliste klaasnõude ja reaktiividega toimub laboris vastavalt ohutusjuhistele.

Pärast töö tegemist teeb õpilane töökoha korda ja annab selle üle laborandile.

1.1 Ettevalmistus laboritöödeks

Peamisteks allikateks tunniks valmistumisel on käesolev käsiraamat, õppejõu poolt soovitatud õpikud ja õppevahendid ning loengukonspektid.

Laboratoorseteks töödeks valmistudes peab õpilane õppetunnile eelneva nädala jooksul läbi lugema ja mõistma uuritava nähtusega seotud materjali, mõistma paigaldus- ja mõõtmismeetodite ülesehitust ning töötlema tulemusi juhendis toodud diagrammide abil. Raskuste ilmnemisel on vajalik kasutada soovitatud kirjandust ning konsultatsioone õppejõu ja laboritunde läbi viivate õpetajatega.

Õpilase valmisolekut töö tegemiseks kontrollib õpetaja iga õpilasega individuaalselt küsitledes või arvutitestimise teel. Ebapiisavalt ettevalmistatud õpilasel on kohustus tutvuda tunni jooksul antud tööga seotud materjaliga ning töö eksperimentaalne osa sooritada lisatunnis pärast kordustestimist. Korduvate tundide toimumise aeg ja kord on reguleeritud erigraafikuga.

1.2 Soovitused mõõtmistulemuste töötlemiseks ja aruandluseks

Vastavalt standardile GOST 7.54-88 tuleb eksperimentaalsed arvandmed esitada pealkirjastatud tabelite kujul. Iga labori jaoks on esitatud näidistabelid.

Mõõtmistulemuste töötlemisel on vaja kasutada statistilist töötlust: rakendada katseandmete silumist, sõltuvusparameetrite hindamisel kasutada vähimruutude meetodit jne. ja kindlasti hinnata saadud väärtuste viga. Sellise töötlemise teostamiseks on tabelites ette nähtud spetsiaalsed statistilised funktsioonid. Vajalik funktsioonide komplekt on olemas ka teaduslikeks (inseneri)arvutusteks mõeldud kalkulaatorites.

1.3.1 Graafiku tegemine

Katsete tegemisel registreeritakse reeglina samaaegselt mitme parameetri väärtused. Analüüsides nende suhet, saame teha järeldusi vaadeldava nähtuse kohta. Arvandmete visuaalne esitus muudab nende seoste analüüsimise äärmiselt lihtsaks – seetõttu on graafiku koostamine teabega töötamisel nii oluline samm. Pange tähele, et fikseeritud parameetrite hulgas on alati vähemalt üks sõltumatu muutuja - väärtus, mille väärtus muutub iseenesest (aeg) või mille määrab katsetaja. Ülejäänud parameetrid määratakse sõltumatute muutujate väärtustega. Graafiku koostamisel peaksite järgima mõnda reeglit:

Sõltumatu muutuja väärtus kantakse piki x-telge (horisontaaltelg) ja funktsiooni väärtus piki ordinaattelge (vertikaalne telg).

Skaalad piki telge tuleks valida nii, et graafiku ala oleks võimalikult informatiivselt kasutatud – et jääks vähem tühje alasid, kus puuduvad katsepunktid ja funktsionaalsete sõltuvuste jooned. Selle nõude täitmiseks on sageli vaja määrata koordinaattelje alguspunktis nullist erinev väärtus. Sel juhul tuleb kõik katsetulemused esitada graafikul.

Väärtused piki telge peaksid reeglina olema mõne täisarvu (1, 2, 4, 5) kordsed ja olema ühtlaselt paigutatud. On rangelt vastuvõetamatu näidata konkreetsete mõõtmiste tulemusi telgedel. Valitud skaalaühikud ei tohiks olla liiga väikesed ega liiga suured (ei tohi sisaldada mitut ees- ega lõppnulli). Selle nõude tagamiseks tuleks kasutada mastaabitegurit kujul 10 X, mis sisaldub telje tähistuses.

Funktsionaalse sõltuvuse joon peab olema kas sirge või sile kõver. Katkendjoonega katsepunkte on lubatud ühendada ainult eelanalüüsi etapis.

Arvutustabelite abil graafikute koostamisel täidetakse paljud neist nõuetest automaatselt, kuid tavaliselt mitte kõik ja mitte täies mahus, seega peate peaaegu alati tekkivat esitust kohandama.

Arvutustabelitel on eriteenus - diagrammiviisard (Peamenüü: Lisa diagramm). Lihtsaim viis sellele juurde pääseda on kõigepealt valida lahtrite ala, mis sisaldab nii argumenti kui ka funktsiooni (mitu funktsiooni), ja aktiveerida hiirega standardpaneelil nupp „Chart Wizard”.

Nii saate ajakava malli, millega tuleb veel tööd teha, kuna paljude vaikegraafikuparameetrite automaatne valimine ei taga suure tõenäosusega kõigi nõuete täitmist.

Esmalt kontrollige telgedel olevate numbrite suurust ja telgede siltide tähti ja legendis funktsioonisilte. Soovitav on, et fondi suurus oleks kõikjal sama, mitte vähem kui 10 ja mitte rohkem kui 14 punkti, kuid iga kirje väärtuse peate määrama eraldi. Selleks vii kursor huvipakkuva objekti (telg, silt, legend) kohale ja vajuta hiire paremat nuppu. Ilmuvas kontekstimenüüs valige "Format (element)" ja uues menüüs "Font" sildiga paberil valige soovitud väärtus. Telje vormindamisel peaksite lisaks vaatama ja võimalusel muutma väärtusi paberilehtedel, millel on sildid "Skaala" ja "Arv". Kui te ei saa aru, milliseid muudatusi pakutud valik kaasa toob, ärge kartke proovida ühtegi võimalust, sest saate alati keelduda tehtud muudatustest, vajutades klahve Ctrl + Z või valides põhimenüü üksuse "Redigeeri" - Tühista või klõpsates standardsel tööriistaribal nuppu "Tühista".

Kui punkte on palju ja hajuvus on väike ja joon tundub üsna sile, saab punkte ühendada joontega. Selleks liigutage kursor graafiku mis tahes punkti kohale ja vajutage hiire paremat nuppu. Ilmuvas kontekstimenüüs valige "Andmeseeria vorming". Uues aknas “View” sildiga paberil tuleks valida sobiv värv ja joone paksus ning samal ajal kontrollida täppide värvi, suurust ja kuju. Täpselt nii konstrueeritakse eksperimentaalsetele andmetele ligikaudsed seosed. Kui lähendamine toimub sirgjoonega, siis piisab kahest punktist argumendi variatsioonivahemiku servadel. Tabelitesse sisseehitatud suvandit “sujuv kõver” ei ole soovitatav kasutada, kuna silumisparameetreid ei saa reguleerida.

1.3.2 Katseandmete silumine

Kõrgtemperatuurilistel katseseadmetel saadud katseandmeid iseloomustab suur juhuslik mõõtmisviga. Selle määravad peamiselt võimsa kütteseadme tööst tulenevad elektromagnetilised häired. Tulemuste statistiline töötlemine võib oluliselt vähendada juhuslikku viga. On teada, et normaalseaduse järgi jaotatud juhusliku suuruse korral on aritmeetilise keskmise viga, mis on määratud N väärtused, sisse N½ korda väiksem kui ühe mõõtmise viga. Suure arvu mõõtmiste korral, kui on vastuvõetav eeldada, et andmete juhuslik hajumine väikeses segmendis ületab oluliselt väärtuse loomulikku muutust, on tõhus silumistehnika määrata mõõdetud väärtuse järgmisele väärtusele aritmeetiline keskmine. arvutatakse mitmest väärtusest selle ümber asuvas sümmeetrilises intervallis. Matemaatiliselt väljendatakse seda valemiga:

(1.1)

ja seda on väga lihtne arvutustabelites rakendada. Siin y i on mõõtmistulemus ja Y i – selle asemel kasutatav silutud väärtus.

Digitaalsete infohõivesüsteemide abil saadud katseandmeid iseloomustab juhuslik viga, mille jaotus erineb oluliselt tavaseadusest. Sel juhul võib olla efektiivsem kasutada aritmeetilise keskmise asemel mediaani. Sel juhul määratakse intervalli keskel olevale mõõdetud väärtusele selle mõõdetud väärtuse väärtus, mis osutus aritmeetilisele keskmisele kõige lähedasemaks. Näib, et väike erinevus algoritmis võib tulemust väga oluliselt muuta. Näiteks mediaanhinnangu valikus võivad mõned katsetulemused osutuda üldse kasutuskõlbmatuteks, tõenäoliselt need, mis on tõesti

"avavad" väärtused eriti suure veaga.

1.3.5 Diskreetsete punktide hulgaga määratletud funktsiooni numbriline eristamine

Eksperimentaalsete punktide töötlemisel tekib sellise toimingu vajadus üsna sageli. Näiteks eristades kontsentratsiooni sõltuvust ajast, leitakse protsessi kiiruse sõltuvus ajast ja reaktiivi kontsentratsioonist, mis omakorda võimaldab hinnata reaktsiooni järjekorda. Funktsiooni numbrilise diferentseerimise toiming, mis on määratud selle väärtuste komplektiga ( y) mis vastab vastavale argumendi väärtuste komplektile ( x), põhineb funktsiooni diferentsiaali ligikaudsel asendamisel selle lõpliku muutuse ja argumendi lõpliku muutuse suhtega:

(1.2)

Numbriline diferentseerimine on tundlik vigade suhtes, mis on põhjustatud algandmete ebatäpsusest, seeriaterminite kõrvalejätmisest jne, ning seetõttu tuleb seda teha ettevaatlikult. Tuletise () hindamise täpsuse suurendamiseks püüavad nad esmalt siluda katseandmeid vähemalt väikese segmendi kohta ja alles seejärel diferentseerida. Selle tulemusena saadakse kõige lihtsamal juhul võrdsel kaugusel asuvate sõlmede jaoks (argumendi väärtused erinevad üksteisest sama summa x võrra) järgmised valemid: tuletise jaoks esimeses ( X 1) punkt:

tuletise jaoks kõigis teistes punktides ( x), välja arvatud viimane:

tuletise jaoks viimases ( x) punkt:

Kui katseandmeid on üsna palju ja mitu äärmuslikku punkti on lubatud tähelepanuta jätta, võite kasutada tugevamaid silumisvalemeid, näiteks 5 punkti jaoks:

või 7 punkti võrra:

Sõlmede ebaühtlase paigutuse korral piirdume vormis muudetud valemi (1.3) kasutamise soovitamisega

(1.8)

ja ärge arvutage tuletist algus- ja lõpp-punktis.

Seega tuleb numbrilise eristamise rakendamiseks paigutada vaba veeru lahtritesse sobivad valemid. Näiteks ebavõrdse vahega argumentide väärtused paigutatakse lahtritesse 2 kuni 25 veergu "A" ja funktsiooni väärtused vastavates lahtrites veergu "B". Tuletisväärtused tuleb paigutada veergu “C”. Seejärel sisestage lahtrisse "C3" valem (5) järgmisel kujul:

= (B4 – B2)/(A4 – A2)

ja kopeerige (venitage) kõikidesse lahtritesse vahemikus C4:C24.

1.3.6 polünoomkoefitsientide määramine vähimruutude meetodil,

ligikaudne mingi andmekogum

Numbrilise teabe graafilisel esitamisel tekib sageli vajadus tõmmata mööda katsepunkte joon, mis paljastab saadud sõltuvuse tunnused. Seda tehakse teabe paremaks tajumiseks ja mõõtmisvea tõttu hajuvate andmete edasise analüüsi hõlbustamiseks. Sageli on uuritava nähtuse teoreetilise analüüsi põhjal ette teada, mis kujul see rida olema peaks. Näiteks on teada, et sõltuvus keemilise protsessi kiirusest ( v) temperatuuril peab olema eksponentsiaalne ja astendaja tähistab pöördtemperatuuri absoluutskaalal:

See tähendab, et graafikul on ln koordinaadid v– 1/T peaks andma sirge,

mille nurgakoefitsient iseloomustab aktiveerimisenergiat ( E) protsessi. Läbi katsepunktide saab reeglina tõmmata mitu erineva kaldega sirget. Teatud mõttes on parim neist sirgjoon, mille koefitsiendid määratakse vähimruutude meetodil.

Üldjuhul kasutatakse sõltuvust ligikaudsete koefitsientide leidmiseks vähimruutude meetodit y (x 1 , x 2 ,…x n) vormi polünoom

Kus b Ja m 1 …m n on konstantsed koefitsiendid ja x 1 …x n– sõltumatute argumentide kogum. See tähendab, et üldiselt kasutatakse meetodit mitme muutuja funktsiooni lähendamiseks, kuid see on kasutatav ka ühe muutuja keeruka funktsiooni kirjeldamiseks. x. Sel juhul peetakse seda tavaliselt

ja lähendaval polünoomil on vorm

Lähendava polünoomi astme valimisel n pidage meeles, et see peab olema väiksem kui mõõdetud väärtuste arv x Ja y. Peaaegu kõigil juhtudel ei tohiks see olla suurem kui 4, harva 5.

See meetod on nii oluline, et Exceli tabelitel on vajalike koefitsientide väärtuste saamiseks vähemalt neli võimalust. Soovitame kasutada funktsiooni LINEST(), kui töötate Microsoft Office'is Exceli arvutustabelitega, või funktsiooni LINEST() OpenOffice'i Calci arvutustabelites. Need on esitatud statistiliste funktsioonide loendis, kuuluvad nn maatriksfunktsioonide klassi ja omavad sellega seoses mitmeid rakendusfunktsioone. Esiteks sisestatakse see mitte ühte lahtrisse, vaid kohe lahtrivahemikku (ristkülikukujuline ala), kuna funktsioon tagastab mitu väärtust. Pindala horisontaalse suuruse määrab ligikaudse polünoomi koefitsientide arv (vaatlusaluses näites on neid kaks: ln v 0 ja E/R) ning vertikaalselt saab eraldada ühest kuni viie reale, olenevalt sellest, kui palju statistilist teavet teie analüüsi jaoks vaja on.

1.3.7 Tulemuste esitamine

Arvandmete esitamisel peab teaduslik-tehniline dokument andma hinnangu nende usaldusväärsusele ning välja tooma juhuslikud ja süstemaatilised vead. Antud andmevead tuleb esitada vastavalt standardile GOST 8.207–76.

Vaatlustulemuste rühma statistilisel töötlemisel tuleks läbi viia järgmised toimingud: kõrvaldada vaatlustulemustest teadaolevad süstemaatilised vead;

Arvutage mõõtmistulemuseks võetud korrigeeritud vaatlustulemuste aritmeetiline keskmine; arvutada mõõtmistulemuse standardhälbe hinnang;

Arvutage mõõtmistulemuse juhusliku vea (vea juhusliku komponendi) usalduspiirid;

Arvutage mõõtmistulemuse välistamata süstemaatilise vea piirid (süstemaatilise vea välistamata jäägid); arvutada mõõtmistulemuse vea usalduspiirid.

Mõõtmistulemuse vea usalduspiiride määramiseks usaldustõenäosus R võetakse võrdseks 0,95. Sümmeetrilise usaldusvea korral esitatakse mõõtmistulemused järgmisel kujul:

kus on mõõtmistulemus, ∆ on mõõtetulemuse veapiir, R– usalduse tõenäosus. Mõõtmistulemuse arvväärtus peab lõppema veaväärtusega ∆ sama numbriga numbriga.

2 Laboratoorsete tööde kirjeldus

Iga konkreetsele laboritööle pühendatud jaotise esimene osa annab teavet faaside koostise ja struktuuri kohta, faasis või selle liideses naaberfaasidega toimuvate protsesside mehhanismi kohta, mis on minimaalselt vajalik uuritava nähtuse olemuse mõistmiseks. töö. Kui esitatud teabest ei piisa, peaksite tutvuma loengukonspekti ja soovitatava kirjandusega. Ilma osa esimesest osast aru saamata on võimatu ette kujutada, mis töö edenedes uuritavas süsteemis toimub, saadud tulemuste põhjal järeldusi sõnastada ja neist aru saada.

Iga jaotise järgmine osa on pühendatud reaalse installatsiooni või arvutimudeli riist- või tarkvararakendusele. Siit leiate teavet kasutatavate seadmete ja kasutatavate algoritmide kohta. Ilma selle osa mõistmiseta on võimatu hinnata vigade allikaid ja seda, milliseid meetmeid tuleks võtta nende mõju minimeerimiseks.

Viimases osas kirjeldatakse mõõtmiste teostamise ja nende tulemuste töötlemise korda. Kõik need küsimused esitatakse tööeelsele kollokviumile või arvutitestile.

2.1 Raua kõrgtemperatuurse oksüdatsiooni kineetika uurimine (töö nr 13)

2.1.1 Raua oksüdatsiooni üldised mustrid

Vastavalt teisenduste jada põhimõttele A.A. Baikov, raua pinnal tekivad selle kõrgel temperatuuril atmosfäärihapnikuga oksüdeerimisel kõik oksiidid, mis on nendes tingimustes termodünaamiliselt stabiilsed. Temperatuuridel üle 572°C koosneb katlakivi kolmest kihist: wustiit FeO, magnetiit Fe 3 O 4, hematiit Fe 2 O 3. Rauale lähim wustiidikiht, mis moodustab ligikaudu 95% kogu katlakivi paksusest, on p-pooljuhtide omadused. See tähendab, et FeO katioonses alamvõres on kahevalentse raua vabade kohtade oluline kontsentratsioon ja elektriline neutraalsus on tagatud elektronide "aukude" ilmnemise tõttu, mis on raudraua osakesed. Wüstiidi negatiivselt laetud O 2– ioonidest koosnev anioonne alamvõre on praktiliselt defektideta, vabade kohtade olemasolu katioonide alamvõres suurendab oluliselt Fe 2+ osakeste difusioonilist liikuvust läbi wüstiidi ja vähendab selle kaitseomadusi.

Magnetiidi vahekiht on stöhhiomeetrilise koostisega oksiid, millel on madal kristallvõre defektide kontsentratsioon ja tänu sellele on sellel suurenenud kaitseomadused. Selle suhteline paksus on keskmiselt 4%.

Katlakivi väliskihil – hematiidil – on n-tüüpi juhtivus. Hapniku vabade kohtade olemasolu aniooni alamvõres hõlbustab hapnikuosakeste difusiooni selle kaudu, võrreldes raua katioonidega. Fe 2 O 3 kihi suhteline paksus ei ületa 1%. .

Temperatuuridel alla 572°C on wustiit termodünaamiliselt ebastabiilne, mistõttu koosneb skaala kahest kihist: magnetiit Fe 3 O 4 (90% paksusest) ja hematiit Fe 2 O 3 (10%).

Katlakivi pideva kaitsekile moodustumine raua pinnale viib selle eraldumiseni õhuatmosfäärist. Metalli edasine oksüdeerimine toimub reaktiivide difusiooni tõttu läbi oksiidkile. Vaadeldav heterogeenne protsess koosneb järgmistest etappidest: hapnikuga varustamine gaasifaasi mahust oksiidiga piirini molekulaarse või konvektiivse difusiooni teel; O2 adsorptsioon oksiidi pinnal; hapnikuaatomite ionisatsioon O 2– anioonide moodustumisega; hapniku anioonide difusioon oksiidfaasis kuni metalli piirini; rauaaatomite ioniseerimine ja nende üleminek mastaabile katioonide kujul; raudkatioonide difusioon oksiidis kuni gaasi piirini; oksiidfaasi uute osade moodustumise kristallkeemiline akt.

Metalli oksüdatsiooni difusioonirežiim realiseerub juhul, kui enim inhibeeritud etapp on Fe 2+ või O 2– osakeste transport läbi katlakivi. Molekulaarse hapniku tarnimine gaasifaasist toimub suhteliselt kiiresti. Kineetilise režiimi puhul on piiravad etapid osakeste adsorptsioon või ionisatsioon, samuti kristallide keemilise muundamise akt.

Raua oksüdatsiooniprotsessi kineetilise võrrandi tuletamine kolmekihilise skaala korral on üsna tülikas. Seda saab oluliselt lihtsustada ilma lõppjäreldusi muutmata, kui pidada skaalat koostiselt homogeenseks ja võtta arvesse ainult Fe 2+ katioonide difusiooni läbi selle.

Tähistame tähisega D Fe 2+ osakeste difusioonikoefitsient skaalal, k- raua oksüdatsioonikiiruse konstant, C 1 ja KOOS 2 raua katioonide tasakaalukontsentratsiooni vastavalt metalli ja õhuga kokkupuutel, h– oksiidkile paksus, S– proovi pindala, – oksiidi tihedus, M- selle molaarmass. Seejärel määratakse vastavalt formaalse kineetika seadustele raua ja hapniku keemilise reaktsiooni erikiirus proovi pinnaühiku kohta ( v r) määratakse seosega:

Statsionaarses olekus võrdub see Fe 2+ osakeste difusioonivoo tihedusega.

Arvestades, et heterogeense oksüdatsiooniprotsessi üldine kiirus on võrdeline selle massi kasvukiirusega

(13.3)

saab välistada C 2 võrranditest (13.1) ja (13.2) ning saada skaala massi sõltuvus ajast:

(13.4)

Viimasest seosest on selge, et protsessi kineetiline režiim realiseerub reeglina oksüdatsiooni algmomendil, kui oksiidkile paksus on väike ja selle difusioonitakistust võib tähelepanuta jätta. Katlakivikihi kasv aeglustab reaktiivide difusiooni ja protsessi režiim muutub aja jooksul difusiooniks.

Wagneri poolt metallide kõrgtemperatuurse oksüdatsiooni ioon-elektroniteoorias välja töötatud rangem lähenemisviis võimaldab kvantitatiivselt arvutada kile kasvu paraboolse seaduse kiiruskonstandi, kasutades oksiidide elektrijuhtivuse sõltumatute katsete andmeid:

kus ∆ G- metalli oksüdatsioonireaktsiooni Gibbsi energia muutus, M– oksiidi molaarmass, – selle erielektrijuhtivus, t i– ioonjuhtivuse osa, z- metalli valents, F- Faraday konstant.

Uurides väga peente ( h < 5·10 –9 м) пленок необходимо учитывать также скорость переноса электронов через слой оксида путем туннельного эффекта (теория Хауффе и Ильшнера) и ионов металла под действием электрического поля (теория Мотта и Кабреры). В этом случае окисление металлов сопровождается большим самоторможением во времени при замедленности стадии переноса электронов, чему соответствует логарифмический закон роста пленок h = K ln( a τ+ B), samuti kuupmeetrites h 3 = Kτ (oksiidid – pooljuhid lk-tüüp) või pöördlogaritmiline 1/ h = C K ln(τ) ( n- juhtivuse tüüp) metalliioonide ülekandeastme aeglusega.

2.1.2 Paigalduse kirjeldus ja katsete läbiviimise kord

Raua oksüdatsiooni kineetikat uuritakse gravimeetrilisel meetodil, mis võimaldab katse ajal registreerida proovi massi muutumist ajas. Paigaldusskeem on näidatud joonisel 1.

Joonis 1 – eksperimentaalne seadistusskeem:

1 – uuritav rauaproov; 2 – elektritakistusahi; 3 – mehaaniline elektrimuundur E 2D1; 4 – ADC plaadiga personaalarvuti.

Mehaanilise elektrimuunduri E 2D1 (3) klapi küljes nikroomketile riputatud metalliproov (1) asetatakse vertikaalsesse elektritakistusega toruahju (2). Näidismassi muutusega võrdeline väljundsignaal E 2D1 juhitakse paigalduse käigus arvuti ADC-plaadile. Konstantset temperatuuri ahjus hoiab automaatregulaator, eksperimendi vajalik temperatuur seatakse ahju armatuurlaual oleva vastava valija abil vastavalt õpetaja juhistele (800 - 900 °C).

Töö tulemuste põhjal määratakse raua oksüdatsioonireaktsiooni kiiruskonstant ja selle ioonide difusioonikoefitsient oksiidkiles ning võimalusel keemilise reaktsiooni ja difusiooni aktivatsioonienergia. Näidake graafiliselt proovi massi muutuse ja oksüdatsiooniprotsessi kiiruse sõltuvust ajast.

2.1.3 Mõõtmistulemuste töötlemine ja esitamine

Mehaaniline elektriandur on konstrueeritud nii, et osa mõõdetava objekti massist kompenseeritakse spiraalvedruga. Selle suurus on teadmata, kuid see peaks mõõtmiste ajal püsima muutumatuna. Nagu tuleneb mõõtmistehnika kirjeldusest, ei ole oksüdatsiooniprotsessi alguse täpne ajahetk (0) teada, kuna pole teada, millal saavutab proov oksüdatsiooniprotsessi arendamiseks piisava temperatuuri. Kuni hetkeni, mil proov hakkab tegelikult oksüdeeruma, on selle mass võrdne algse metalli massiga ( m 0). See, et me ei mõõda kogu massi, vaid ainult selle kompenseerimata osa, ei muuda asja olemust. Erinevus proovi praeguse massi vahel ( m) ja metalli algmass tähistab mastaabi massi, seetõttu tuleks tegelike katsetingimuste jaoks valem (13.4) esitada järgmisel kujul:

(13.6)

milles m– proovi massi ülejäänud kompenseerimata osa mõõdetud väärtus, m 0– sama enne oksüdatsiooniprotsessi algust proovi madalal temperatuuril. Sellest seosest on selge, et proovi massi eksperimentaalset sõltuvust ajast tuleks kirjeldada järgmise vormi võrrandiga:

, (13.7)

mille koefitsiendid on saadud mõõtmistulemuste põhjal leitavad vähimruutude meetodil. Seda illustreerib tüüpiline graafik joonisel fig. Punktid on mõõtmistulemused, joon saadakse andmete lähendamisel võrrandiga 13.7

Ristidega tähistatud punktid on kõrvalekalded ja neid ei tohiks võtta arvesse võrrandi 13.7 koefitsientide arvutamisel vähimruutude meetodil.

Võrreldes valemeid (13.6) ja (13.7) on lihtne seostada leitud koefitsiente neid määravate füüsikaliste ja keemiliste suurustega:

(13.8)

Antud näites osutus m0 väärtus - väärtus ordinaatteljel = 0 - 18,1 mg.

Neid väärtusi kasutades arvutatakse katseks ettevalmistamise käigus saadud proovipinna väärtus ( S) ja kirjandusest võetud wustiidi tihedus (= 5,7 g/cm 3) võib olla

hinnata seost difusioonikoefitsiendi ja oksüdatsiooniprotsessi kiiruskonstandi vahel:

(13.13)

See suhe iseloomustab katlakivi paksust, mille juures difusioonikiiruse konstant on võrdne metalli oksüdatsiooni keemilise reaktsiooni kiiruskonstandiga, mis vastab rangelt segatud reaktsioonirežiimi määratlusele.

Töö tulemuste põhjal tuleks kõik väärtused määrata valemitega (13.7, 13.11 – 13.13): b 0 , b 1 , b 2 , m 0, 0 ja D /K. Tulemuste illustreerimiseks tuleks esitada sõltuvuse graafik m– . Koos katseväärtustega on soovitatav esitada ligikaudne kõver.

Mõõtmistulemuste põhjal peate täitma järgmise tabeli:

Tabel 1. Raua oksüdatsiooniprotsessi uurimise tulemused.

Tabeli kaks esimest veergu täidetakse andmefaili avamisel ja ülejäänud arvutatakse. Silumine toimub 5 punktis. Lähendava polünoomi koefitsientide määramisel kasutatakse samaaegselt esimest, kolmandat ja neljandat veergu. Viimases veerus tuleks näidata polünoomi (13.7) järgi lähendamise tulemused, kasutades vähimruutude meetodil leitud koefitsiente. Graafik on koostatud esimese, kolmanda ja viienda veeru abil.

Kui tööd teeb mitu õpilast, siis igaüks neist viib katse läbi oma temperatuuril. Katlakihi paksuse hindamise tulemuste ühine töötlemine rangelt segatud režiimis () võimaldab hinnata difusiooni ja keemilise reaktsiooni aktiveerimisenergia erinevust. Tõepoolest, ilmne valem kehtib siin:

(13.14)

Koefitsientide sarnane töötlemine b 2 võimaldab meil hinnata difusiooni aktiveerimisenergiat. Siin on valem õige:

(13.15)

Kui mõõtmised viidi läbi kahel temperatuuril, tehakse hinnangud otse valemite (13.4) ja (13.15) abil; kui temperatuuri väärtusi on rohkem kui kaks, tuleks funktsioonide jaoks kasutada vähimruutude meetodit. ln () – 1/T Ja ln (b 2) – 1/T. Saadud väärtused on toodud lõpptabelis ja neid käsitletakse järeldustes.

Töötulemuste töötlemise kord

2. Koostage eraldi lehel sõltuvusgraafik m– , tuvastage visuaalselt ja eemaldage kõrvalekalded.

3. Siluge mõõdetud massi väärtused.

4. Arvutage massimuutuse ruudud

5. Leia koefitsiendid vähimruutude meetodil b 0 , b 1 , b 2 võrrandit, mis lähendavad massimuutuse sõltuvust ajas.

6. Arvutage hinnanguline mass mõõtmiste alguses vastavalt ligikaudsele võrrandile

7. Analüüsige lähendustulemusi sorteerimise abil ja kõrvaldage valed väärtused

8. Kuva lähenduse tulemused sõltuvusgraafikule m – .

9. Arvutage süsteemi ja protsessi omadused: m 0 , 0 , D /K .

Testi tulemused:

a. Lahtris "A1" - proovi pindala, külgnevas lahtris "B1" - mõõtühikud;

b. Lahtris "A2" - algse proovi mass, lahtris "B2" - mõõtühikud;

c. Lahtris "A3" - katse temperatuur, lahtris "B3" - mõõtühikud;

d. Lahtris "A4" - skaalakihi paksus rangelt segatud režiimis, lahtris "B4" - mõõtühikud;

e. Lahtrist “A10” alustades tuleks töö kohta tehtud järeldused selgelt sõnastada.

Lahtrid A6-A7 peaksid sisaldama viiteid arvutustabeliraamatu teiste lehtede lahtritele, mille põhjal esitatud tulemuse saamiseks arvutused tehti, mitte aga numbrilistele väärtustele! Kui see nõue ei ole täidetud, annab kontrollprogramm teate "Teabe esitamise viga".

2. Õigesti koostatud sõltuvusgraafik m– saadud katseliselt (punktid) ja lähendatud polünoomiga (joon), eraldi elektrooniliste tabelite lehel koos kõigi vajalike allkirjade ja märgetega.

Kontrollküsimused

1. Millise struktuuriga on raud, mis saadakse selle kõrgtemperatuursel oksüdatsioonil õhuatmosfääris?

2. Miks wüstiidi faasi ilmumine skaalal toob kaasa raua oksüdatsioonikiiruse järsu tõusu?

3. Millised on raua oksüdatsiooni heterogeense protsessi etapid?

4. Mis vahe on raua oksüdatsiooni difusioonirežiimil ja kineetilisel?

5. Milline on tööde teostamise kord ja metoodika?

6. Kuidas teha kindlaks oksüdatsiooniprotsessi režiim?

2.2 Oksiidsulamite erielektrijuhtivuse temperatuurisõltuvuse uuring (Töö nr 14)

2.2.1 Üldteave räbu elektrijuhtivuse olemuse kohta

Räbude erielektrijuhtivuse sõltuvuse uurimine nende koostisest ja temperatuurist on metallurgia jaoks nii teoreetiliselt kui ka rakenduslikult väga oluline. Elektrijuhtivuse väärtus võib oluliselt mõjutada metalli ja räbu vaheliste kõige olulisemate reaktsioonide kiirust terase tootmisprotsessides, metallurgiaseadmete tootlikkust, eriti elektriräbu tehnoloogiates või sünteetilise räbu sulatamiseks mõeldud kaarahjudes, kus soojuse eraldumine sõltub sulatist läbinud elektrivoolu suurusest. Lisaks annab spetsiifiline elektrijuhtivus, mis on struktuurselt tundlik omadus, kaudset teavet sulandite struktuuri, laetud osakeste kontsentratsiooni ja tüübi kohta.

Eelkõige professor O. A. Esini teadusliku koolkonna poolt välja töötatud ideede kohaselt oksiidsulamite struktuuri kohta ei saa neis olla laenguta osakesi. Samas on sulatis sisalduvate ioonide suurus ja struktuur väga erinevad. Aluselised oksiidelemendid esinevad lihtsate ioonide kujul, näiteks Na +, Ca 2+, Mg 2+, Fe 2+, O 2-. Vastupidi, kõrge valentsiga elementidel, mis moodustavad iooni kujul happelisi (happelisi) oksiide, nagu SiO 2, TiO 2, B 2 O 3, on nii suur elektrostaatiline väli, et nad ei saa sulas olla. nagu lihtsad Si 4+ ioonid Ti 4+ , B 3+ . Nad toovad hapnikuanioonid endale nii lähedale, et moodustavad nendega kovalentseid sidemeid ja esinevad sulatis kompleksanioonide kujul, millest lihtsamad on näiteks SiO 4 4, TiO 4 4-, BO 3 3- , BO 4 5-. Komplekssed anioonid suudavad oma struktuuri keerulisemaks muuta, ühinedes kahe- ja kolmemõõtmelisteks struktuurideks. Näiteks saab tippudes ühendada kaks räni-hapniku tetraeedrit (SiO 4 4-), moodustades kõige lihtsama lineaarse ahela (Si 2 O 7 6-). See vabastab ühe hapnikuiooni:

SiO44- + SiO44- = Si2O76- + O2-.

Nende küsimustega saab lähemalt tutvuda näiteks õppekirjanduses.

Elektritakistus R seosest saab määrata tavalised lineaarjuhid

kus on takistus, L- pikkus, S- juhi ristlõikepindala. Kogust nimetatakse aine erielektrijuhtivuseks. Valemist (14.1) järeldub,

Elektrijuhtivuse mõõdet väljendatakse oomides –1 m –1 = S/m (S – Siemens). Spetsiifiline elektrijuhtivus iseloomustab kahe paralleelse elektroodi, mille pindala on 1 m 2 ja mis asuvad üksteisest 1 m kaugusel, vahele jääva sulandi mahu elektrijuhtivust.

Üldisemal juhul (ebaühtlane elektriväli) on elektrijuhtivus defineeritud kui voolutiheduse proportsionaalsuskoefitsient i juhis ja elektripotentsiaali gradient:

Elektrijuhtivuse ilmnemine on seotud aines olevate laengute ülekandmisega elektrivälja mõjul. Metallides toimub elektri ülekandmisel juhtivusriba elektronid, mille kontsentratsioon on temperatuurist praktiliselt sõltumatu. Temperatuuri tõustes metallide erijuhtivus väheneb, sest "vabade" elektronide kontsentratsioon jääb konstantseks ja kristallvõre ioonide termilise liikumise pidurdusmõju neile suureneb.

Pooljuhtides on elektrilaengukandjad kvaasivabad elektronid juhtivusribas või vabad kohad valentsenergiaribas (elektronaugud), mis tekivad elektronide termiliselt aktiveeritud üleminekute tõttu doonortasanditelt pooljuhi juhtivusribale. Temperatuuri tõustes suureneb selliste aktiveeritud üleminekute tõenäosus ning vastavalt suureneb elektrivoolukandjate kontsentratsioon ja elektrijuhtivus.

Elektrolüütides, mis sisaldavad oksiidisulameid, osalevad elektriülekandes reeglina järgmised ioonid: Na +, Ca 2+, Mg 2+, SiO 4 4–, BO 2 – ja teised. Iga ioon ј -th tüüp võib vastavalt teadaolevale seosele kaasa aidata elektrivoolu tiheduse koguväärtusele

kus on osaline elektrijuhtivus; Dј , Cј , z ј– difusioonikoefitsient, iooni kontsentratsioon ja laeng ј -th klass; F– Faraday konstant; T- temperatuur; R

Ilmselgelt koguste summa i võrdne kogu voolutihedusega i on seotud kõigi ioonide liikumisega ja kogu sulandi erijuhtivus on osajuhtivuse summa.

Ioonide liikumine elektrolüütides on aktiveerimisprotsess. See tähendab, et elektrivälja mõjul ei liigu kõik ioonid, vaid ainult kõige aktiivsemad, millel on keskmise tasemega võrreldes teatav energia ülejääk. See üleliigne energia, mida nimetatakse elektrijuhtivuse aktiveerimisenergiaks, on vajalik antud iooni ja selle keskkonnaga suhtlemise jõudude ületamiseks, samuti vaba ruumi (õõnsuse) moodustamiseks, kuhu see läbib. Aktiivsete osakeste arv vastavalt Boltzmanni seadusele suureneb koos

temperatuuri tõus vastavalt eksponentsiaalseadusele. Sellepärast . Sledova-

Seetõttu tuleks vastavalt punktile (14.5) kirjeldada elektrijuhtivuse sõltuvust temperatuurist eksponentsiaalide summaga. On aga teada, et osakeste suuruse kasvades suureneb oluliselt ka nende aktiveerimisenergia. Seetõttu jäetakse seoses (14.5) reeglina suurte, vähese liikuvusega ioonide panus tähelepanuta ja ülejäänu puhul keskmistatakse osaväärtused.

Selle tulemusena on oksiidisulamite erielektrijuhtivuse sõltuvus temperatuurist järgmine:

(14.6)

mis on hästi kooskõlas eksperimentaalsete andmetega.

Oksiide CaO, SiO 2, MgO, Al 2 O 3 sisaldavate metallurgiliste räbude tüüpilised väärtused jäävad likviidse temperatuuri lähedal vahemikku 0,1 – 1,0 S cm –1, mis on oluliselt väiksem kui vedelmetallide elektrijuhtivus (10 5 –10 7 S cm–1). Elektrijuhtivuse aktiveerimisenergia on aluselistes räbudes peaaegu sõltumatu temperatuurist, kuid võib happelistes sulamites nende depolümerisatsiooni tõttu temperatuuri tõustes veidi väheneda. Tavaliselt jääb väärtus olenevalt sulatise koostisest vahemikku 40–200 kJ/mol.

Raudoksiidide (FeO, Fe 2 O 3) või muude siirdemetallide oksiidide (näiteks MnO, V 2 O 3, Cr 2 O 3) suurenenud (üle 10%) sisalduse korral on räbu elektrijuhtivuse olemus muutub, kuna lisaks ioonjuhtivusele neis ilmneb märkimisväärne osa elektroonilisest juhtivusest. Juhtivuse elektrooniline komponent sellistes sulamites on tingitud elektronide või elektronide "aukude" liikumisest mööda releemehhanismi madalama valentsiga siirdemetalli katioonilt kõrgema valentsiga katioonini. R- nende osakeste vahel paiknevad hapnikuiooni orbitaalid.

Elektronide väga suur liikuvus kombinatsioonides Me 2+ – O 2– – Me 3+, vaatamata nende suhteliselt madalale kontsentratsioonile, suurendab järsult räbu elektrijuhtivust. Seega võib puhta raua sulamite FeO – Fe 2 O 3 maksimaalne väärtus æ olla

10 2 S cm –1, jäädes siiski oluliselt alla metallidele.

2.2.2 Paigaldus- ja mõõtmisprotseduuri kirjeldus

Tööga määratakse sula naatriumtetraboraadi Na 2 O·2B 2 O 3 elektrierijuhtivus temperatuurivahemikus 700 – 800 °C. Metalli-elektrolüüdi liidese takistuse esinemisega seotud tüsistuste kõrvaldamiseks tuleb elektrijuhtivuse uuring läbi viia tingimustes, kus liidese takistus on tühine. Seda on võimalik saavutada, kasutades alalisvoolu asemel piisavalt kõrge sagedusega (≈ 10 kHz) vahelduvvoolu.

Paigalduse elektriskeem on näidatud joonisel 2.

Joonis 2. Räbu elektrijuhtivuse mõõtmise paigaldise elektriskeem:

ZG – helisagedusgeneraator; PC – helikaardiga personaalarvuti; Jahilahus ja Yach sl – elektrokeemilised rakud, mis sisaldavad vastavalt KCl või räbu vesilahust; R fl – teadaoleva väärtuse võrdlustakistus.

Helisagedusgeneraatori vahelduvvool suunatakse rakku, mis sisaldab räbu ja sellega järjestikku ühendatud teadaoleva väärtusega võrdlustakistust. Arvuti helikaardi abil mõõdetakse elemendi pingelangust ja võrdlustakistust. Kuna R fl ja Yachi läbiv vool on sama

(14.7)

Laboratoorse paigalduse hooldusprogramm arvutab, kuvab ja kirjutab faili suhte väärtuse ( r) vahelduvvoolu amplituudi väärtused heligeneraatori väljundis ( U zg) ja mõõtelahtril ( U kamber):

Seda teades saate määrata raku resistentsuse

kus on raku konstant.

Määramiseks K eksperimentaalses seadistuses kasutatakse abirakku, mis on geomeetriliste parameetrite poolest sarnane uuritavale. Mõlemad elektrokeemilised rakud on elektrolüüdiga korundpaadid. Need sisaldavad kahte sama ristlõike ja pikkusega silindrilist metallelektroodi, mis asuvad üksteisest samal kaugusel, et tagada konstantne suhe (L/S) eff.

Uuritav rakk sisaldab Na 2 O · 2B 2 O 3 sulamit ja asetatakse kuumutusahju temperatuurile 700 – 800 °C. Abielement on toatemperatuuril ja täidetud KCl 0,1 N vesilahusega, mille elektrijuhtivus on 0,0112 S cm –1. Lahuse elektrijuhtivuse tundmine ja elektritakistuse määramine (vt valem 14.9).

abirakk (

2.2.3 Töökäsk

A. Reaalajas mõõtesüsteemi kasutamine

Enne mõõtmiste alustamist tuleb ahi soojendada temperatuurini 850 °C. Paigaldusprotseduur on järgmine:

1. Pärast lähtestamisprotseduuri lõpetamist vastavalt monitori ekraanil kuvatavatele juhistele lülitage ahi välja, seadke lüliti "1 – võrdlustakistus" asendisse "1 - Hi" ja järgige edasisi juhiseid.

2. Pärast märguande "Lülitaja 2 – asendisse "lahus" ilmumist järgige seda ja kuni ilmub tähis "Lüliti 2 - asendisse "SULATUS", registreerige ilmuvad takistuse suhte väärtused. iga 5 sekundi järel.

3. Järgige teist juhendit ja jälgige temperatuuri muutust. Niipea, kui temperatuur langeb alla 800 °C, kasutage graafiku sisselülitamiseks klaviatuuri käsku Xs ja salvestage iga 5 sekundi järel temperatuuri väärtused ja takistuse suhted.

4. Pärast sulatise jahutamist temperatuurini alla 650 °C tuleks mõõtmised lähtestada teise õpilase jaoks, kes selle paigaldusega tööd teeb. Seadke lüliti “1 – võrdlustakistus” asendisse “2 – Lo” ja sellest hetkest hakkab teine õpilane iga 5 sekundi järel salvestama temperatuuri väärtusi ja takistuse suhteid.

5. Kui sulam on jahutatud temperatuurini 500 °C või kui takistuse suhe saavutab 6-lähedase väärtuse, tuleb mõõtmised peatada, andes klaviatuurilt käsu “Xe”. Sellest hetkest alates peab teine õpilane viima lüliti 2 asendisse "lahendus" ja kirjutama üles kümme takistuse suhte väärtust.

B. Varem faili kirjutatud andmetega töötamine

Pärast programmi aktiveerimist ilmub ekraanile teade võrdlustakistuse väärtuse kohta ja järjestikku kuvatakse mitu takistuse suhte väärtust ( r) kalibreerimislahter. Pärast keskmistamist võimaldavad need andmed leida installikonstandi.

Seejärel ilmuvad ekraanile iga paari sekundi tagant mõõteelemendi temperatuuri ja takistuse suhte väärtused. See teave kuvatakse graafikul.

Programm lülitub automaatselt välja ja saadab kõik tulemused õpetaja arvutisse.

2.2.4 Mõõtmistulemuste töötlemine ja esitamine

Mõõtmistulemuste põhjal peaksite täitma tabeli järgmise pealkirjaga:

Tabel 1. Na 2 O 2B 2 O 3 sulandi elektrijuhtivuse sõltuvus temperatuurist

Tabeli kaks esimest veergu täidetakse andmefaili avamisel ja ülejäänud arvutatakse. Neid kasutades tuleks joonistada sõltuvus ln() – 10 3 /T ja kasutada aktiveerimisenergia väärtuse määramiseks vähimruutude meetodit (OpenOffice.Calc funktsioon LINEST). Graafikul tuleks näidata ligikaudne sirgjoon. Samuti peaksite joonistama elektrijuhtivuse ja temperatuuri graafiku. Tulemuste töötlemise kord

1. Sisestage mõõtmistulemuste kirjed tabelifaili.

2. Arvutage kalibreerimiskambri keskmine takistuse suhe.

3. Arvutage paigalduskonstant.

4. Koostage sõltuvusgraafik r – t, tuvastage visuaalselt ja eemaldage kõrvalekalded väärtused. Kui neid on palju, kasutage sorteerimist.

5. Arvutage mõõteelemendi takistus, oksiidisulami elektrijuhtivus erinevatel temperatuuridel, elektrijuhtivuse logaritm ja absoluutne pöördtemperatuur

b 0 , b 1 võrrandist, mis lähendab elektrijuhtivuse logaritmi sõltuvust pöördtemperatuurist, ja arvutage aktiveerimisenergia.

7. Joonistage eraldi lehele graafik elektrijuhtivuse logaritmi sõltuvusest pöördtemperatuurist ja andke ligikaudne sõltuvus Testi tulemused:

1. Ülevaatamiseks esitatud tabeliraamatu esimene leht pealkirjaga „Tulemused” peab sisaldama järgmist teavet.

a. Lahtris "A1" - algtemperatuur, lahtris "B1" - mõõtühikud;

c. Lahtris "A3" - elektrijuhtivuse aktiveerimisenergia, lahtris "B3" - mõõtühikud;

d. Lahtris "A4" - elektrijuhtivuse temperatuurisõltuvuse valemis olev eksponentsiaalne tegur, lahtris "B4" - mõõtühikud;

e. Lahtrist “A5” alustades tuleks töö kohta tehtud järeldused selgelt sõnastada.

Lahtrid A1-A4 peaksid sisaldama viiteid arvutustabeliraamatu teiste lehtede lahtritele, mille põhjal esitatud tulemuse saamiseks arvutused tehti, mitte aga numbrilistele väärtustele! Kui see nõue ei ole täidetud, annab kontrollprogramm teate "Teabe esitamise viga".

2. Korrektselt koostatud graafik elektrijuhtivuse logaritmi sõltuvusest pöördtemperatuurist, mis on saadud katseandmetest (punktidest) ja lähendatud polünoomiga (joonega), eraldi tabelilehel koos kõigi vajalike signatuuride ja märgetega.

Kontrollküsimused

1. Mida nimetatakse elektrijuhtivuseks?

2. Millised osakesed määravad räbu elektrijuhtivuse?

3. Milline on metallide ja oksiidisulamite elektrijuhtivuse temperatuurisõltuvus?

4. Millest sõltub rakukonstant ja kuidas seda määrata?

5. Miks on vaja määramiseks kasutada vahelduvvoolu?

6. Kuidas sõltub elektrijuhtivuse aktiveerimisenergia temperatuurist?

7. Milliseid andureid ja instrumente labori seadistuses kasutatakse. Milliseid füüsilisi suurusi nad registreerida võimaldavad?

8. Milliseid graafikuid (millistes koordinaatides) tuleks töö tulemuste põhjal esitada?

9. Milliseid füüsikalis-keemilisi koguseid tuleks saada pärast algandmete töötlemist?

10. Otsustage, millised mõõtmised tehakse enne katset, millised väärtused salvestatakse katse ajal, millised andmed on seotud esmase teabega, millist töötlemist see läbib ja millist teavet saadakse.

2.3 Metallide väävlitustamise kineetika uurimine räbu abil simulatsioonimudelil (Töö nr 15)

2.3.1 Üldteave metallide väävlitustamise kineetika kohta räbuga

Väävlilisandid terases, kogustes üle 0,005 massiprotsenti %, vähendab oluliselt selle mehaanilisi, elektrilisi, korrosioonivastaseid ja muid omadusi, halvendab metalli keevitatavust ning põhjustab punetuse ja külmahapruse ilmnemist. Seetõttu on terase väävlitustamise protsess, mis toimub eriti tõhusalt räbuga, kvaliteetse metallurgia jaoks väga oluline.

Reaktsiooni kineetiliste seaduste uurimine, selle mehhanismi ja toimumisviisi väljaselgitamine on vajalik väävlitustamise kiiruse tõhusaks kontrollimiseks, sest Metallurgiasõlmede reaalsetes tingimustes ei saavutata tavaliselt väävli tasakaalulist jaotumist metalli ja räbu vahel.

Erinevalt enamikust muudest terase lisanditest on väävli üleminek metallilt räbuks redutseeriv, mitte oksüdatiivne protsess [S] +2e = (S 2–).

See tähendab, et katoodprotsessi pidevaks toimumiseks, mis viib metallile positiivsete laengute kogunemiseni, on vajalik teiste elektronide loovutamiseks võimeliste osakeste samaaegne üleminek metallifaasi. Sellised kaasnevad anoodprotsessid võivad olenevalt terase koostisest olla räbu hapnikuanioonide või raua, süsiniku, mangaani, räni ja muude metallide lisandite osakeste oksüdeerimine.

2. (O 2–) = [O] + 2e,

3. = (Fe 2+) + 2e,

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

Kokkuvõttes võimaldab katoodne ja mis tahes anoodne protsess kirjutada väävlitustamise reaktsiooni stöhhiomeetrilise võrrandi järgmisel kujul, näiteks:

1-2. (CaO) + [S] = (CaS) + [O], H = -240 kJ/mol

1-3. + [S] +(CaO)= (FeO) + (CaS). H = -485 kJ/mol

Tasakaalukostandite vastavad avaldised on kujul

(15.1)

Ilmselt võivad näiteks valitud protsessid ja sarnased toimuda samaaegselt. Seosest (15.1) järeldub, et metallide väävlitustamise aste konstantsel temperatuuril, s.o. tasakaalukonstandi konstantne väärtus, suureneb vaba hapnikuiooni (O 2-) kontsentratsiooni suurenemisega oksiidisulatis. Tõepoolest, nimetaja teguri suurenemist tuleb kompenseerida teise teguri vähenemisega, et see vastaks tasakaalukonstandi muutumatule väärtusele. Pange tähele, et vabade hapnikuioonide sisaldus suureneb väga aluseliste kaltsiumoksiidirikaste räbude kasutamisel. Seost (15.2) analüüsides saame järeldada, et rauaioonide (Fe 2+) sisaldus oksiidisulatis peaks olema minimaalne, s.o. räbu peab sisaldama minimaalset kogust raudoksiide. Deoksüdeerijate (Mn, Si, Al, C) olemasolu metallis suurendab ka terase väävlitustamise täielikkust, vähendades (Fe 2+) ja [O] sisaldust.

Reaktsiooniga 1-2 kaasneb soojuse neeldumine (∆H>0), mistõttu protsessi edenedes temperatuur metallurgiaüksuses langeb. Vastupidi, reaktsiooniga 1-3 kaasneb soojuse eraldumine (∆H<0) и, если она имеет определяющее значение, температура в агрегате будет повышаться.

Väävlitustamise kineetilisel kirjeldamisel tuleks arvesse võtta järgmisi protsessi etappe:

Väävliosakeste kohaletoimetamine metallimahust piirini räbuga, mis teostatakse esmalt konvektiivdifusiooni teel ja otse metalli-räbu liidese lähedale molekulaarse difusiooni teel; väävliaatomitele elektronide lisamise elektrokeemiline toiming ja S 2– anioonide moodustumine; mis on adsorptsiooni-keemiline toiming, väävlianioonide eemaldamine räbu ruumalasse molekulaarse ja seejärel konvektiivse difusiooni tõttu.

Sarnased etapid on iseloomulikud ka anoodstaadiumidele, milles osalevad Fe, Mn, Si aatomid või O 2– anioonid. Iga etapp aitab kaasa väävlitustamise protsessi üldisele vastupidavusele. Osakeste liikumise liikumapanevaks jõuks läbi mitme näidatud takistuse on nende elektrokeemiliste potentsiaalide erinevus mittetasakaalus metalli-räbu süsteemis või proportsionaalne erinevus tegeliku ja tasakaalulise elektroodi potentsiaalide vahel faasiliideses, nn. ülepinge .

Mitmest järjestikusest etapist koosneva protsessi kiiruse määrab suurima takistusega etapi panus - piirav etapp. Sõltuvalt kiirust piirava etapi mehhanismist räägitakse difusiooni- või kineetilisest reaktsioonirežiimist. Kui erineva esinemismehhanismiga etappidel on võrreldavad takistused, siis räägime segareaktsioonirežiimist. Iga etapi vastupidavus sõltub oluliselt süsteemi olemusest ja omadustest, reaktiivide kontsentratsioonist, faaside segamise intensiivsusest ja temperatuurist. Näiteks väävli redutseerimise elektrokeemilise akti kiiruse määrab vahetusvoolu suurus

(15.3)

Kus IN- temperatuuri funktsioon, C[S] ja C(S 2–) – väävli kontsentratsioon metallis ja räbus, α – ülekandetegur.

Väävli faasipiirile viimise etapi kiiruse määrab nende osakeste piirav difusioonivool

Kus D[S] on väävli difusioonikoefitsient, β on konvektiivkonstant, mis on määratud konvektsiooni intensiivsusega sulatis, see on võrdeline vedeliku konvektiivvoolu lineaarkiiruse ruutjuurega.

Olemasolevad katseandmed näitavad, et sula konvektsiooni normaalsetes tingimustes toimub väävliioonide tühjenemise elektrokeemiline akt suhteliselt kiiresti, s.o. Väävlitustamist pärsib peamiselt osakeste difusioon metallis või räbus. Väävli kontsentratsiooni suurenemisega metallis vähenevad difusiooniraskused ja protsessi režiim võib muutuda kineetiliseks. Seda soodustab ka süsiniku lisamine rauale, sest hapnikuioonide väljutamine süsinikmetalli ja räbu piiril toimub olulise kineetilise inhibeerimisega.

Tuleb meeles pidada, et elektrokeemilised ideed metallide interaktsiooni kohta elektrolüütidega võimaldavad selgitada protsesside mehhanismi ja mõista üksikasjalikult toimuvaid nähtusi. Samal ajal säilitavad formaalse kineetika lihtsad võrrandid täielikult oma kehtivuse. Täpsemalt, oluliste vigadega saadud katsetulemuste ligikaudseks analüüsiks saab reaktsioonikiiruse 1-3 võrrandi kirjutada selle kõige lihtsamal kujul:

Kus k f ja k r – päri- ja tagasireaktsiooni kiiruskonstandid. See seos on täidetud, kui väävli lahuseid rauas ja kaltsiumsulfiidis ning wustiidi lahuseid räbus võib pidada lõpmatult lahjendatuks ja nende reaktiivide reaktsioonijärjestused on ühtsuslähedased. Ülejäänud reagentide sisaldus vaadeldavas reaktsioonis on nii kõrge, et kogu interaktsiooniaeg jääb praktiliselt konstantseks ja nende kontsentratsioonid võib arvestada konstantide hulka k f ja k r

Teisest küljest, kui väävlitustamise protsess on tasakaalust kaugel, võib pöördreaktsiooni kiirust tähelepanuta jätta. Siis peaks väävlitustamise kiirus olema võrdeline väävli kontsentratsiooniga metallis. Seda katseandmete kirjelduse versiooni saab kontrollida, uurides seost väävlitustamise kiiruse logaritmi ja metalli väävlikontsentratsiooni logaritmi vahel. Kui see seos on lineaarne ja sõltuvuse nurkkoefitsient peaks olema ühtsuse lähedal, siis on see argument protsessi difusioonirežiimi kasuks.

2.3.2 Protsessi matemaatiline mudel

Mitme anoodse etapi võimalus raskendab palju lisandeid sisaldava terase väävlitustamise protsesside matemaatilist kirjeldamist. Sellega seoses viidi mudelisse sisse mõningaid lihtsustusi; eelkõige jäeti tähelepanuta eraldamise kineetilised raskused.

Raua ja hapniku ülemineku poolreaktsioonide puhul, seoses difusioonikontrolli aktsepteeritud piiranguga, näevad seosed palju lihtsamad:

(15.7)

Vastavalt elektrilise neutraalsuse tingimusele väljendatakse välise allika voolu puudumisel üksikute elektroodide poolreaktsioonide voolude vahelist seost lihtsa seosega:

Elektroodide liigpingete () erinevused määratakse reaktsioonide 1-2 ja 1-3 vastavate aktiivsuste ja tasakaalukonstantide suhtega:

Väävli kontsentratsiooni tuletis metallis aja suhtes määratakse esimese elektroodi poolreaktsiooni vooluga vastavalt võrrandile:

(15.12)

Siin i 1 , i 2 – elektroodprotsesside voolutihedused, η 1, η 2 – nende polarisatsioonid, i n – piiravad osakeste difusioonivoolud ј mingisugune, i o – kineetilise etapi vahetusvool, C[s] – väävlisisaldus metallis, α – ülekandetegur, P, K p on väävlitustamise reaktsiooni aktiivsuste ja tasakaalukonstandi korrutis, S- metalli-räbu liidese pindala, V Mina – metalli maht, T- temperatuur, F- Faraday konstant, R– universaalne gaasikonstant.

Vastavalt elektrokeemilise kineetika seadustele võtab avaldis (15.6) arvesse rauaioonide difusiooni pärssimist räbus, kuna eksperimentaalsete andmete põhjal ei ole nende osakeste tühjenemise-ionisatsiooni staadium piirav. Ekspressioon (15.5) on väävliosakeste difusiooni pidurdumine räbus ja metallis, samuti väävli ionisatsiooni aeglustumine piirpinnal.

Kombineerides avaldisi (15,6 – 15,12), on võimalik saada numbriliste meetoditega metallis väävli kontsentratsiooni sõltuvus ajast valitud tingimustel.

Mudel kasutab järgmisi parameetreid:

3)
Väävliioonivahetusvool:

4) Väävlitustamise reaktsiooni tasakaalukonstant ( TO R):

5) faasidevahelise piiri pindala ja metalli ruumala suhe

7) Konvektiivkonstant (β):

Mudel võimaldab analüüsida loetletud tegurite mõju väävlitustamise kiirusele ja täielikkusele, samuti hinnata difusiooni ja kineetilise inhibeerimise panust protsessi üldisesse vastupanuvõimesse.

2.3.3 Töökord

Simulatsiooniprogrammi loodud pilt on näidatud joonisel fig. . Paneeli ülaosas on valitud mõõdetud suuruste arvväärtused, graafikul kuvatakse kõik protsessi simulatsiooni käigus saadud väärtused. Metalli- ja räbusulamite komponentide tähistustes kasutatakse metallurgiaalases kirjanduses aktsepteeritud täiendavaid sümboleid. Ruudusulud näitavad, et komponent kuulub metallisulamite hulka ja ümarsulud näitavad, et komponent kuulub räbusulatisse. Komponentide tähistuste kordajaid kasutatakse ainult joonistamiseks ja neid ei tohiks väärtuste tõlgendamisel arvesse võtta. Mudeli töötamise ajal kuvatakse igal ajahetkel ainult ühe mõõdetud suuruse väärtust. 6 sekundi pärast see kaob ja kuvatakse järgmine väärtus. Selle aja jooksul peab teil olema aega järgmise väärtuse üleskirjutamiseks. Aja säästmiseks on soovitatav mitte kirjutada üles konstantseid numbreid, näiteks temperatuuri väärtuse juhtühikut.

Viis minutit pärast mõõtmiste algust paigalduspaneeli paremas ülanurgas oleva kella järgi, vajutades samaaegselt klahve ja [No], kus No on paigaldusnumber, suurendage faaside segamise kiirust.

2.3.4 Mõõtmistulemuste töötlemine ja esitamine

Simulatsiooniprogrammiga genereeritud mõõtmistulemuste tabelit tuleks täiendada järgmiste arvutuslike veergudega:

Tabel 1. Katseandmete statistilise töötlemise tulemused

Esimeses veerus olevas tabelis peaksite arvutama protsessi algusest kulunud aja minutites.

Edasine töötlemine toimub pärast graafilist konstrueerimist - töötlemise esimeses etapis tuleks joonistada temperatuuri ja aja graafik ja hinnata andmete ulatust, kui väävli üleminekuga kaasneb peamiselt raua üleminek. Selles vahemikus tuvastatakse kaks identse segamiskiirusega piirkonda ja vähimruutude meetodil leitakse vormi lähendavate polünoomide koefitsiendid:

mis tuleneb võrrandist (15.5) määratud tingimustel. Saadud koefitsientide väärtuste võrdlemisel tehakse järeldused protsessi režiimi ja süsteemi tasakaaluolekule lähenemise astme kohta. Pange tähele, et võrrandis (15.13) pole näivterminit.

Katse tulemuste illustreerimiseks joonistage graafik väävli kontsentratsiooni sõltuvusest ajast ja väävlitustamise kiirusest kaltsiumsulfiidi kontsentratsioonist räbus.

Tulemuste töötlemise kord

2. Arvutage väävli eemaldamise protsessi kiirus metalli väävlisisalduse, kiiruse ja väävlikontsentratsiooni logaritmide järgi.

3. Koostage eraldi lehtedel graafikud temperatuurist ühikutes ajas, räbu massist ajas, väävlitustamise kiirusest ajas ja väävlitustamise kiiruse logaritmi ja väävlikontsentratsiooni logaritmi kohta.

4. Kasutades vähimruutude meetodit, hinnake erinevate segamiskiiruste puhul eraldi väävlitustamise protsessi kineetilisi omadusi vastavalt võrrandile () ja reaktsiooni järjekorda väävli kontsentratsiooni järgi.

Testi tulemused:

1. Korrektselt kujundatud graafikud väävlitustamise protsessi kiiruse ja selle väärtuse logaritmi sõltuvusest ajast, eraldi tabelilehel koos kõigi vajalike allkirjade ja sümbolitega.

2. Väävlitustamise protsessi kineetiliste omaduste väärtused protsessi kõigis variantides, mis näitavad mõõtmeid (ja vigu).

3. Järeldused töö kohta.

Kontrollküsimused

1. Millised tingimused on vajalikud metalli kõige täielikumaks väävlitustamiseks räbuga?

2. Millised anoodilised protsessid võivad väävli eemaldamisega kaasneda?

3. Millised on väävli faasidevahelise piiri läbimise protsessi etapid?

4. Millistel juhtudel realiseeritakse väävlitustamise difusioon või kineetiline viis?

5. Milline on töö järjekord?

2.4 Looduslike karbonaatide dissotsiatsiooniprotsesside termograafiline uuring (töö nr 16)

2.4.1 Karbonaadi dissotsiatsiooni üldised mustrid

Termogramm on proovi temperatuuri sõltuvus ajast. Termograafiline meetod ainete termilise lagunemise protsesside uurimiseks on muutunud laialt levinud pärast selliste sõltuvuste iseloomulike tunnuste avastamist: "temperatuuri peatumised" ja "kaldtemperatuuri platood".

1.4

Joonis 3. Termogrammi illustratsioon:

punktiirkõver on hüpoteetilise võrdlusproovi termogramm, milles dissotsiatsiooni ei toimu; pidev joon – reaalne proov kaheastmelise dissotsiatsiooniga.

Need on sõltuvuse iseloomulikud lõigud, mille jooksul teatud aja jooksul () temperatuur kas püsib konstantsena (T = const) või tõuseb konstantse kiirusega (T/) vähesel määral (T). Numbrilise või graafilise diferentseerimise abil on võimalik hea täpsusega määrata temperatuuripeatuse alguse ja lõpu aja- ja temperatuurimomente.

Kavandatavas laboritöös saadakse selline sõltuvus loodusliku materjali kaltsiidi, mille põhikomponendiks on kaltsiumkarbonaat, pideval kuumutamisel. Peamiselt kaltsiidist koosnevat kivimit nimetatakse lubjakiviks. Lubjakivi kasutatakse metallurgias suurtes kogustes.

Lubjakivi põletamise (kuumtöötlemise) tulemusena endotermilise reaktsiooniga

CaCO 3 = CaO + CO 2

saadakse lubi (CaO) - räbu sulamise vajalik komponent. Protsess viiakse läbi temperatuuril, mis on madalam nii lubjakivi kui ka lubja sulamistemperatuurist. Teadaolevalt on karbonaadid ja neist tekkivad oksiidid omavahel praktiliselt lahustumatud, mistõttu on reaktsioonisaaduseks uus tahke faas ja gaas. Üldjuhul on tasakaalukonstandi avaldis järgmine:

Siin a– tahkete reaktiivide aktiivsus, – gaasilise reaktsiooniprodukti osarõhk. Ka teist kivimit nimega dolomiit kasutatakse laialdaselt metallurgias. See koosneb peamiselt samanimelisest mineraalist, mis on süsihappe CaMg(CO 3) 2 topeltsool.

Kaltsiit, nagu iga looduslik mineraal, sisaldab koos põhikomponendiga mitmesuguseid lisandeid, mille kogus ja koostis sõltub loodusvara maardlast ja isegi konkreetsest kaevandamiskohast. Lisandiühendite mitmekesisus on nii suur, et neid on vaja liigitada mõne konkreetsel juhul olulise tunnuse järgi. Termodünaamilise analüüsi jaoks on oluline omadus lisandite võime moodustada reagentidega lahuseid. Eeldame, et mineraal ei sisalda lisandeid, mis uuritud tingimustes (rõhk ja temperatuur) astuvad omavahel või põhikomponendi või selle lagunemissaadustega keemilisi reaktsioone. Praktikas ei ole see tingimus rangelt täidetud, kuna näiteks kaltsiit võib sisaldada teiste metallide karbonaate, kuid edasise analüüsi seisukohalt ei anna nende reaktsioonide arvessevõtmine uut teavet, vaid muudab analüüsi asjatult keeruliseks. .

Kõik muud lisandid võib jagada kolme rühma:

1. Lisandid, mis moodustavad kaltsiumkarbonaadiga lahuse. Selliseid lisandeid tuleb loomulikult arvestada termodünaamilise analüüsi ja suure tõenäosusega protsessi kineetilise analüüsi käigus.

2. Lisandid, mis lahustuvad reaktsioonisaaduses – oksiid. Seda tüüpi lisandite arvessevõtmise probleemi lahendus sõltub sellest, kui kiiresti toimub nende lahustumine tahkes reaktsioonisaaduses ja sellega tihedalt seotud seda tüüpi lisandite lisandite hajumise probleemist. Kui inklusioonid on suhteliselt suured ja nende lahustumine toimub aeglaselt, siis ei tohiks neid termodünaamilises analüüsis arvesse võtta.

3. Lisandid, mis ei lahustu algses karbonaadis ja selle lagunemissaaduses. Neid lisandeid ei tohiks termodünaamilises analüüsis arvesse võtta, nagu poleks neid üldse olemaski. Mõnel juhul võivad need mõjutada protsessi kineetikat.

Analüüsi kõige lihtsamas (jämedas) versioonis on lubatud ühendada kõik sama tüüpi lisandid ja käsitleda neid mõne üldistatud komponendina. Selle põhjal eristame kolme komponenti: B1, B2 ja B3. Samuti tuleks arutada vaadeldava termodünaamilise süsteemi gaasifaasi. Laboritöös viiakse dissotsiatsiooniprotsess läbi avatud installatsioonis, mis suhtleb ruumi atmosfääriga. Sel juhul on termodünaamilises süsteemis kogurõhk konstantne ja võrdne ühe atmosfääriga ning gaasifaasis on gaasiline reaktsiooniprodukt - süsinikdioksiid (CO2) ja õhukomponendid, lihtsustatult - hapnik ja lämmastik. Viimased ei interakteeru süsteemi teiste komponentidega, mistõttu ei ole vaadeldaval juhul hapnik ja lämmastik eristatavad ning edaspidi nimetame neid neutraalseks gaasiliseks komponendiks B.

Temperatuuri peatustel ja kohtadel on termodünaamiline seletus. Teadaoleva faasikoostise korral on termodünaamiliste meetodite abil võimalik ennustada peatumistemperatuuri. Samuti saate lahendada pöördprobleemi – kasutades teadaolevaid temperatuure faaside koostise määramiseks. Seda pakutakse käesoleva uuringu raames.

Temperatuuripeatusi ja platvorme saab realiseerida ainult siis, kui on täidetud teatud protsessi kineetika nõuded. On loomulik eeldada, et need on nõuded peaaegu tasakaalus olevatele faasikompositsioonidele reaktsioonikohas ja ebaolulistele gradientidele difusioonikihtides. Selliste tingimuste järgimine on võimalik, kui protsessi kiirust ei kontrolli mitte sisemised tegurid (difusioonitakistus ja keemilise reaktsiooni enda takistus), vaid välised - reaktsioonikoha soojusvarustuse kiirus. Lisaks füüsikalises keemias määratletud heterogeense reaktsiooni peamistele viisidele: kineetikale ja difusioonile, nimetatakse seda protsessirežiimi termiliseks.

Pange tähele, et tahkefaasilise dissotsiatsiooniprotsessi termiline režiim on võimalik tänu reaktsiooni ainulaadsele olemusele, mis nõuab suure hulga soojuse tarnimist, ja samal ajal puuduvad lähteainete varustamise etapid. reaktsioonikoht (kuna toimub ühe aine lagunemine) ja tahke reaktsioonisaaduse eemaldamine piirfaasi liidesest (kuna see piir liigub). Jäänud on vaid kaks difusioonietappi: CO2 eemaldamine läbi gaasifaasi (ilmselt väga väikese takistusega) ja CO2 difusioon läbi oksiidi, mida hõlbustab oluliselt oksiidi pragunemine, täites varem lenduvate ainete poolt hõivatud ruumala. vingugaas.

Vaatleme termodünaamilist süsteemi temperatuuride piirväärtusest madalamal temperatuuril. Esiteks oletame, et karbonaat ei sisalda esimest ja teist tüüpi lisandeid. Me võtame arvesse kolmandat tüüpi lisandi võimalikku olemasolu, kuid ainult selleks, et näidata, et seda ei ole vaja teha. Oletame, et uuritav pulbrilise kaltsiidi proov koosneb identsetest raadiusega sfäärilistest osakestest r 0 . Joonistame termodünaamilise süsteemi piiri ühe kaltsiidiosakese pinnast teatud kaugusel, mis on selle raadiusega võrreldes väike, ja kaasame seega süsteemi teatud ruumala gaasifaasi.

Vaadeldavas süsteemis on 5 ainet: CaO, CaCO3, B3, CO2, B ja mõned neist osalevad ühes reaktsioonis. Need ained jagunevad nelja faasi vahel: CaO, CaCO3, B3, gaasifaas, millest igaühel on oma erinevate omaduste väärtused ja mis on teistest faasidest eraldatud nähtava (vähemalt mikroskoobi all) liidesega. Asjaolu, et faasi B3 esindab suure tõenäosusega hajutatud osakeste hulk, analüüsi ei muuda – kõik osakesed on omadustelt peaaegu identsed ja neid võib pidada üheks faasiks. Väline rõhk on konstantne, seega on ainult üks väline muutuja - temperatuur. Seega kõik vabadusastmete arvu arvutamise tingimused ( Koos) on määratletud: Koos = (5 – 1) + 1 – 4 = 1.

Saadud väärtus tähendab, et temperatuuri (ühe parameetri) muutumisel liigub süsteem ühest tasakaaluolekust teise ning faaside arv ja iseloom ei muutu. Süsteemi oleku parameetrid muutuvad: süsinikdioksiidi ja neutraalgaasi B temperatuur ja tasakaalurõhk ( T , P CO2 , R V).

Rangelt võttes ei kehti öeldu ühegi temperatuuri peatumise temperatuurist madalamate temperatuuride kohta, vaid ainult ajavahemiku kohta, mil algselt kineetilises režiimis toimunud reaktsioon lülitus üle termilisele režiimile ja tegelikult saab rääkida süsteemi lähedusest. parameetrid tasakaalu saavutamiseks. Madalamatel temperatuuridel on süsteem oluliselt tasakaalust väljas, kuid see ei mõjuta kuidagi proovi temperatuuri sõltuvuse olemust ajast.

Katse algusest peale on süsteem toatemperatuuril tasakaaluseisundis, kuid ainult seetõttu, et selles ei ole aineid, mis võiksid omavahel suhelda. See viitab kaltsiumoksiidile, mis sellistel tingimustel (süsinikdioksiidi osarõhk atmosfääris on ligikaudu 310–4 atm, tasakaalurõhk 10–23 atm) võib karboniseerida. Vastavalt reaktsiooni isotermi võrrandile, mis on kirjutatud, võttes arvesse tasakaalukonstandi (16.1) väljendust kondenseerunud ainete aktiivsusega, mis on võrdne ühtsusega:

Gibbsi energia muutus on positiivne, mis tähendab, et reaktsioon peaks toimuma vastupidises suunas, kuid see ei ole võimalik, kuna süsteemis pole alguses kaltsiumoksiidi.

Temperatuuri tõustes dissotsiatsioonielastsus (CO2 tasakaalurõhk karbonaadist kõrgemal) suureneb, nagu tuleneb isobaari võrrandist:

kuna reaktsiooni termiline efekt on suurem kui null.

Alles temperatuuril ligikaudu 520 C muutub dissotsiatsioonireaktsioon termodünaamiliselt võimalikuks, kuid see algab olulise viivitusega (inkubatsiooniperiood), mis on vajalik oksiidfaasi tuumastumiseks. Esialgu toimub reaktsioon kineetilises režiimis, kuid autokatalüüsi tõttu väheneb kineetilise etapi takistus kiiresti nii palju, et reaktsioon läheb termilisele režiimile. Sellest hetkest alates hakkab ülaltoodud termodünaamiline analüüs kehtima ja proovi temperatuur hakkab maha jääma hüpoteetilise võrdlusproovi temperatuurist, milles dissotsiatsiooni ei toimu (vt joonis 3).

Vaadeldav termodünaamiline analüüs jääb kehtima hetkeni, mil dissotsiatsioonielastsus jõuab väärtuseni 1 atm. Sel juhul eraldub proovi pinnale pidevalt süsihappegaasi rõhul 1 atm. See tõrjub õhku välja ja proovist saabuvad uued portsjonid selle asendamiseks. Süsinikdioksiidi rõhk ei saa tõusta üle ühe atmosfääri, kuna gaas pääseb vabalt ümbritsevasse atmosfääri.

Süsteem muutub põhjalikult, kuna nüüd ei ole proovi ümber gaasifaasis õhku ja süsteemis on üks komponent vähem. Vabadusastmete arv sellises süsteemis on c = (4 – 1) + 1 – 4 = 0

osutub võrdseks nulliga ja kui tasakaal säilib, ei saa selles muutuda olekuparameetrid, sealhulgas temperatuur.

Pangem nüüd tähele, et kõik järeldused (vabadusastmete arvu arvutamine jne) jäävad kehtima, kui me ei võta arvesse komponenti B3, mis suurendab nii ainete kui ka faaside arvu ühe võrra, mis on vastastikku kompenseeritud.

Temperatuuri peatumine toimub siis, kui kogu sissetulev soojus kulutatakse ainult dissotsiatsiooniprotsessile. Süsteem töötab väga hea temperatuuriregulaatorina, kui väike juhuslik temperatuurimuutus toob kaasa dissotsiatsioonikiiruse vastupidise muutuse, mis tagastab temperatuuri endisele väärtusele. Reguleerimise kõrge kvaliteet on seletatav sellega, et selline süsteem on praktiliselt inertsivaba.

Dissotsiatsiooniprotsessi arenedes liigub reaktsioonifront proovi sügavamale, samal ajal kui interaktsioonipind väheneb ja tahke reaktsiooniprodukti paksus suureneb, mis raskendab süsinikdioksiidi difusiooni reaktsioonikohast proovi pinnale. Alates teatud ajahetkest muutub protsessi termiline režiim segatuks ja seejärel difusiooniks. Juba segarežiimis muutub süsteem oluliselt mittetasakaaluliseks ja termodünaamilise analüüsi järeldused kaotavad praktilise tähenduse.

Dissotsiatsiooniprotsessi kiiruse vähenemise tõttu väheneb vajalik soojushulk nii palju, et osa sissetulevast soojusvoost hakatakse taas kulutama süsteemi kütmiseks. Sellest hetkest alates temperatuuri peatumine lakkab, kuigi dissotsiatsiooniprotsess jätkub kuni karbonaadi täieliku lagunemiseni.

Pole raske arvata, et kõige lihtsamal vaadeldaval juhul saab seiskamistemperatuuri väärtuse leida võrrandist

Termodünaamiline arvutus, kasutades seda võrrandit, kasutades TDHT andmebaasi, annab puhta kaltsiidi jaoks temperatuuriks 883 °C ja puhta aragoniidi jaoks 834 °C.

Teeme nüüd analüüsi keerulisemaks. 1. ja 2. tüüpi lisandeid sisaldava kaltsiidi dissotsiatsioonil, kui karbonaadi ja oksiidi aktiivsust ei saa pidada ühtsusega võrdseks, muutub vastav tingimus keerulisemaks:

Kui eeldada, et lisandite sisaldus on madal ja saadud lahuseid võib lugeda lõpmatult lahjendateks, siis võib viimase võrrandi kirjutada järgmiselt:

kus on vastava lisandi mooliosa.

Kui saavutatakse kaldu temperatuuriplatvorm ja mõlemad temperatuurid ( T 2 > T 1) üle puhta kaltsiumkarbonaadi seiskamistemperatuuri – K R (T 1) > 1 ja K R (T 2) > 1, siis on mõistlik eeldada, et teist tüüpi lisandid puuduvad või neil pole aega lahustuda () ja hinnata 1. tüüpi lisandite kontsentratsiooni alguses

ja temperatuuri peatumise lõpus

Esimest tüüpi lisandid peaksid reaktsioonifrondi liikumisel teatud määral kogunema CaCO3 – B1 lahusesse. Sel juhul väljendatakse platvormi kalde nurgakoefitsienti seosega:

kus 1 on komponendi B1 osakaal, mis naaseb algfaasi, kui see eraldatakse puhtal kujul; V S– kaltsiidi molaarmaht; v C– karbonaadi dissotsiatsiooni kiirus; – dissotsiatsioonireaktsiooni termiline efekt seiskamistemperatuuril; r 0 on kaltsiidiosakese algraadius.

Võrdlusandmete abil saate selle valemi abil arvutada v C- lahustumiskiirus

reeniumi komponent B1 kaltsiidis.

2.4.2 Paigaldusskeem ja töökord

Töös uuritakse kaltsiumkarbonaadi ja erinevate fraktsioonide dolomiidi dissotsiatsiooni.

Eksperimentaalse seadistuse diagramm on näidatud joonisel 4.

Joonis 4 – karbonaadi dissotsiatsiooni termogrammide uurimise seadmestiku skeem:

1 – korundtoru, 2 – karbonaat, 3 – termopaar, 4 – ahi,

5 – autotransformaator, 6 – ADC plaadiga personaalarvuti

Temperatuurini 1200 K eelsoojendatud ahju (4) paigaldatakse termopaariga (3) korundtoru (1) ja kaltsiumkarbonaadi uuritava prooviga (2). Proovi termogrammi jälgitakse personaalarvuti monitori ekraanil. Pärast isotermilise sektsiooni läbimist korratakse katset erineva karbonaadifraktsiooniga. Dolomiidi uurimisel kuumutatakse kuni kahe temperatuuri peatumiseni.

Saadud termogrammid on esitatud graafikul "temperatuur-aeg". Võrdluse hõlbustamiseks tuleb kõik termogrammid esitada ühel graafikul. Seda kasutatakse protsessi intensiivse arendamise temperatuuri määramiseks ja selle võrdlemiseks termodünaamilise analüüsi tulemusega. Tehakse järeldused temperatuuri, karbonaadi olemuse ja selle dispersiooniastme mõju kohta termogrammi olemusele.

2.4.3 Mõõtmistulemuste töötlemine ja esitamine

Oma töö tulemuste põhjal peaksite täitma järgmise tabeli:

Tabel 1. Kaltsiumkarbonaadi (dolomiidi) dissotsiatsiooniprotsessi uurimise tulemused

Andmefaili avamisel täidetakse kaks esimest veergu väärtustega, kaks viimast veergu tuleb arvutada. Silumine toimub üle viie punkti, silutud andmete numbriline diferentseerimine täiendava silumisega, samuti üle viie punkti. Töö tulemuste põhjal tuleks koostada kaks eraldiseisvat sõltuvusdiagrammi: t– ja d t/d – t .

Saadud temperatuuri peatumisväärtus ( T s) tuleks võrrelda puhta kaltsiidi iseloomuliku väärtusega. Kui vaadeldav väärtus on suurem, saab esimest tüüpi lisandite minimaalset sisaldust ligikaudselt hinnata võrrandi (16.7) abil, eeldades, et teist tüüpi lisandeid pole. Kui täheldatakse vastupidist seost, siis võime järeldada, et peamist mõju avaldavad teist tüüpi lisandid, ja hinnata nende minimaalset sisaldust eeldusel, et esimest tüüpi lisandeid pole. Võrrandist (16.6) järeldub, et viimasel juhul

Tasakaalukonstandi väärtus on soovitatav arvutada TDHT andmebaasi kasutades juhendis kirjeldatud meetodil. Äärmuslikul juhul võite kasutada võrrandit, mis lähendab Gibbsi energia muutuse sõltuvust kaltsiumkarbonaadi dissotsiatsiooni reaktsioonis temperatuuriga:

G 0 = B 0 + B 1 · T + B 2 · T 2 ,

võttes koefitsientide väärtused võrdseks: B 0 = 177820, J/mol; B 1 = -162,61, J/(mol K), B 3 = 0,00765, J mol -1 K-2.

Märge . Kui “Füüsikalise keemia” kursuse õpilased ei tunne TDHT andmebaasi ega ole praktilistes tundides vastavaid arvutusi teinud, siis tuleks kasutada Shvartsman-Temkini võrrandit ja teatmeraamatu andmeid.

Tulemuste töötlemise kord

1. Sisestage teabe käsitsi salvestamise tulemused tabelifaili.

2. Tehke temperatuuri väärtuste silumine.

3. Joonistage eraldi lehele temperatuuri ja aja graafik.

4. Eristage temperatuuriväärtusi aja jooksul 5 punkti silumisega.

5. Koostage eraldi lehel graafik temperatuuri tuletise ajasõltuvusest temperatuurist ja määrake kohtade omadused.

Testi tulemused:

1. Ülevaatamiseks esitatud tabeliraamatu esimene leht pealkirjaga „Tulemused” peab sisaldama järgmist teavet.

a. Lahtris "A1" - temperatuuri peatumisväärtus (kaldplatvormi keskmine), lahtris "B1" - mõõtühikud;

b. Lahtris "A2" - temperatuuri peatumise kestus, lahtris "B2" - mõõtühikud;

c. Lahtris "A3" - saidi kalle, lahtris "B3" - mõõtühikud;

d. Lahtris "A4" - lisandi tüüp või "0", kui lisandite olemasolu ei tuvastata;

e. Lahtris "A5" - lisandi moolifraktsioon;

f. Lahtrist “A7” alustades tuleks töö kohta tehtud järeldused selgelt sõnastada.

Lahtrid A1, A3 ja A5 peaksid sisaldama viiteid arvutustabeliraamatu teiste lehtede lahtritele, mille põhjal esitatud tulemuste saamiseks arvutused tehti, mitte arvväärtusi ise! Kui see nõue ei ole täidetud, annab kontrollprogramm teate "Teabe esitamise viga".

2. Korrektselt koostatud graafikud temperatuuri ja aja, temperatuuri ja aja tuletise ja temperatuuri tuletise ning temperatuuri ja aja tuletise aja ja aja kohta eraldi tabelilehtedel koos kõigi vajalike signatuuride ja märgetega.

3. Peatuste temperatuurihinnangud ja nende kestus.

4. Järeldused töö kohta.

Kontrollküsimused

1. Millest sõltub temperatuur, mille juures karbonaat õhus dissotsieeruma hakkab?

2. Miks karboniidi dissotsiatsiooni elastsus temperatuuri tõustes suureneb?

3. Kui suur on selle süsteemi vabadusastmete arv, milles on saavutatud tasakaal ainete CaO, CO 2, CaCO 3 vahel?

4. Kuidas muutub termogrammi olemus, kui dissotsiatsiooniprodukt moodustab algainega tahkeid lahuseid?

5. Milline karbonaadi dissotsiatsiooni heterogeense reaktsiooni moodus vastab termogrammi isotermilisele lõigule?

6. Kuidas muutub termogrammi välimus polüdispersse karbonaadi dissotsiatsiooni käigus?

7. Mille poolest erinevad 101,3 kPa ja 50 kPa kogurõhul saadud termogrammid?

2.5 Oksiidsulamite viskoossuse temperatuurisõltuvuse uuring (Töö nr 17)

2.5.1 Oksiidsulamite viskoossuse vastupidavuse olemus

Viskoossus on räbusulamite üks olulisemaid füüsikalisi ja keemilisi omadusi. Sellel on oluline mõju ioonide difusioonilisele liikuvusele ja seega ka metalli ja räbu interaktsiooni kineetikale, soojuse ja massiülekande protsesside kiirusele metallurgiaseadmetes. Viskoossuse temperatuurisõltuvuse uurimine annab kaudset teavet oksiidisulamite struktuurimuutuste ja kompleksanioonide parameetrite muutuste kohta. Koostis ja seega ka viskoossuse väärtus sõltub räbu otstarbest. Näiteks metalli ja räbu redoks-interaktsiooni difusioonietappide (väävlitustamine, fosforitatsioon jne) intensiivistamiseks valitakse räbu koostis nii, et selle viskoossus oleks madal. Vastupidi, selleks, et vältida vesiniku või lämmastiku ülekandumist terasesse gaasifaasist räbu kaudu, lisatakse suurenenud viskoossusega räbu.

Viskoossuse üheks kvantitatiivseks tunnuseks võib olla dünaamilise viskoossuse koefitsient (η), mis on defineeritud kui proportsionaalsustegur Newtoni sisehõõrdeseaduses.

Kus F– sisehõõrdejõud kahe kõrvuti asetseva vedelikukihi vahel, grad υ – kiiruse gradient, S– kihtide vaheline kokkupuutepind. Dünaamilise viskoossuse SI ühik on [η] = N s/m 2 = Pa s.

On teada, et vedeliku vool on osakeste hüpete jada kõrvalasuvasse stabiilsesse asendisse. Protsess on olemuselt aktiveeriv. Hüpete tegemiseks peab osakesel olema oma keskmise väärtusega võrreldes piisav energiavaru. Liigne energia on vajalik liikuva osakese keemiliste sidemete purustamiseks ja tühimiku (õõnsuse) moodustamiseks sulatise mahus, millesse see liigub. Temperatuuri tõustes suureneb osakeste keskmine energia ja rohkem saab neid voolus osaleda, mis viib viskoossuse vähenemiseni. Vastavalt Boltzmanni eksponentsiaalsele jaotusseadusele suureneb selliste "aktiivsete" osakeste arv temperatuuri tõustes. Sellest lähtuvalt on viskoossusteguri sõltuvusel temperatuurist eksponentsiaalne vorm

kus η 0 on temperatuurist veidi sõltuv koefitsient, Eη – viskoosse voolu aktiveerimisenergia. See iseloomustab voolus osalevate aktiivsete osakeste mooli kineetilise energia minimaalset reservi.

Oksiidsulamite struktuur mõjutab oluliselt viskoossustegurit. Erinevalt ioonide liikumisest elektrivälja mõjul liiguvad viskoosses voolus kõik vedeliku osakesed liikumissuunas järjestikku. Enim inhibeeritud etapp on suurte osakeste liikumine, mis annavad suurima panuse η väärtusesse. Selle tulemusena osutub viskoosse voolu aktiveerimisenergia suuremaks kui elektrijuhtivuse energia ( E η > E).

Oksiide Si, P, B sisaldavates happelistes räbudes on suur kontsentratsioon suurte komplekssete anioonide kujul ahelate, rõngaste, tetraeedrite ja muude ruumiliste struktuuride kujul (näiteks

Ja nii edasi.). Suurte osakeste olemasolu suurendab sulatise viskoossust, kuna nende liikumine nõuab väikestega võrreldes rohkem energiat.

Aluseliste oksiidide (CaO, MgO, MnO) lisamine toob kaasa lihtkatioonide (Ca 2+, Mg 2+, Mn 2+) kontsentratsiooni tõusu sulatis. Sisestatud O2– anioonid aitavad kaasa sulatise depolümerisatsioonile, s.o. komplekssete anioonide lagunemine, näiteks

Selle tulemusena väheneb räbu viskoossus.

Sõltuvalt temperatuurist ja koostisest võib metallurgilise räbu viskoossus varieeruda üsna laias vahemikus (0,01 – 1 Pa s). Need väärtused on suurusjärgus kõrgemad kui vedelate metallide viskoossus, mis on tingitud suhteliselt suurte vooluühikute olemasolust räbudes.

η vähenenud eksponentsiaalne sõltuvus T(17.2) kirjeldab hästi alla 35 mol sisaldavate aluseliste räbude katseandmeid. % SiO2. Sellistes sulandites on viskoosse voolu aktiveerimisenergia Eη on konstantne ja väikese väärtusega (45 – 80 kJ/mol). Temperatuuri langedes muutub η veidi ja alles tahkumisel hakkab see intensiivselt kasvama.

Kompleksi moodustavate komponentide suure kontsentratsiooniga happelistes räbudes võib aktiveerimisenergia temperatuuri tõustes väheneda: E η = E 0 / T, mis on põhjustatud kompleksanioonide lagunemisest kuumutamise ajal. Katseandmed on sel juhul lineariseeritud koordinaatides " lnη – 1/ T 2".

2.5.2 Paigalduse ja viskoossuse mõõtmise protseduuri kirjeldus

Viskoossusteguri mõõtmiseks kasutatakse töös pöörlevat viskosimeetrit (joonis 5). Selle seadme disain ja tööpõhimõte on järgmine. Katsevedelik (2) asetatakse silindrilisse tiiglisse (1), millesse on sukeldatud elastsel nööril (5) riputatud spindel (4). Katse käigus edastatakse elektrimootorilt (9) tulev pöördemoment kettale (7) ja sellelt nööri kaudu spindlile.

Oksiidsulami viskoossust hinnatakse nööri keerdnurga järgi, mis määratakse skaalal (8). Spindli pöörlemisel tekitab vedeliku viskoosne takistus pidurdusmomendi, mis väänab nööri, kuni nööri elastse deformatsiooni hetk saab võrdseks viskoosse takistuse jõudude momendiga. Sel juhul on ketta ja spindli pöörlemiskiirused samad. Vastavalt sellele olekule saab nööri keerdnurka (∆φ) mõõta, võrreldes noole (10) asendit skaala suhtes: esialgne - enne elektrimootori sisselülitamist ja püsiv - pärast sisselülitamist. Ilmselgelt, mida suurem on vedeliku η viskoossus, seda suurem on nööri keerdnurk ∆φ. Kui stringide deformatsioonid ei ületa piirmäära (vastab Hooke'i seaduse kehtivusele), on väärtus ∆φ võrdeline η-ga ja selle saab kirjutada:

Võrrandikoefitsient k, mida nimetatakse viskosimeetri konstandiks, sõltub tiigli ja spindli mõõtmetest, samuti nööri elastsusomadustest. Nööri läbimõõdu vähenedes suureneb viskosimeetri tundlikkus.

Joonis 5 – Viskoossuse mõõtmise paigaldusskeem:

1 – tiigel, 2 – uuritav sulam, 3 – spindlipea,

4 – spindel, 5 – nöör, 6 – paigalduse ülemine osa, 7 – ketas,

8 – skaala, 9 – elektrimootor, 10 – nool, 11 – ahi, 12 – trafo,

13 – temperatuuri reguleerimise seade, 14 – termopaar.

Viskosimeetri konstandi määramiseks k Tiiglisse pannakse teadaoleva viskoossusega vedelik – kampoli lahus trafoõlis. Sel juhul määratakse ∆φ0 katses toatemperatuuril. Seejärel arvutage, teades võrdlusvedeliku viskoossust (η0) antud temperatuuril k valemi järgi:

Leitud väärtus k kasutatakse oksiidisulami viskoossusteguri arvutamiseks.

2.5.3 Töökord

Metallurgiliste räbu viskoossusomadustega tutvumiseks uuritakse selles laboritöös Na 2 O · 2B 2 O 3 sulamit. Mõõtmised viiakse läbi temperatuurivahemikus 850–750 o C. Pärast algtemperatuuri (850 o C) saavutamist seatakse viskosimeetri nõel nulli. Seejärel lülitage elektrimootor sisse ja fikseerige nööri statsionaarne pöördenurk ∆φ t . Viskosimeetrit välja lülitamata korrake ∆φ t mõõtmist teistel temperatuuridel. Katse peatatakse, kui nööri keerdnurk hakkab ületama 720°.

2.5.4 Mõõtmistulemuste töötlemine ja esitamine

Mõõtmistulemuste põhjal täitke järgmine tabel.

Tabel 1. Viskoossuse sõltuvus temperatuurist

Tabeli kaks esimest veergu on täidetud monitori ekraanil temperatuurinäitude käsitsi salvestamise ja viskosimeetri skaalal oleva keerme pöördenurga tulemuste põhjal. Ülejäänud veerud arvutatakse.

Viskoossuskoefitsiendi temperatuuriga (17.2) muutuva eksponentsiaalse seaduse teostatavuse kontrollimiseks koostage graafik koordinaatides “Ln(η) – 10 3 / T" Aktiveerimisenergia leitakse funktsiooni LINEST() (OpenOffice.Calc) või LINEST() (MicrosoftOffice.Exel) abil, rakendades need tabeli viiendale ja kuuendale veerule.

Järeldustes võrreldakse saadud andmeid η ja E η metallurgiliste räbude puhul tuntud andmetega, käsitletakse viskoossuse temperatuurisõltuvuse olemust, seost sulatise struktuurimuutustega.

Tulemuste töötlemise kord

1. Mõõtke kalibreerimiskambris ja arvutage paigalduskonstant

2. Sisestage teabe käsitsi salvestamise tulemused tabelifaili.

3. Arvutage viskoossuse väärtused.

4. Joonistage eraldi lehele viskoossuse ja temperatuuri graafik.

5. Arvutage kogu mõõtmistulemuste komplekti viskoossuse logaritm ja absoluutne pöördtemperatuur.

6. Leia koefitsiendid vähimruutude meetodil b 0 , b 1 võrrandist, mis lähendab viskoossuse logaritmi sõltuvust pöördtemperatuurist, ja arvutage aktiveerimisenergia.

7. Joonistage eraldi lehel viskoossuse logaritmi sõltuvus pöördtemperatuurist ja andke ligikaudne sõltuvus Testi tulemused:

1. Ülevaatamiseks esitatud tabeliraamatu esimene leht pealkirjaga „Tulemused” peab sisaldama järgmist teavet.

a. Lahtris "A1" - algtemperatuur, lahtris "B1" - mõõtühikud;

b. Lahtris "A2" - lõpptemperatuur, lahtris "B2" - mõõtühikud;

c. Lahtris "A3" - viskoosse voolu aktiveerimisenergia madalatel temperatuuridel, lahtris "B3" - mõõtühikud;

d. Lahtris "A4" - madalatel temperatuuridel elektrijuhtivuse temperatuurisõltuvuse valemis olev eksponentsiaalne tegur, lahtris "B4" - mõõtühikud;

e. Lahtris "A5" - viskoosse voolu aktiveerimisenergia kõrgel temperatuuril, lahtris "B5" - mõõtühikud;

f. Lahtris "A6" - kõrgetel temperatuuridel elektrijuhtivuse temperatuurisõltuvuse valemis olev eksponentsiaalne tegur, lahtris "B6" - mõõtühikud;

g. Lahtrist “A7” alustades tuleks töö kohta tehtud järeldused selgelt sõnastada.

Lahtrid A1-A6 peaksid sisaldama viiteid arvutustabeliraamatu teiste lehtede lahtritele, mille põhjal esitatud tulemuse saamiseks arvutused tehti, mitte aga numbrilistele väärtustele! Kui see nõue ei ole täidetud, annab kontrollprogramm teate "Teabe esitamise viga".

2. Eksperimentaalsetest andmetest (punktidest) saadud ja polünoomi (joonega) ligikaudsed graafikud viskoossuse sõltuvuse temperatuurist ja viskoossuse logaritmi pöördtemperatuurist graafikud eraldi tabelilehtedel koos kõigi vajalike signatuuride ja sümbolitega. . Kontrollküsimused

1. Millises vormis on oksiidisulami komponendid, mis koosnevad CaO, Na 2 O, SiO 2, B 2 O 3, Al 2 O 3?

2. Mida nimetatakse viskoossusteguriks?

3. Kuidas muutub räbu viskoossuse temperatuurisõltuvus, kui sellele lisada aluselisi oksiide?

4. Millistes ühikutes mõõdetakse viskoossust?

5. Kuidas määratakse viskosimeetri konstant?

6. Mis määrab viskoosse voolu aktivatsioonienergia?

7. Mis on viskoossuse vähenemise põhjus temperatuuri tõustes?

8. Kuidas arvutatakse viskoosse voolu aktivatsioonienergia?

2.6 Mangaani redutseerimine oksiidisulamist teraseks

(Teos nr 18)

2.6.1 Metalli ja räbu vahelise elektrokeemilise interaktsiooni üldpõhimõtted

Vedelmetalli ja sularäbu interaktsiooni protsessid on suure tehnilise tähtsusega ja toimuvad paljudes metallurgiaüksustes. Nende üksuste tootlikkus, aga ka valmismetalli kvaliteet, sõltub suuresti teatud elementide ülemineku kiirusest ja täielikkusest üle faasipiiri.

Märkimisväärse arvu füüsikaliste ja keemiliste protsesside samaaegne toimumine erinevates faasides, kõrged temperatuurid ning hüdrodünaamiliste ja soojusvoogude olemasolu raskendavad faaside interaktsiooni protsesside eksperimentaalset uurimist tööstus- ja laboritingimustes. Selliseid keerulisi süsteeme uuritakse mudelite abil, mis kajastavad vaadeldava objekti individuaalseid, kuid kõige olulisemaid aspekte. Selles töös võimaldab metall-räbu liidesel toimuvate protsesside matemaatiline mudel analüüsida komponentide mahuliste kontsentratsioonide muutumist ja nende ülemineku kiirust üle liidese sõltuvalt ajast.

Mangaani redutseerimine oksiidisulamist toimub elektrokeemilise poolreaktsiooni kaudu:

(Mn 2+) + 2e =

Kaasnevad protsessid peavad olema oksüdatsiooniprotsessid. Ilmselgelt võib see olla raua oksüdatsiooniprotsess

= (Fe2+) + 2e

või terase koostises olevad lisandid, näiteks räni. Kuna räbus ei saa olla nelja laenguga räniiooni, kaasneb selle protsessiga räni-hapniku tetraeedri moodustumine vastavalt elektrokeemilisele poolreaktsioonile:

4(O2-) = (SiO44-) + 4e

Ainult ühe antud elektroodi poolreaktsiooni iseseisev esinemine on võimatu, kuna see toob kaasa laengute kuhjumise elektrilises kaksikkihis faasipiiril, mis takistab aine üleminekut.

Igaühe nende tasakaaluseisundit iseloomustab tasakaaluelektroodi potentsiaal ()

kus on standardpotentsiaal, on aine oksüdeeritud ja redutseeritud vormide aktiivsus, z– elektroodiprotsessis osalevate elektronide arv, R- universaalne gaasikonstant, F- Faraday konstant, T- temperatuur.

Mangaani redutseerimine räbust metalliks realiseerub vähemalt kahe elektroodi poolreaktsiooni koosmõjul. Nende kiirused on seatud nii, et liideses ei koguneks laenguid. Sel juhul omandab metalli potentsiaal statsionaarse väärtuse, mille juures elektronide tekke ja assimilatsiooni kiirused on samad. Erinevus tegelike, s.o. statsionaarset potentsiaali ja selle tasakaaluväärtust nimetatakse elektroodi polarisatsiooniks (liigpingeks), . Polarisatsioon iseloomustab süsteemi tasakaalust eemaldamise astet ja määrab komponentide ülemineku kiiruse üle faasipiiri vastavalt elektrokeemilise kineetika seadustele.

Klassikalise termodünaamika seisukohalt toimuvad süsteemis ühes või teises suunas protsessid mangaani taastamisel räbust rauas lahustunud räni abil:

2 (MnO) + = 2 + (SiO 2) H = -590 kJ/mol

ja lahusti ise (mangaani oksüdeerimine raudoksiidiga räbus

(MnO) + = + (FeO) =. H = 128 kJ/mol

Formaalse kineetika seisukohast peaks esimese reaktsiooni kiirus, mis on määratud näiteks ränisisalduse muutusega metallis tasakaalust kineetilises režiimis, sõltuma mangaanoksiidi kontsentratsioonide korrutisest metallis mingil määral räbu ja räni. Difusioonirežiimis peaks reaktsiooni kiirus sõltuma lineaarselt selle komponendi kontsentratsioonist, mille difusioon on takistatud. Sarnaseid arutlusi võib teha ka teise reaktsiooni kohta.

Reaktsiooni tasakaalukonstant, mida väljendatakse aktiivsusena

on ainult temperatuuri funktsioon.

Mangaani tasakaalukontsentratsioonide suhe räbus ja metallis

nimetatakse mangaani jaotusteguriks, mis seevastu sõltub faaside koostisest ja on selle elemendi räbu ja metalli vahelise jaotumise kvantitatiivne tunnus.

2.6.2 Protsessi mudel

Simulatsioonimudel käsitleb kolme elektroodi poolreaktsiooni, mis võivad tekkida oksiidisulami CaO – MnO – FeO – SiO 2 – Al 2 O 3 ja Mn ja Si sisaldava vedelraua vahel. Nende esinemise difusiooniviisi kohta on tehtud oletus. Arvesse võetakse Fe 2+ osakeste difusiooni pärssimist räbus, räni metallis ja mangaani difusiooni pärssimist mõlemas faasis. Üldine mudelit kirjeldav võrrandisüsteem omab kuju

Kus υ ј – elektroodi poolreaktsiooni kiirus, η j- polarisatsioon, i j– piirava difusioonivoolu tihedus, Dj– difusioonikoefitsient, β – konvektiivkonstant, C j- keskendumine.

Simulatsioonimudelprogramm võimaldab lahendada võrrandisüsteemi (18.4) – (18.8), mis võimaldab kindlaks teha, kuidas metalli ja räbu koosmõjul ajas muutuvad komponentide mahukontsentratsioon ja nende üleminekukiirused. Kuvatakse arvutustulemused. Monitori ekraanilt saadav teave sisaldab põhikomponentide kontsentratsioonide muutuste, nende hetkeväärtuste, samuti temperatuuri väärtuste ja konvektsioonikonstantide graafilist esitust (joonis 8).

Metalli ja räbu vastastikmõju simulatsioonimudeli programmi plokkskeem on toodud joonisel 7. Programm töötab tsüklis, mis peatub alles pärast määratud simulatsiooniaja (ca 10 minutit) möödumist.

Joonis 7 – Simulatsioonimudeli programmi plokkskeem

2.6.3 Töökord

Simulatsiooniprogrammiga genereeritud pilt on näidatud joonisel 8 (parem paneel). Paneeli ülaosas on valitud mõõdetud suuruste arvväärtused, graafikul kuvatakse kõik protsessi simulatsiooni käigus saadud väärtused. Metalli- ja räbusulamite komponentide tähistustes kasutatakse metallurgiaalases kirjanduses aktsepteeritud täiendavaid sümboleid. Ruudusulud näitavad, et komponent kuulub metallisulamite hulka ja ümarsulud näitavad, et komponent kuulub räbusulatisse. Komponentide tähistuste kordajaid kasutatakse ainult joonistamiseks ja neid ei tohiks väärtuste tõlgendamisel arvesse võtta. Mudeli töötamise ajal kuvatakse igal ajahetkel ainult ühe mõõdetud suuruse väärtust. 6 sekundi pärast see kaob ja kuvatakse järgmine väärtus. Selle aja jooksul peab teil olema aega järgmise väärtuse üleskirjutamiseks. Aja säästmiseks on soovitatav mitte kirjutada üles konstantseid numbreid, näiteks temperatuuri väärtuse juhtühikut.

Joonis 8. Pilt monitori ekraanist töö nr 18 teostamisel protsesside erinevatel etappidel.

Neli kuni viis minutit pärast installimise algust lisage räbule eelsoojendatud mangaanoksiid. Selleks vajutage samaaegselt põhiklaviatuuril klahvi Alt ja installinumbriga numbriklahvi. Tulemuste töötlemise järjekord:

1. Sisestage teabe käsitsi salvestamise tulemused tabelifaili.

2. Arvutage elementide üleminekuprotsesside kiirused üle faasidevahelise piiri ja nende väärtuste logaritmid enne ja pärast mangaanoksiidi lisamist räbule metallisulami massiga 1400 kg.

3. Koostage eraldi lehtedel graafikud temperatuuri ja aja, mangaani üleminekukiiruse ja aja, räni üleminekukiiruse logaritmi ja räni kontsentratsiooni logaritmi kohta metallis.

4. Kasutades vähimruutude meetodit, hinnake räni siirdeprotsessi kineetilised omadused.

Testi tulemused:

1. Eelmises jaotises loetletud õigesti vormindatud graafikud eraldi tabelilehel koos kõigi vajalike allkirjade ja märgetega.

2. Räni oksüdatsioonireaktsiooni järjekorra väärtused enne ja pärast mangaanoksiidi sisestamist, mis näitavad vigu.

3. Järeldused töö kohta.

Kontrollküsimused

1. Miks on vaja terase tootmisprotsesse modelleerida?

2. Milline on metalli vastasmõju räbuga ja kuidas see avaldub?

3. Millist potentsiaali nimetatakse statsionaarseks?

4. Millist potentsiaali nimetatakse tasakaaluks?

5. Mis on elektroodi polarisatsioon (liigpinge)?

6. Milline on mangaani jaotuskoefitsient metalli ja räbu vahel?

7. Millest sõltub mangaani jaotuskonstant metalli ja räbu vahel?

8. Millised tegurid mõjutavad mangaani ülemineku kiirust metallist räbu difusioonirežiimis?

Bibliograafia

1. Lynchevsky, B.V. Metallurgilise katse tehnika [Tekst] / B.V. Lyntševski. – M.: Metallurgia, 1992. – 240 lk.

2. Arsentjev, P.P. Füüsikalis-keemilised meetodid metallurgiaprotsesside uurimiseks [Tekst]: õpik ülikoolidele / P.P. Arsentjev, V.V. Jakovlev, M.G. Krasheninnikov, L.A. Pronin jt - M.: Metallurgia, 1988. - 511 lk.

3. Popel, S.I. Sulametalli koostoime gaasi ja räbuga [Tekst]: õpik / S.I. Popel, Yu.P. Nikitin, L.A. Barmin ja teised - Sverdlovsk: toim. UPI nime saanud CM. Kirova, 1975, – 184 lk.

4. Popel, S.I. Metallurgiliste protsesside teooria [Tekst]: õpik / S.I. Popel, A.I. Sotnikov, V.N. Boronenkov. – M.: Metallurgia, 1986. – 463 lk.

5. Lepinskikh, B.M. Metalli- ja räbusulate transpordiomadused [Tekst]: Directory / B.M. Lepinskikh, A.A. Belousov / Under. toim. Vatolina N.A. – M.: Metallurgia, 1995. – 649 lk.

6. Belay, G.E. Metallurgiaeksperimendi korraldamine [Tekst]: õpik / G.E. Belay, V.V. Dembovsky, O.V. Sotsenko. – M.: Keemia, 1982. – 228 lk.

7. Panfilov, A.M. Termodünaamiliste omaduste arvutamine kõrgetel temperatuuridel [Elektrooniline ressurss]: õppe- ja metoodiline käsiraamat kõigi haridusvormide metallurgia- ja füüsikaliste inseneriteaduskondade üliõpilastele / A.M. Panfilov, N.S. Semenova – Jekaterinburg: USTU-UPI, 2009. – 33 lk.

8. Panfilov, A.M. Termodünaamilised arvutused Exceli tabelites [Elektrooniline ressurss]: juhised kõigi haridusvormide metallurgia- ja füüsika-tehniliste teaduskondade üliõpilastele / A.M. Panfilov, N.S. Semenova - Jekaterinburg: USTUUPI, 2009. - 31 lk.

9. Füüsikaliste ja keemiliste suuruste lühiteatmik / Pod. toim. A.A. Ravdel ja A.M. Ponomarjova. L.: Keemia, 1983. – 232 lk.

KASAHSTANI VABARIIGI HARIDUS- JA TEADUSMINISTEERIUM RSE "KARAGANDA RIIK TÖÖSTUSÜLIKOOL" METALLURGIA JA MATERIAALTEADUSTE OSAKOND Sisseastumiseksami programm eriala magistrikraadi saamiseks metallurgiliste protsesside valdkond. Metallide jaotus mustadeks ja värvilisteks. Metallide ja sulamite tootmisel kasutatavad füüsikalise ja keemilise tasakaalu põhiseadused. Tasakaalu arvutatud karakteristikud. 2. Metallurgia tootmise tooraine ja nende valmistamine. Maagi. Maakide üldised omadused. Kütus metallurgia tootmiseks, tahke, vedel ja gaasiline Maakide ettevalmistamine sulatamiseks. Maakide rikastamise, purustamise ja aglomeratsiooni skemaatilised diagrammid. Maakide aglomeratsiooni käigus toimuvad protsessid. Laengute põhikomponendid 3. Raua tootmine. Tootmisprotsessi üldskeem. Kõrgahju profiil. Põhielemendid ja nende otstarve. Räbustid ja kõrgahjukütus. Raudoksiidide redutseerimine ja süsinikuühendite lagunemine. Räni ja mangaani vähendamine. Protsessid kõrgahju sepikojas. Räbu teke ja selle füüsikalised omadused. Väävli eemaldamine. Tehnilised ja majanduslikud näitajad. 4. Terase tootmine. Teraste klassifikatsioon. Omandamise meetodid. Laadige materjalid terase valmistamiseks. Metalliline ja mittemetalliline rühm. Terase valmistamise protsesside termodünaamika ja kineetika. Terasest räbu. Nende hariduse allikad. Füüsikalis-keemilised omadused. Terase valmistamise protsesside põhireaktsioonid. Räni, mangaani, väävli ja fosfori käitumine. Gaasid ja mittemetallilised lisandid terases. Eemaldamise meetodid. Terase deoksüdatsioon legeerimine. Deoksüdatsiooni meetodid. 5. Terase tootmine konverterites. 2 Konverteriprotsesside üldpõhimõtted ja tüübid. LD protsessi skemaatiline diagramm. Põhilised disainielemendid. LD-protsessi kasutades sulatamise üldpõhimõtted. TEP protsess. 6. Alumised protsessid. Avatud koldeahju tööskeem. Ahju põhielemendid. Protsessi sordid. Gaasifaasi oksüdatiivne iseloom. Kütus. Sulamisperioodid. Lisandite oksüdatsioon. Sulatamise edenemine peamiste vanametalli maagi ja vanaraua protsesside käigus. Ahju soojustöö ja süsiniku oksüdatsiooni kiiruse seos. Avatud koldeprotsessi sordid. Hapnikuga sulatamise intensiivistamine. Kahekordsed vanni ahjud. Terase kvaliteet ning protsessi tehnilised ja majanduslikud näitajad. 7. Terassulatus elektriahjudes. Puitlaastplaadi konstruktsioonielemendid. Elektriskeem. Elektroodid. Terase sulatamise tehnoloogilised omadused peamises EAF-is. Sulamisperioodid. Raskeveokite ahjude sulatustehnoloogia sordid. 8. Terassulatus elektrilistes ümbersulatusahjudes. Terase sulatamine induktsioonahjudes. Tehnoloogia eelised puitlaastplaadiga võrreldes. ESR, VDP protsessid. 9. Ferrosulamite tootmine. Väikese rühma ferrosulamite tootmistehnoloogia alused Ti alusel, V. Protsesside tehnilised ja majanduslikud näitajad. 10. Värviliste metallide tootmine. Üldine informatsioon. Tootmismeetodid (püro-, hüdro- ja elektrometallurgilised). Vase metallurgia. Vase tootmise pürometallurgilise meetodi skeem. Kontsentraatide röstimine ja mati sulatamine kaja- ja elektriahjudes. Vaskmattide muutmine. Vase rafineerimine. 3 11. Alumiiniummetallurgia. Alumiiniumi metallurgia. Alumiiniumi tootmise toorained ja meetodid. Alumiiniumi tootmisskeem. Alumiiniumoksiidi tootmine. Alumiiniumi rafineerimine. 12. Tulekindlate metallide tootmine. Tulekindlate metallide tootmine. Kloriidi meetodid metalli tootmiseks. Titaani tootmise põhitõed. Toored materjalid. Titaantetrokloriidi valmistamine. Jodiidi meetod titaani tootmiseks. Tulekindlate metallide tootmine. Volframi tootmise tehnoloogia. Maagi rikastamine. Volframikontsentraadi töötlemise skeem. Metalli volframipulbri valmistamine WO3-st. 13. Extradomain raua kättesaamine. Domeenivälise raua tootmise protsesside üldised omadused. 14. Kaevanduste redutseerimise ja sulatamise protsess. Käsnraua tootmine šahtahjudes. 15. Käsnraua tootmine perioodiliselt töötavates retortides. Seadme tööpõhimõte, kasutatud tooraine ja kütus. Meetodi eelised ja puudused. 16. Käsnraua valmistamine keevkihis Seadme tööpõhimõte, kasutatav tooraine ja kütus. Meetodi eelised ja puudused. 17. Käsnraua valmistamine pöördahjus Seadme tööpõhimõte, kasutatav tooraine ja kütus. Meetodi eelised ja puudused. 4 18. Käsnraua tootmine pidevahjudes Seadme tööpõhimõte, kasutatav tooraine ja kütus. Meetodi eelised ja puudused. 19. Pulbermetallurgia Pulbermetallurgia toodete klassifikatsioon ja põhimõisted. 20. Metallipulbrite omadused. Tehnoloogilised, keemilised ja füüsikalised omadused. 21. Pulbrite valmistamine. Mehaanilised töötlemismeetodid ja füüsikalis-keemilised meetodid. 22. Pulbermaterjalide ettevalmistamine vormimiseks. Klassifitseerimine, keskmistamine, segamine ja seadmed nende toimingute tegemiseks. 23. Vormimisprotsessi üldmõisted ja teoreetilised alused. Plastilised deformatsioonid, tihendid sõltuvalt pulbermaterjalide omadustest. Komponentide doseerimine, segamine. Vormimisel kasutatavad seadmed. 24. Defektid pressimisel ja selle tekkimist soodustavad tegurid. Defektide põhjused ja kõrvaldamise meetodid. 25. Pulbrite rullimine. Meetod, mida kasutatakse teatud toodete saamiseks. 5 SOOVITUSLIK KIRJANDUS Põhikirjandus: 1. Voskoboynikov V.G., Kudrin V.A., Yakushev A.m. Üldine metallurgia. – M.: ICC “Akademkniga”. 2002. – 786 lk. 2. Arsentiev M.P., Jakovlev V.V., Krašeninnikov M.G. ja teised Üldmetallurgia. – M: metallurgia. 1986.-360 lk. 3. Yavoisky V.I., Kryakovsky Yu.V., Grigoriev V.P. jt Terasemetallurgia. M. "Metallurgia", 1983, 583 lk. Illusest. 4. Bigeev A.M., Bigeev V.A., Terasemetallurgia. Magnitogorsk, MSTU, 2000 – 542 lk. 5. Kudrin V.A. Terase tootmise teooria ja tehnoloogia. – M.: Mir. 2003 – 528lk. 6. Bornatski I.I., Mihnevitš V.F., Jargin S.A. Terase tootmine. M.: Metallurgia. 1991. – 400 s. 7. Sokolov G.A. Terase tootmine. M., “Metallurgia”, 1982, 496 lk. Illusest. 8. Shishkin Yu.I., kaupmees A.K., Grigorova O.A. Konverterprotsesside teooria ja tehnoloogia. Almatõ. Gylym. 2006. – 192 lk. 9. Bornatski I.I. Mihnevitš V.F., Yargin S.A. Terase tootmine. M., “Metallurgia”, 1991, 400 lk. 10. Shishkin Yu.I., Lukin G.P. Metallurgilised arvutused, Almatõ RIK., 2002. – 115 lk. 11. Ryss M.A. Ferrosulamite tootmine.-M: Metallurgia. 1985-344lk. 12. Popel S.I., Sotnikov A.I., Boronenkov V.N. Metallurgiliste protsesside teooria.-M: Metallurgia, 1986.-464lk. 13. Ageenkov V.G., Mihhin Ya.Ya. Metallurgilised arvutused. M: Metallurgia 1962, -208 lk. 14. Edneral F.P., Filippov A.F. Terase ja ferrosulamite elektrometallurgia arvutused. –M.: Metallurgizdat, 1978.-230 lk. 6 15. Kramarov A.D., Sokolov A.N. Terase ja ferrosulamite elektrometallurgia. –M.: Metallurgia, 1976.-375 lk. 16. Kaupmees A.K., Shishkin Yu.I. Artykbaev O.A. Teooria, tehnoloogia ja seadmed metallide ahjuväliseks töötlemiseks - Almatõ: Gylym, 2004.-273lk. 17. Sevrjukov N.N., Kuzmin B.A., Tšelištšev E.V. Üldmetallurgia M.: Metallurgia, 1976.-568 lk. 18. Üldmetallurgia (mustade ja värviliste metallide metallurgia). Toimetanud E.V. Chelishchev. - M: Metallurgia, 1971.-480 lk. 19. Knjazev V.F. Koksivaba rauametallurgia. M: Metallurgia, 1972 20. Tleugabulov S.M. Metallide, sulamite ja kõrgtehnoloogiliste materjalide tootmise teoreetilised alused. Almatõ: RIK õppe- ja metoodilise kirjanduse väljaanne, 2001, 332 lk 21. Kiparisov S.S., Libenson G. Pulbermetallurgia. Õpik. M. "Metallurgia", 1997. Lisakirjandus 1. Ishmukhamedov N.K. Kasahstani mustmetallurgia. Almatõ: teadusuuringute keskus. “Gylym”, 2002.-50 lk. 2. Terase ja ferrosulamite elektrometallurgia. Toimetanud Dovolotsky D.Ya. M.: Metallurgia, 1984.-438 lk. 3. Gasik M.I., Ljakišev N.P. Emlin B.I. Ferrosulamite tootmise teooria ja tehnoloogia. –M.: Metallurgia, 1988.-784 lk. 4. Shishkin Yu.I., Polshikov G.V., Bogomyakov V.I. Lubja kasutamise efektiivsus fosformalmi ümberjaotamisel raskeveokite konverterites.-Karaganda: ENSV Teadus- ja Tehnikaühingute Liit, 1991.-43lk. 5. Yavoisky V.I., Levin S.L., Baptistmansky V.I. jt. Terasemetallurgia M.: Metallurgia 1973.-816 lk. Illusest. 6. Medžibožski M.Ya. Terase tootmisprotsesside termodünaamika ja kineetika alused. Kiiev, “Visha kool”, 1979, 276 lk. Illusest. 7 7. Linchevsky B.V., Sobolevsky A.L., Kalmenev A.A. Mustmetallide metallurgia. – M.: Metallurgia, 1986. – 360 lk. 8. Ponomareva K.S. Füüsikalise keemia ülesannete kogu - M.: Metallurgizdat, 1962.-232lk. 9. Arsentiev M.P., Jakovlev V.V., Krašeninnikov M.G. ja teised Üldmetallurgia. – M: Metallurgia. 1986.-360 lk. 10. Tleugabulov S.M. Raua süsinikuga tahkefaasilise redutseerimise teooria ja tehnoloogia. Almatõ: Gylym, 1992. 311 lk. 11. Kiparisov S.S., Libenson G. Pulbermetallurgia. Õpik. M. "Metallurgia", 1972, 528 lk. 8