- •Доклад на тему: «Роль физической химии в металлургии»
- •2013 Год
- •1. Роль физической химии в металлургии
- •2.Теоретический подход
- •2.1. Введение.
- •2.2.Основы химической термодинамики.
- •2.3. Первый закон термодинамики.
- •2.4. Работа.
- •2.5. Теплота. Калорические коэффициенты
- •2.6. Термохимия.
- •2.7. Второй закон термодинамики. Энтропия.
- •2.8 Термодинамические потенциалы.
- •2.9. Гетерогенные равновесия. Правило фаз Гиббса. Фазовые равновесия
- •2.10. Химическое равновесие.
- •3. Практическая часть.
- •3.1 Термодинамический анализ
- •3.2. Закон сохранения энергии и тепловые явления
- •3.3. Растворы
- •3.4.Правило фаз и диаграммы состояния.
- •3.5.Электролиты.
- •3.6. Поверхностные явления.
- •3.7. Кинетика гетерогенных реакций.
- •3.8. Скорости металлургических процессов.
- •3.8.1. Растворение твердых тел в жидкостях
- •3.8.2. Плавление скрапа
- •3.8.3. Растворение газов и дегазация
- •3.8.4. Обезуглероживание жидкой стали
- •3.8.5. Десульфурация стали
- •3.8.6. Кристаллизация стали
- •3.9.Моделирование и использование эвм при анализе сложных металлургических систем.
3.5.Электролиты.
Некоторые технически важные процессы металлургии основаны на свойстве растворов и расплавов многих неорганических веществ проводить электрический ток и претерпевать химические превращения при его воздействии.
При плавлении солей связь между составляющими их ионами ослабевает, они приобретают подвижность. Расплавленные соли и их смеси проводят электрический ток. Эти их свойство имеет важнейшее технические значение. Многие металлы получают путем электролиза таких расплавов.
Жидкие металлургические шлаки также являются электролитами и представляют собой смесь расплавленных солей — главным образом кислородных — преимущественно это силикаты. В расплавленном состоянии шлаки хорошо проводят электрический ток. Это обстоятельство имеет важное значение для работы дуговых электрических печей. Как показывают опыты по электролизу жидких шлаков, носителями тока в них являются преимущественно ионы металлов.
Обычно в состав металлургических шлаков входят окислы таких металлов, как кальций, магний, железо, алюминий, а также таких элементов, как кремний и фосфор. Кроме того, шлаки содержат и некоторое количество сульфидов. В расплавах ионы, на которых построены перечисленные соединения, образуют один общий раствор. Он состоит как из простых ионов: анионов кислорода и серы (О2-, S2~), катионов кальция, магния, железа (Са2+, Mg2+, Fe2+, Fe3+), так и сложных анионов — главным образом силикатных. Образование сложных силикатных анионов объясняется очень сильным взаимодействием между атомами кремния и кислорода, которое возникает вследствие того, что четырехзарядный ион кремния Si4+с таким большим зарядом отличается малым геометрическим размером. Поэтому электрическое поле вокруг такой частицы очень велико и она должна очень сильно притягивать к себе противоположно заряженные ионы кислорода. Это притяжение настолько сильно, что происходит как бы химическая реакция, в результате которой возникает новый ион SiO4-4 со значительными внутренними связями. Возникновение этого иона по существу и отражает образование ортосиликата из кремнезема и какого-либо окисла металла, например кальция
2CaO+ SiO2=Ca2SiO4.
Рентгеновские исследования показали, что основной структурной единицей всех силикатов является тетраэдр, в центре которого расположен атом кремния, а в четырех вершинах — атомы кислорода.
Такие тетраэдры в результате того, что в любом электролите должна соблюдаться электронейтральность, окружены катионами металлов. Если содержание окислов металлов в шлаке велико по сравнению с содержанием кремнезема, то число ионов кислорода из металлических окислов достаточно, чтобы образовать изолированные, или «островные» анионы SiO4-4 и, кроме того, остаются свободные анионы кислорода О2- . Если же в расплаве преобладает кремнезем, а окислов металлов сравнительно мало, то кислорода может не хватить на образование «островных» ионов SiO4-4. «Экономия» кислорода в таких случаях достигается тем, что происходит объединение двух или большего числа «островных» тетраэдров при помощи кислородных «мостиков». В результате образуются сложные кремнекислородные анионы.
Реакция образования такого наиболее простого из сложных анионов (Si2O7)6- схематически может быть изображена следующим образом:
Таким образом, чем больше содержание кремнезема и шлаке, тем меньше остается «свободных» ионов кислорода О2-. Подобные шлаки называются кислыми, а шлаки с высоким содержанием «свободных» ионов кислорода—основными.
При недостатке металлических окислов и здесь образуются сложные фосфоркислородные анноны. Итак по существу силикаты и фосфаты — есть соли кислородных кислот, окислы металлов играют роль оснований, а окись кремния и пятиокись фосфора— роль кислот, связывающих ионы кислорода. Таким образом, жидкий шлак состоит из катионов металлов, анионов кислорода и кремнекислородных и фосфоркислородных анионов различной сложности, а также из анионов серы. В результате электростатического отталкивания ионов одного знака и притяжения ионов разных знаков катионы шлака окружены анионами и наоборот. Жидкий шлак можно рассматривать состоящим из двух растворов, занимающих один и тот же объем и как бы вставленных друг в друга — раствора катионов и раствора анионов.
В доменных печах, где атмосфера является восстановительной, а шлаки содержат большое количество кремнезема, фосфор не может быть удален из чугуна, однако десульфурация металла осуществляется в значительно степени.
Доменные шлаки, а также шлаки кислых мартеновских печей отличаются более сложным строением, чем основные. Это обусловлено образованием различных пространственных группировок из кремнекислородных и алюминийкислородных анионов. В шлаках наряду с ионной электростатической связью между частицами проявляются и направленные химические силы, обусловливающие образование микроскопических областей, напоминающих по своему строению химические соединения.
Для успешного осуществления процессов рафинирования расплавленных металлов применяемые шлаки должны иметь низкие температуры плавления и высокую жидкоподвижность, чтобы перенос примесей из металла в шлак происходил достаточно быстро.