Типовые операции и процессы плавки литейных сплавов Горение топлива

При выплавке литейных сплавов используются твердые, жид­кие и газообразные виды топлива. При всем многообразии соста­вов топлива данных видов основными горючими составляющими их являются углерод, водород и углеводороды. Рассмотрим зако­номерности процессов горения горючих составляющих топлива.

Горение углерода. Взаимодействие углерода топлива с кисло­родом в плавильных печах может происходить по одной из следу­ющих реакций:

реакция полного горения

ЛИТЕЙНЫЕ СПЛАВЫ И ПЛАВКА 1

ЛИТЕЙНЫЕ СВОЙСТВА СПЛАВОВ 3

1.1. Технологические свойства сплавов и важность их определения для практики 3

1.2. Номенклатура литейных свойств сплавов 4

1.3. Жидкотекучесть. Технологические пробы 4

1.4. Склонность отливок к образованию усадочных раковин и пористости 15

1.5. Линейная усадка сплавов и отливок 26

1.6. Усадочные напряжения в отливках 31

1.7. Склонность сплавов и отливок к горячим трещинам 42

1.8. Склонность сплавов и отливок к холодным трещинам 49

3.9. Склонность сплавов к насыщению газами и образованию газовой пористости 52

1.10. Неметаллические включения и плены в сплавах 58

1.11. Склонность компонентов сплавов к ликвации 60

1.12. Зависимость механических свойств сплавов от толщины стенок отливок 67

5-1- Чугуны 75

5.2. Серый чугун с пластинчатым графитом 98

5.3. Высокопрочный чугун 103

5.4. Чугун с вермикулярным графитом 107

5.5. Ковкий чугун 108

5.6. Легированные чугуны 112

5.7. Синтетический чугун 114

5.8. Литейные стали 114

А = 1/В. 168

∆Н°т = ∆H°298 + ∫∆cpdT. 174

эн.юо 211

/ = ah, 237

Схема и принцип действия трехфазной дуговой 247

печи 247

11.2. Технология плавки 248

Особенности конструкции и технологии плавки чугуна в дуговых печах постоянного тока 251

Принцип действия индукционных тигельных печей 252

А, =503^, (Ш) 255

Электромагнитное перемешивание металла в тигле 257

Нт=к(12.3) 257

12.4. Основные элементы конструкции печей промышленной частоты 258

Изготовление футеровки печи 259

Технология плавки чугуна в индукционных тигельных печах промышленной частоты 261

12.7. Особенности плавки чугуна в индукционных тигельных печах средней частоты 264

Индукционные канальные печи в чугунолитейном производстве 266

12.9. Сравнительный анализ процессов плавки чугуна в современных чугуноплавильных печах 271

13.1. Технология получения высококачественного серого чугуна с пластинчатым графитом 271

13.2, Технология получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом 278

13.3. Производство чугуна с вермикулярным графитом 284

13.4. Производство ковкого чугуна 284

13.5. Плавка легированных чугунов 287

ПЛАВКА СТАЛИ 289

14.1. Плавка стали в мартеновских печах 289

14.2. Плавка стали в конвертерах 294

14.3. Плавка стали в дуговых печах 296

14.4. Плавка стали в индукционных тигельных печах 301

14.5. Плавка стали в плазменных печах 304

14.6. Электрошлаковый переплав стали 305

14.7. Внепечная дегазация стали 306

15.1. Плавка сплавов на основе алюминия 308

15.2. Плавка сплавов на основе магния 314

15.3. Плавка сплавов на основе цинка 318

15.4. Плавка медных сплавов 319

15.5. Плавка сплавов на основе никеля 323

15.6. Плавка титановых сплавов 324

К разделу 1 326

К разделу II 326

Приведенные данные показывают, что процессы взаимодей­ствия углерода с окислителем могут протекать самопроизвольно как с выделением тепла, так и с его поглощением. Термодинами­ческий анализ реакций, описывающих эти процессы, позволяет выявить движущие силы этих реакций и условия их протекания.

Известно, что самопроизвольное протекание реакции возмож­но при условии, если изменение энергии Гиббса AG в результате

реакции имеет отрицательное значение. Это изменение в свою очередь определяется уравнением Гиббса

A G°_T =∆Ht°-T∆S°_T, (5)

где A G°_T- изменение энергии Гиббса в результате реакции; АЩ - изменение энтальпии системы в результате реакции; Т - термо­динамическая температура, при которой протекает реакция; ∆Sj - изменение энтропии системы в результате реакции.

Энтропия, как известно из курса физической химии, является характеристикой термодинамической вероятности состояния тела, или показателем степени беспорядка, хаотичности расположения частиц, образующих это тело.

Наименьшее значение энтропии соответствует твердому крис­таллическому состоянию тела. Расположение элементарных час­тиц в кристаллическом теле упорядочено в максимально возмож­ной степени. При переходе вещества в жидкое состояние этот по­рядок нарушается, энтропия растет. Переход в газообразное со­стояние приводит к еще большей неупорядоченности частиц, и энтропия становится максимальной. Поэтому существенный рост энтропии характерен для реакций, сопровождающихся образованием газообразных продуктов или увеличением количества газов по срав­нению с исходным состоянием.

Важно отметить также, что энтропийная составляющая в урав­нении Гиббса (произведение T∆Sj) приобретает существенное зна­чение только при высокой температуре.

Таким образом, движущими силами реакции может быть:

• стремление системы к минимуму энергии, т. е. к выделению теплоты (∆H°T— отрицательное);

• стремление к максимуму хаоса как наиболее вероятному со­стоянию любой системы (∆Sj — положительное).

Из анализа уравнения Гиббса следует, что отрицательные зна­чения ∆G°_T могут быть получены при следующих четырех сочета­ниях возможных движущих сил.

1. При отрицательном значении изменения энтальпии ∆Ht°, (или при положительном значении Q), т.е. при экзотермических реакциях. При этом изменение энтропии близко к нулю.

2. При отрицательном значении изменения энтальпии АЩ и отрицательном значении произведения T∆S°_T

3. При положительном значении изменения энтальпии, но при таких больших положительных значениях произведения T∆S°_T что­бы по абсолютной величине это произведение превышало рост энтальпии ∆Ht°. Этот случай характерен для эндотермических реакций.

4. При отрицательном значении изменения энтальпии ∆Ht° и при положительном значении произведения T∆S°_T Приведенные выше реакции (1)...(4) взаимодействия угле­рода с окислителем являются примером существования на прак­тике всех этих вариантов. Экспериментально полученные зависи­мости изменения свободной энергии Гиббса от температуры для рассматриваемых процессов представлены графически на рис. 1.

Реакция полного горения углерода (1) протекает без измене­ния числа молей газа, не сопровождается ростом энтропии. По­этому единственной движущей силой этой реакции является энер­гетический фактор. Влияние температуры на величину AG°_T пре­небрежимо мало. Эта реакция завершается с большой степенью полноты, является необратимой, т.е. полученный углекислый газ не может разлагаться с образованием свободного кислорода.

Реакция неполного горения углерода (2) сопровождается уве­личением количества газов с 0,5 моль кислорода до 1 моль СО (на 1 моль углерода). Поэтому движущими силами этой реакции явля­ются как энергетическая, так и энтропийная составляющие. Энт­ропийная составляющая усиливается по мере повышения темпе­ратуры, при этом прочность СО возрастает. Реакция (8.2), как и реакция (1), необратима.

Реакция (3) догорания оксида углерода (И) (СО) до оксида углерода (IV) (С0₂) протекает с выделением тепла, но, в отли­чие от реакции (2), сопровождается уменьшением общего числа молей газов с 1,5 до 1, а следовательно, и уменьшением энтропии системы. В результате этого с повышением температуры величина A G°_T уменьшается по абсолютной величине. Выше 3000 К реакция (8.3) протекает в обратном направлении. Из приведенных рассуж­дений следует, что диссоциация С0₂ при высоких температурах возможна только с образованием СО и 0₂, но не с выделением свободного углерода.

Реакция (4) окисления углерода углекислым газом протекает с поглощением тепла, но при существенном (в 2 раза) увеличении числа молей газа (с 1 моль С0₂ до 2 моль СО). Таким образом, движущей силой реакции (8.4) является стремление к максимуму хаоса как наиболее вероятному состоянию. Эта движущая сила пре­одолевает стремление к минимуму энергии только при достаточно высокой температуре (на практике выше 900 °С). Обратимость этой реакции показывает возможность диссоциации СО с выделением С и С0₂ и невозможность выделения при этом свободного кисло­рода.

Горение водорода и углеводородов. Водород - второй (пос­ле углерода) горючий элемент, входящий в состав многих видов топлива. Окисление водорода при сгорании протекает по реакций

Н₂ + 0,50₂ = Н₂0 + 242040 Дж/моль. (6)

Единственной движущей силой реакции (6) является стрем­ление к минимуму энергии, так как количество молей газов в

Рис. 1. Зависимость AG° реакций взаимодействия углерода с кислоро­дом от температуры

результате данной реакции уменьшается с 1,5 до 1. При высоких температурах энтропийный фактор смещает равновесие реакции влево, в сторону диссоциации молекул воды.

Из углеводородов наибольшее промышленное значение имеет природный газ, широко используемый в коксогазовых и газовых вагранках и других газовых плавильных печах. Метан СН₄, являющийся одной из основных составляющих природного газа, окисляется по экзотермической реакции:

СН₄ + 20₂ = С0₂ + 2 Н₂0 + 805 540 Дж/моль. (7)

Движущей силой реакции (7) является энергетический фак­тор, количество молей газа в результате реакции не изменяется.

При температурах выше 1700 °С процесс горения оказывается в значительной мере незавершенным, продукты горения метана наряду с С0₂ и Н₂0 содержат СО и Н₂.

Тепловой эффект реакции горения природного газа почти в два раза превосходит эту величину для реакции сгорания углерода. Однако количество продуктов, образующихся при сгорании СН₄, в три раза больше, чем при сгорании углерода. Поэтому темпера­тура продуктов горения природного газа не выше, а ниже, чем при горении углерода.