الوكالة الفيدرالية للتعليم

المؤسسة التعليمية الحكومية للتعليم المهني العالي "جامعة ولاية الأورال التقنية - UPI"

أكون. بانفيلوف

الطبعة النصية التعليمية الإلكترونية

من إعداد قسم “نظرية العمليات المعدنية”

المحرر العلمي: أستاذ، دكتور. الكيمياء. ماجستير العلوم سبيريدونوف

مبادئ توجيهية للعمل المخبري في تخصصات "الفيزياء والكيمياء للأنظمة والعمليات المعدنية"، "نظرية العمليات المعدنية" للطلاب من جميع أشكال التدريب في التخصصات المعدنية.

تنظم قواعد تنظيم العمل في ورشة عمل "نظرية العمليات المعدنية" التابعة لقسم TMP (الجمهور المتخصص)

جبل-431 سميت باسم. الزراعة العضوية. إيسينا). تم وصف منهجية وإجراءات أداء العمل المختبري، وتم تقديم متطلبات محتوى وتنسيق التقارير الخاصة بالعمل المختبري وفقًا لمعايير GOST الحالية والتوصيات الخاصة بتنفيذها.

ايكاترينبرج

مقدمة................................................. .......................................................... ............. ........................................... ................... 4

1 تنظيم العمل في ورشة عمل معملية حول نظرية العمليات المعدنية .................... 4

1.1 التحضير للعمل المختبري .......................................................... ............. .. 5 1.2 توصيات لمعالجة نتائج القياس وإعداد التقارير ........................... .......... 5

1.3.1 رسم الرسوم البيانية ........................................... .......................................................... ............. ................... 5

1.3.2 تجانس البيانات التجريبية ........................................... ......... ................................... 7

1.3.5 التمايز العددي لوظيفة محددة بواسطة مجموعة من النقاط المنفصلة .............................. 8

تقريب مجموعة معينة من البيانات ........................................... .......... .................................. 9

1.3.7 عرض النتائج .............................................. .......................................................... .............. ....... 10

2 وصف العمل في المختبر ................................ ................................ . ........................... ............................. ........................... ............. أحد عشر

2.1 دراسة حركية أكسدة الحديد عند درجات الحرارة العالية (العمل رقم 13) ........................... 12

2.1.1 الأنماط العامة لأكسدة الحديد ........................................... .......... .............................................. 12 2.1.2 وصف التركيب وإجراءات إجراء التجارب...... .............................. ........................... ..... 14

2.1.3 معالجة وعرض نتائج القياس .......................................... ........... ................... 15

أسئلة التحكم ........................................... .................................................. ...... .................... 17

2.2 دراسة الاعتماد على درجة حرارة التوصيل الكهربائي لذوبان الأكسيد

(العمل رقم 14) ........................................... .......................................................... ............. ........................................... ..... 19

2.2.1 معلومات عامة عن طبيعة التوصيل الكهربائي للخبث ........................................... ............... 19

2.2.2 وصف إجراء التثبيت والقياس .......................................... .......................................................... 21

2.2.3 أمر العمل .............................................. .......................................................... ............. ..... 23

2.2.4 معالجة وعرض نتائج القياس .......................................... .............. ................... 24

أسئلة التحكم ........................................... .................................................. ...... .................... 25

2.3 دراسة حركية إزالة الكبريت من المعدن بالخبث على نموذج محاكاة (عمل رقم 2).

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

2.3.1 معلومات عامة عن حركية إزالة الكبريت من المعدن بواسطة الخبث ........................................ ............... ..... 26

2.3.2 النموذج الرياضي للعملية ........................................... .......... .............................................. .......29

2.3.3 إجراءات العمل .............................................. ............... ................................... ..................... ...... ثلاثون

2.3.4 معالجة وعرض نتائج القياس .......................................... .............. ................... 31

أسئلة التحكم ........................................... .................................................. ...... .................... 32

2.4 الدراسة الحرارية لعمليات تفكك الكربونات الطبيعية (العمل رقم 16) 33

2.4.1 الأنماط العامة لتفكك الكربونات ........................................... .......................................... 33

2.4.2 مخطط التثبيت وإجراءات العمل ........................................... .......................................... 39

2.4.3 معالجة وعرض نتائج القياس .......................................... .............. ................... 39

أسئلة التحكم ........................................... .................................................. ...... .................... 41

2.5 دراسة الاعتماد على درجة حرارة لزوجة ذوبان الأكسيد (العمل رقم 17) .................. 42

2.5.1 طبيعة المقاومة اللزجة لذوبان الأكسيد ........................................... ............................... 42

2.5.2 وصف التثبيت وإجراءات قياس اللزوجة .......................................... .......................................... 43

2.5.3 إجراءات العمل .............................................. ............... ................................... ..................... ...... 45

2.5.4 معالجة وعرض نتائج القياس .......................................... .............. ................... 45 أسئلة الاختبار ............... .................. ................................ ........................................ .......................... ................. 46

2.6 اختزال المنغنيز من ذوبان الأكسيد إلى الفولاذ (العمل رقم 18)

2.6.1 المبادئ العامة للتفاعل الكهروكيميائي بين المعدن والخبث................................ 47

2.6.2 نموذج العملية .............................................. .......................................................... ............................................. 49

2.6.3 إجراءات العمل .............................................. ............... ................................... ..................... ...... 50

أسئلة التحكم ........................................... .................................................. ...... ........................... 52 المراجع ............... ........................... ............................. ........................... ........................... ................................ ..... 53

إس تي بي يو بي آي 1-96	معيار المؤسسة. المتطلبات والقواعد العامة لإعداد مشاريع الدبلومات والدورات (الأعمال).
غوست آر 1.5-2002	جي إس إس. المعايير. المتطلبات العامة للبناء والعرض والتصميم والمحتوى والتسمية.
غوست 2.105-95	ESKD. المتطلبات العامة للمستندات النصية.
غوست 2.106-96	ESKD. المستندات النصية.
غوست 6.30 2003	دولار أمريكي. نظام موحد للتوثيق التنظيمي والإداري. متطلبات التوثيق.
غوست 7.32-2001	سيبيد. تقرير بحثي.
غوست 7.54-88	سيبيد. عرض البيانات الرقمية عن خصائص المواد والمواد في الوثائق العلمية والتقنية. المتطلبات العامة.
غوست 8.417-2002	جيسوي. وحدات الكميات

التدوينات والاختصارات

	معيار الدولة لاتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية السابق أو المعيار المشترك بين الولايات (حاليًا).
	معيار اعتمدته لجنة الدولة للاتحاد الروسي للمواصفات والمقاييس (Gosstandart of Russian) أو لجنة الدولة للاتحاد الروسي المعنية بسياسة الإسكان والبناء (Gosstroy of Russian).
	نظام توحيد الدولة.
	نظام الدولة لضمان توحيد القياسات.
	تكنولوجيا المعلومات
	طريقة المربع الأصغر
	كمبيوتر شخصي
	معيار المؤسسة
	نظرية العمليات المعدنية

مقدمة

إن إجراء العمل المختبري لدراسة الخصائص في نظام الخبث المعدني والعمليات التي تحدث في الوحدات المعدنية يسمح لنا بفهم قدرات طريقة التحليل الفيزيائية والكيميائية بشكل أفضل واكتساب المهارات في تطبيقها العملي. بالإضافة إلى ذلك، يتعرف الطالب على تنفيذ بعض أساليب البحث التجريبي والنموذجي للخصائص الفيزيائية والكيميائية الفردية والعمليات المعدنية بشكل عام، ويكتسب مهارات في معالجة وتحليل وتقديم المعلومات التجريبية.

1 تنظيم العمل في ورشة عمل معملية حول نظرية العمليات المعدنية

في ورشة عمل معملية حول نظرية العمليات المعدنية، الشيء الرئيسي هو جمع المعلومات التجريبية بالكمبيوتر. يحدد هذا عددًا من ميزات تنظيم العمل:

يتلقى كل طالب مهمة فردية، ويكمل التجربة بأكملها أو جزء محدد منها، ويعالج المعلومات الواردة. تتضمن نتيجة العمل الخصائص العددية التي تم الحصول عليها للظاهرة قيد الدراسة والأخطاء في تحديدها، والرسوم البيانية التي توضح السمات المحددة، والاستنتاجات التي تم الحصول عليها من مجموعة المعلومات بأكملها. يجب ألا يتجاوز التناقض بين النتائج الكمية للعمل الوارد في تقارير الطلاب مقارنة بدرجات التحكم 5٪.

الخيار الرئيسي لتنسيق النتائج هو معالجة البيانات التجريبية ورسم الرسوم البيانية وصياغة الاستنتاجات في جداول بيانات Microsoft.Excel أو OpenOffice.Calc.

بإذن من المعلم، من الممكن مؤقتًا تقديم تقرير مكتوب بخط اليد يحتوي على الرسوم التوضيحية والرسوم البيانية اللازمة المعدة على ورق الرسم البياني.

يتم تقديم التقرير الخاص بالعمل المختبري المكتمل إلى المعلم الذي يدير ورشة العمل المختبرية في موعد لا يتجاوز يوم العمل الذي يسبق العمل المختبري التالي. يتم تحديد ترتيب الإرسال (عن طريق البريد الإلكتروني، أثناء الاستراحة إلى أي مدرس أو مساعد مختبر يقود الفصول حاليًا) من قبل المعلم.

لا يُسمح للطلاب الذين لم يقدموا تقريرًا عن أعمالهم السابقة في الوقت المحدد ولم يجتازوا الندوة (الاختبار) بالمشاركة في العمل المخبري التالي.

يُسمح فقط للطلاب الذين أكملوا ملخصًا تمهيديًا حول تدابير العمل الآمن في ورشة عمل المختبر ووقعوا على ورقة سجل التعليمات بأداء العمل المختبري.

يتم العمل باستخدام أدوات التدفئة والقياس الكهربائية والأواني الزجاجية والكواشف الكيميائية وفقًا لتعليمات السلامة في المختبر.

بعد الانتهاء من العمل يقوم الطالب بترتيب مكان العمل وتسليمه لمساعد المختبر.

1.1 التحضير للعمل المختبري

المصادر الأساسية عند التحضير للدرس هي هذا الدليل، والكتب المدرسية، والوسائل التعليمية التي أوصى بها المحاضر، وملاحظات المحاضرة.

استعدادًا للعمل المخبري، خلال الأسبوع الذي يسبق الدرس، يجب على الطالب قراءة وفهم المواد المتعلقة بالظاهرة قيد الدراسة، وفهم تصميم طرق التثبيت والقياس ومعالجة النتائج باستخدام المخططات الواردة في الدليل. إذا ظهرت صعوبات، فمن الضروري استخدام الأدبيات الموصى بها والمشاورات مع المحاضر والمدرسين الذين يقومون بإجراء الفصول المعملية.

يتم التحكم في استعداد الطالب للقيام بالعمل من قبل المعلم من خلال إجراء مقابلة فردية مع كل طالب أو عن طريق إجراء اختبار الكمبيوتر. ويشترط على الطالب غير المستعد دراسة المواد المتعلقة بهذا العمل خلال الدرس، وإكمال الجزء التجريبي من العمل في درس إضافي بعد إعادة الاختبار. يتم تنظيم وقت وإجراءات الفصول المتكررة من خلال جدول خاص.

1.2 توصيات لمعالجة نتائج القياس وإعداد التقارير

وفقًا لـ GOST 7.54-88، يجب تقديم البيانات الرقمية التجريبية في شكل جداول معنونة. يتم توفير جداول العينات لكل مختبر.

عند معالجة نتائج القياس، من الضروري استخدام المعالجة الإحصائية: تطبيق تجانس البيانات التجريبية، واستخدام طريقة المربعات الصغرى عند تقدير معلمات التبعية، وما إلى ذلك. وتأكد من تقييم خطأ القيم التي تم الحصول عليها. ولإجراء هذه المعالجة، يتم توفير وظائف إحصائية خاصة في جداول البيانات. تتوفر أيضًا مجموعة الوظائف الضرورية في الآلات الحاسبة المخصصة للحسابات العلمية (الهندسية).

1.3.1 الرسوم البيانية

عند إجراء التجارب، كقاعدة عامة، يتم تسجيل قيم العديد من المعلمات في وقت واحد. ومن خلال تحليل العلاقة بينهما، يمكننا استخلاص استنتاجات حول الظاهرة المرصودة. إن التمثيل المرئي للبيانات الرقمية يجعل من السهل للغاية تحليل علاقاتها - ولهذا السبب يعد الرسم البياني خطوة مهمة في التعامل مع المعلومات. لاحظ أنه من بين المعلمات الثابتة يوجد دائمًا متغير مستقل واحد على الأقل - قيمة تتغير قيمتها من تلقاء نفسها (الوقت) أو يتم تعيينها بواسطة المجرب. يتم تحديد المعلمات المتبقية من خلال قيم المتغيرات المستقلة. عند إنشاء الرسوم البيانية، يجب عليك اتباع بعض القواعد:

يتم رسم قيمة المتغير المستقل على طول المحور السيني (المحور الأفقي)، ويتم رسم قيمة الدالة على طول المحور الإحداثي (المحور الرأسي).

يجب اختيار المقاييس الموجودة على طول المحاور بحيث يتم استخدام منطقة الرسم البياني بأكبر قدر ممكن من المعلومات - بحيث يكون هناك عدد أقل من المناطق الفارغة حيث لا توجد نقاط تجريبية وخطوط من التبعيات الوظيفية. لتحقيق هذا المطلب، غالبًا ما يكون من الضروري تحديد قيمة غير الصفر عند أصل محور الإحداثيات. وفي هذه الحالة، يجب عرض جميع النتائج التجريبية على الرسم البياني.

يجب أن تكون القيم على طول المحاور، كقاعدة عامة، مضاعفات بعض الأعداد الصحيحة (1، 2، 4، 5) وتكون متباعدة بشكل متساو. من غير المقبول على الإطلاق الإشارة إلى نتائج قياسات محددة على المحاور. يجب ألا تكون وحدات القياس المختارة صغيرة جدًا أو كبيرة جدًا (يجب ألا تحتوي على أصفار بادئة أو زائدة متعددة). ولضمان هذا المتطلب، يجب استخدام عامل مقياس على شكل 10X، والذي يتم تضمينه في تسمية المحور.

يجب أن يكون خط الاعتماد الوظيفي إما منحنى مستقيماً أو سلساً. لا يجوز ربط النقاط التجريبية بخط متقطع إلا في مرحلة التحليل الأولي.

عند إنشاء الرسوم البيانية باستخدام جداول البيانات، سيتم استيفاء العديد من هذه المتطلبات تلقائيًا، ولكن عادةً ليس جميعها وليس إلى أقصى حد، لذلك يتعين عليك دائمًا ضبط التمثيل الناتج.

تحتوي جداول البيانات على خدمة خاصة - معالج المخططات (القائمة الرئيسية: إدراج مخطط). إن أبسط طريقة للوصول إليه هي أولاً تحديد منطقة من الخلايا تتضمن وسيطة ووظيفة (عدة وظائف)، وتنشيط زر "معالج الرسم البياني" الموجود على اللوحة القياسية باستخدام الماوس.

بهذه الطريقة، سوف تحصل على قالب الجدول الزمني، الذي لا يزال بحاجة إلى العمل معه، نظرًا لأن التحديد التلقائي للعديد من معلمات الجدول الافتراضية لن يضمن على الأرجح استيفاء جميع المتطلبات.

أولاً، تحقق من حجم الأرقام الموجودة على المحاور والحروف الموجودة في تسميات المحاور وتسميات الوظائف في وسيلة الإيضاح. ومن المرغوب فيه أن يكون حجم الخط هو نفسه في كل مكان، لا يقل عن 10 ولا يزيد عن 14 نقطة، ولكن سيتعين عليك تعيين القيمة لكل نقش على حدة. للقيام بذلك، حرك المؤشر فوق الكائن محل الاهتمام (المحور، التسمية، وسيلة الإيضاح) واضغط على زر الفأرة الأيمن. في قائمة السياق التي تظهر، حدد "تنسيق (عنصر)" وفي القائمة الجديدة على قطعة الورق التي تحمل علامة "الخط"، حدد القيمة المطلوبة. عند تنسيق المحور، يجب عليك أيضًا البحث عن القيم الموجودة على الأوراق التي تحمل علامة "المقياس" و"الرقم" وربما تغييرها. إذا لم تفهم التغييرات التي سيؤدي إليها الاختيار المقترح، فلا تخف من تجربة أي خيار، لأنه يمكنك دائمًا رفض التغييرات التي تم إجراؤها بالضغط على مفاتيح Ctrl + Z، أو تحديد عنصر القائمة الرئيسية "تحرير" - إلغاء أو بالنقر فوق الزر "إلغاء" الموجود على شريط الأدوات القياسي.

إذا كان هناك الكثير من النقاط، وكان المبعثر صغيرًا ويبدو الخط سلسًا تمامًا، فيمكن ربط النقاط بالخطوط. للقيام بذلك، حرك المؤشر فوق أي نقطة على الرسم البياني واضغط على زر الفأرة الأيمن. في قائمة السياق التي تظهر، حدد "تنسيق سلسلة البيانات". في نافذة جديدة، على قطعة من الورق تحمل علامة "عرض"، يجب عليك تحديد اللون المناسب وسمك الخط، وفي نفس الوقت التحقق من لون النقاط وحجمها وشكلها. هذه هي بالضبط الطريقة التي يتم بها بناء العلاقات التقريبية للبيانات التجريبية. إذا حدث التقريب بخط مستقيم، فستكون نقطتان على حواف نطاق اختلاف الوسيطة كافية. لا يُنصح باستخدام خيار "المنحنى السلس" المدمج في جداول البيانات نظرًا لعدم القدرة على ضبط معلمات التجانس.

1.3.2 تجانس البيانات التجريبية

تتميز البيانات التجريبية التي تم الحصول عليها في المنشآت التجريبية ذات درجات الحرارة المرتفعة بوجود خطأ كبير في القياس العشوائي. يتم تحديد ذلك بشكل أساسي عن طريق التداخل الكهرومغناطيسي الناتج عن تشغيل جهاز تسخين قوي. المعالجة الإحصائية للنتائج يمكن أن تقلل بشكل كبير من الخطأ العشوائي. ومن المعلوم أنه بالنسبة للمتغير العشوائي الموزع وفق القانون الطبيعي يتم تحديد خطأ الوسط الحسابي منه نالقيم، في ن½ مرات أقل من خطأ قياس واحد. مع عدد كبير من القياسات، عندما يكون من المقبول افتراض أن التشتت العشوائي للبيانات على مقطع صغير يتجاوز بشكل كبير التغير الطبيعي في القيمة، فإن أسلوب التجانس الفعال هو تعيين القيمة التالية للقيمة المقاسة بمتوسط حسابي، محسوبة من عدة قيم في فترة متماثلة حولها. رياضيا يتم التعبير عن ذلك بالصيغة:

(1.1)

ومن السهل جدًا تنفيذها في جداول البيانات. هنا ذ i هي نتيجة القياس، و ي i - القيمة المصقولة المستخدمة بدلاً من ذلك.

تتميز البيانات التجريبية التي تم الحصول عليها باستخدام أنظمة الحصول على المعلومات الرقمية بوجود خطأ عشوائي، ويختلف توزيعه بشكل كبير عن القانون العادي. في هذه الحالة، قد يكون من الأفضل استخدام الوسيط بدلاً من الوسط الحسابي. في هذه الحالة، يتم تعيين القيمة المقاسة في منتصف الفاصل الزمني لقيمة القيمة المقاسة التي تبين أنها الأقرب إلى الوسط الحسابي. يبدو أن الاختلاف البسيط في الخوارزمية يمكن أن يغير النتيجة بشكل كبير جدًا. على سبيل المثال، في خيار التقدير المتوسط، قد لا يتم استخدام بعض النتائج التجريبية على الإطلاق؛ وعلى الأرجح، هي على وجه التحديد تلك النتائج الحقيقية

القيم "الظاهرة" مع وجود خطأ كبير بشكل خاص.

1.3.5 التمايز العددي لدالة محددة بمجموعة من النقاط المنفصلة

تنشأ الحاجة إلى مثل هذه العملية عند معالجة النقاط التجريبية في كثير من الأحيان. على سبيل المثال، من خلال التمييز بين اعتماد التركيز على الوقت، يمكن العثور على اعتماد معدل العملية على الوقت وعلى تركيز الكاشف، والذي بدوره يسمح للمرء بتقدير ترتيب التفاعل. عملية التمايز العددي لدالة محددة بمجموعة قيمها ( ذ) المطابق لمجموعة قيم الوسيطة المقابلة ( س)، يعتمد على الاستبدال التقريبي لتفاضل الدالة بنسبة تغييرها النهائي إلى التغيير النهائي للوسيطة:

(1.2)

التمايز الرقمي حساس للأخطاء الناجمة عن عدم دقة البيانات الأولية، وتجاهل مصطلحات السلسلة، وما إلى ذلك، وبالتالي يجب إجراؤه بحذر. لزيادة دقة تقدير المشتق ()، يحاولون أولاً تسهيل البيانات التجريبية، على الأقل في جزء صغير، وبعد ذلك فقط يقومون بالتمايز. ونتيجة لذلك، في أبسط الحالات، بالنسبة للعقد متساوية البعد (تختلف قيم الوسيطة عن بعضها البعض بنفس المقدار x)، يتم الحصول على الصيغ التالية: للمشتق في الأول ( X 1) النقطة:

للمشتق في جميع النقاط الأخرى ( س)، باستثناء الأخير:

للمشتق في الأخير ( س) نقطة:

إذا كان هناك الكثير من البيانات التجريبية، ويجوز إهمال العديد من النقاط المتطرفة، فيمكنك استخدام صيغ تجانس أقوى، على سبيل المثال، لمدة 5 نقاط:

أو بـ 7 نقاط:

بالنسبة للترتيب غير المتساوي للعقد، سنقتصر على التوصية باستخدام الصيغة المعدلة (1.3) في النموذج

(1.8)

ولا تحسب المشتق عند نقطتي البداية والنهاية.

وبالتالي، لتنفيذ التمايز العددي، تحتاج إلى وضع الصيغ المناسبة في خلايا العمود الحر. على سبيل المثال، يتم وضع قيم الوسيطات غير المتساوية في العمود "أ" في الخلايا من 2 إلى 25، ويتم وضع قيم الدالة في العمود "ب" في الخلايا المقابلة. من المفترض أن توضع القيم المشتقة في العمود "C". ثم في الخلية "C3" يجب عليك إدخال الصيغة (5) في النموذج:

= (B4 – B2)/(A4 – A2)

ونسخ (تمديد) إلى كافة الخلايا الموجودة في النطاق C4:C24.

1.3.6 تحديد معاملات كثيرة الحدود بطريقة المربعات الصغرى،

تقريب بعض مجموعة البيانات

عند تقديم المعلومات العددية بيانياً، غالباً ما تكون هناك حاجة لرسم خط على طول النقاط التجريبية، مما يكشف عن ميزات الاعتماد الذي تم الحصول عليه. ويتم ذلك من أجل إدراك المعلومات بشكل أفضل وتسهيل التحليل الإضافي للبيانات التي بها بعض التشتت بسبب خطأ في القياس. في كثير من الأحيان، بناء على التحليل النظري للظاهرة قيد الدراسة، فمن المعروف مسبقا ما هو الشكل الذي يجب أن يكون عليه هذا الخط. على سبيل المثال، من المعروف أن اعتماد معدل العملية الكيميائية ( الخامس) على درجة الحرارة يجب أن تكون أسية، ويمثل الأس درجة الحرارة العكسية على مقياس مطلق:

وهذا يعني أنه على الرسم البياني في إحداثيات قانون الجنسية الخامس- 1/T ينبغي أن يؤدي إلى خط مستقيم،

المعامل الزاوي الذي يميز طاقة التنشيط ( ه) عملية. كقاعدة عامة، يمكن رسم عدة خطوط مستقيمة ذات منحدرات مختلفة من خلال النقاط التجريبية. بمعنى ما، أفضلها سيكون خطًا مستقيمًا بمعاملات تحددها طريقة المربعات الصغرى.

في الحالة العامة، يتم استخدام طريقة المربعات الصغرى للعثور على المعاملات التي تقارب التبعية ذ (س 1 , س 2 ,…س ن) كثير الحدود من النموذج

أين بو م 1 …م نهي معاملات ثابتة، و س 1 …س ن- مجموعة من الحجج المستقلة. أي أنه في الحالة العامة، يتم استخدام الطريقة لتقريب دالة مكونة من عدة متغيرات، ولكنها قابلة للتطبيق أيضًا لوصف دالة معقدة لمتغير واحد س. في هذه الحالة عادة ما يفترض ذلك

ومتعددة الحدود التقريبية لها الشكل

عند اختيار درجة تقريب كثير الحدود نضع في اعتبارك أنه يجب أن يكون أقل من عدد القيم المقاسة سو ذ. في جميع الحالات تقريبًا، يجب ألا يزيد العدد عن 4، ونادرًا 5.

تعد هذه الطريقة مهمة جدًا بحيث تحتوي جداول بيانات Excel على أربعة خيارات على الأقل للحصول على قيم المعاملات المطلوبة. نوصي باستخدام الدالة LINEST() إذا كنت تعمل في جداول بيانات Excel في Microsoft Office، أو الدالة LINEST() في Calc جداول البيانات في OpenOffice. يتم عرضها في قائمة الوظائف الإحصائية، وتنتمي إلى فئة ما يسمى وظائف المصفوفة، وفيما يتعلق بهذا، لديها عدد من ميزات التطبيق. أولاً، لا يتم إدخاله في خلية واحدة، ولكن على الفور في نطاق (منطقة مستطيلة) من الخلايا، حيث تقوم الدالة بإرجاع عدة قيم. يتم تحديد الحجم الأفقي للمنطقة من خلال عدد معاملات كثيرة الحدود التقريبية (في المثال قيد النظر هناك معاملان: ln الخامس 0 وE/R)، ويمكن تخصيصها عموديًا من سطر واحد إلى خمسة أسطر، اعتمادًا على مقدار المعلومات الإحصائية المطلوبة لتحليلك.

1.3.7 عرض النتائج

عند تقديم البيانات الرقمية، يجب أن توفر الوثيقة العلمية والتقنية تقييمًا لمدى موثوقيتها وتسليط الضوء على الأخطاء العشوائية والمنهجية. يجب تقديم أخطاء البيانات المقدمة وفقًا لـ GOST 8.207–76.

عند المعالجة الإحصائية لمجموعة من نتائج المراقبة، ينبغي تنفيذ العمليات التالية: إزالة الأخطاء المنهجية المعروفة من نتائج المراقبة؛

حساب الوسط الحسابي لنتائج الملاحظة المصححة، والتي تعتبر نتيجة القياس؛ حساب تقدير الانحراف المعياري لنتيجة القياس؛

حساب حدود الثقة للخطأ العشوائي (المكون العشوائي للخطأ) لنتيجة القياس؛

حساب حدود الخطأ المنهجي غير المستبعد (بقايا الخطأ المنهجي غير المستبعد) لنتيجة القياس؛ حساب حدود الثقة لخطأ نتيجة القياس.

لتحديد حدود الثقة لخطأ نتيجة القياس، واحتمال الثقة رتؤخذ تساوي 0.95. مع وجود خطأ ثقة متماثل، يتم عرض نتائج القياس في النموذج:

أين نتيجة القياس، ∆ هو حد الخطأ لنتيجة القياس، ر- احتمال الثقة. يجب أن تنتهي القيمة الرقمية لنتيجة القياس برقم من نفس رقم قيمة الخطأ ∆.

2 وصف العمل المختبري

يوفر الجزء الأول من كل قسم مخصص لعمل مختبري محدد معلومات حول تكوين وبنية المراحل، وآلية العمليات التي تحدث داخل مرحلة ما أو عند تفاعلها مع المراحل المجاورة، والحد الأدنى اللازم لفهم جوهر الظاهرة قيد الدراسة. العمل. إذا كانت المعلومات المقدمة غير كافية، فيجب عليك الرجوع إلى ملاحظات المحاضرة والأدبيات الموصى بها. بدون فهم الجزء الأول من القسم، من المستحيل تخيل ما يحدث في النظام قيد الدراسة مع تقدم العمل، لصياغة وفهم الاستنتاجات بناءً على النتائج التي تم الحصول عليها.

الجزء التالي من كل قسم مخصص لتنفيذ الأجهزة أو البرامج للتثبيت الحقيقي، أو نموذج الكمبيوتر. ستجد هنا معلومات حول المعدات المستخدمة والخوارزميات المستخدمة. بدون فهم هذا القسم، من المستحيل تقييم مصادر الأخطاء والإجراءات التي يجب اتخاذها لتقليل تأثيرها.

يصف الجزء الأخير الإجراء الخاص بإجراء القياسات ومعالجة نتائجها. يتم تقديم كل هذه الأسئلة إلى ندوة ما قبل العمل أو اختبار الكمبيوتر.

2.1 دراسة حركية أكسدة الحديد عند درجات الحرارة المرتفعة (العمل رقم 13)

2.1.1 الأنماط العامة لأكسدة الحديد

وفقًا لمبدأ تسلسل التحولات أ.أ. بايكوف، على سطح الحديد، أثناء أكسدة درجة الحرارة العالية مع الأكسجين الجوي، يتم تشكيل جميع الأكاسيد المستقرة ديناميكيًا حراريًا في ظل هذه الظروف. عند درجات حرارة أعلى من 572 درجة مئوية، يتكون المقياس من ثلاث طبقات: الوستيت FeO، الماجنتيت Fe 3 O 4، الهيماتيت Fe 2 O 3. طبقة الووستيت الأقرب إلى الحديد، والتي تمثل حوالي 95٪ من سمك المقياس بأكمله، لها خصائص أشباه الموصلات. وهذا يعني أنه في الشبكة الفرعية الكاتيونية لـ FeO يوجد تركيز كبير من شواغر الحديد ثنائي التكافؤ، ويتم ضمان الحياد الكهربائي بسبب ظهور "ثقوب" الإلكترون، وهي جزيئات من الحديديك. الشبكة الفرعية الأنيونية للوستيت، التي تتكون من أيونات O 2– سالبة الشحنة، خالية عمليًا من العيوب؛ إن وجود الشواغر في الشبكة الفرعية الكاتيونية يزيد بشكل كبير من حركة انتشار جزيئات الحديد 2+ عبر الووستايت ويقلل من خصائصه الوقائية.

الطبقة المتوسطة من المغنتيت عبارة عن أكسيد ذو تركيبة متكافئة، والتي تحتوي على تركيز منخفض من العيوب في الشبكة البلورية، ونتيجة لذلك، لديها خصائص وقائية متزايدة. يبلغ متوسط سمكها النسبي 4%.

الطبقة الخارجية من المقياس - الهيماتيت - لها موصلية من النوع n. إن وجود شواغر الأكسجين في الشبكة الفرعية الأنيونية يسهل انتشار جزيئات الأكسجين من خلالها، مقارنة بكاتيونات الحديد. السمك النسبي لطبقة Fe 2 O 3 لا يتجاوز 1% .

عند درجات حرارة أقل من 572 درجة مئوية، يكون الووستيت غير مستقر من الناحية الديناميكية الحرارية، لذلك يتكون المقياس من طبقتين: الماجنتيت Fe 3 O 4 (90٪ من السمك) والهيماتيت Fe 2 O 3 (10٪).

يؤدي تكوين طبقة واقية مستمرة من الحجم على سطح الحديد إلى انفصاله عن الغلاف الجوي. يتم إجراء المزيد من أكسدة المعدن بسبب انتشار الكواشف من خلال فيلم الأكسيد. تتكون العملية غير المتجانسة قيد النظر من المراحل التالية: إمداد الأكسجين من حجم الطور الغازي إلى الحدود مع الأكسيد عن طريق الانتشار الجزيئي أو الحمل الحراري؛ امتزاز O2 على سطح الأكسيد؛ تأين ذرات الأكسجين مع تكوين O 2– الأنيونات؛ انتشار أنيونات الأكسجين في مرحلة الأكسيد إلى الحدود مع المعدن؛ تأين ذرات الحديد وانتقالها إلى الحجم في شكل كاتيونات؛ انتشار كاتيونات الحديد في الأكسيد إلى حدود الغاز؛ الفعل الكيميائي البلوري لتشكيل أجزاء جديدة من مرحلة الأكسيد.

يتم تحقيق وضع الانتشار لأكسدة المعدن إذا كانت المرحلة الأكثر تثبيطًا هي نقل جزيئات Fe 2+ أو O 2– عبر الحجم. يتم إمداد الأكسجين الجزيئي من الطور الغازي بسرعة نسبيًا. في حالة النظام الحركي، فإن المراحل المحددة هي امتزاز أو تأين الجزيئات، بالإضافة إلى عملية التحول الكيميائي البلوري.

إن اشتقاق المعادلة الحركية لعملية أكسدة الحديد لحالة مقياس ثلاثي الطبقات أمر مرهق للغاية. يمكن تبسيطه بشكل كبير، دون تغيير الاستنتاجات النهائية، إذا اعتبرنا المقياس متجانسًا في التركيب وأخذنا في الاعتبار انتشار كاتيونات Fe 2+ فقط من خلاله.

دعونا نشير بواسطة دمعامل انتشار جزيئات الحديد 2+ في الحجم، ك- معدل أكسدة الحديد ثابت، ج 1 و مع 2 تركيزات التوازن من الكاتيونات الحديد عند التفاعل مع المعدن والهواء، على التوالي، ح- سمك طبقة الأكسيد، س- مساحة سطح العينة، - كثافة الأكسيد، م- كتلتها المولية. ثم، وفقا لقوانين الحركية الشكلية، المعدل النوعي للتفاعل الكيميائي للحديد مع الأكسجين لكل وحدة سطح العينة ( ضد ص) يتم تحديدها من خلال العلاقة:

في الحالة الثابتة، تساوي كثافة تدفق انتشار جزيئات Fe 2+.

باعتبار أن المعدل الإجمالي لعملية الأكسدة غير المتجانسة يتناسب مع معدل نمو كتلتها

(13.3)

يمكن استبعادها ج 2 من المعادلتين (13.1) و (13.2) والحصول على اعتماد كتلة المقياس على الزمن:

(13.4)

من العلاقة الأخيرة، من الواضح أن النظام الحركي للعملية يتحقق، كقاعدة عامة، في اللحظة الأولية للأكسدة، عندما يكون سمك فيلم الأكسيد صغيرا ويمكن إهمال مقاومة انتشاره. يؤدي نمو طبقة القشور إلى إبطاء انتشار الكواشف، ويتغير وضع العملية بمرور الوقت إلى الانتشار.

إن النهج الأكثر صرامة الذي طوره فاغنر في نظرية الأيونات الإلكترونية لأكسدة المعادن في درجات الحرارة العالية يجعل من الممكن حساب معدل ثابت القانون المكافئ لنمو الفيلم كميًا باستخدام بيانات من تجارب مستقلة حول التوصيل الكهربائي للأكاسيد:

حيث ∆ ز- التغير في طاقة جيبس لتفاعل أكسدة المعدن، م- الكتلة المولية للأكسيد، - الموصلية الكهربائية المحددة، ر ط- جزء من الموصلية الأيونية، ض- التكافؤ المعدني، F- ثابت فاراداي .

عند دراسة حركية تكوين الحبيبات الدقيقة جداً ( ح < 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 ح = كقانون الجنسية ( أ τ+ ب)، وكذلك مكعب ح 3 = كτ (أكاسيد - أشباه الموصلات ص-type) أو اللوغاريتمي العكسي 1/ ح = ج كقانون الجنسية (τ) ( ن-نوع الموصلية) مع بطء مرحلة نقل الأيونات المعدنية.

2.1.2 وصف التثبيت وإجراءات إجراء التجارب

تتم دراسة حركية أكسدة الحديد باستخدام الطريقة الوزنية، مما يجعل من الممكن تسجيل التغير في كتلة العينة مع مرور الوقت أثناء التجربة. يظهر مخطط التثبيت في الشكل 1.

الشكل 1 - مخطط الإعداد التجريبي:

1 – عينة الحديد قيد الدراسة ; 2 – فرن المقاومة الكهربائية . 3 – المحول الميكانيكي الكهربائي E 2D1 ؛ 4 – كمبيوتر شخصي مزود بلوحة ADC .

يتم وضع عينة معدنية (1)، معلقة على سلسلة نيتشروم من الذراع المتأرجح للمحول الكهربائي الميكانيكي E 2D1 (3)، في فرن أنبوبي رأسي ذي مقاومة كهربائية (2). يتم تغذية إشارة الخرج E 2D1، المتناسبة مع التغير في كتلة العينة، إلى لوحة ADC الخاصة بالكمبيوتر كجزء من التثبيت. يتم الحفاظ على درجة الحرارة الثابتة في الفرن بواسطة منظم تلقائي، ويتم ضبط درجة الحرارة المطلوبة للتجربة بواسطة المسجل المناسب على لوحة معلومات الفرن وفقًا لتوجيهات المعلم (800 - 900 درجة مئوية).

بناءً على نتائج العمل، يتم تحديد ثابت معدل تفاعل أكسدة الحديد ومعامل انتشار أيوناته في طبقة الأكسيد، وإذا أمكن، طاقة التنشيط للتفاعل الكيميائي والانتشار. توضيح بيانياً اعتماد التغير في كتلة العينة ومعدل عملية الأكسدة على الوقت المحدد.

2.1.3 معالجة وعرض نتائج القياس

تم تصميم محول الطاقة الميكانيكي الكهربائي بحيث يتم تعويض جزء من كتلة الجسم المقاس بزنبرك حلزوني. حجمها غير معروف، ولكن ينبغي أن تظل ثابتة أثناء القياسات. وكما يتبين من وصف تقنية القياس، فإن النقطة الزمنية الدقيقة (0) لبداية عملية الأكسدة غير معروفة، حيث أنه من غير المعروف متى ستكتسب العينة درجة حرارة كافية لتطور عملية الأكسدة. حتى اللحظة الزمنية التي تبدأ فيها العينة فعليًا في الأكسدة، تكون كتلتها مساوية لكتلة المعدن الأصلي ( م 0). وحقيقة أننا لا نقيس الكتلة بأكملها، ولكن الجزء غير المعوض منها فقط، لا يغير جوهر الأمر. الفرق بين الكتلة الحالية للعينة ( م) والكتلة الأولية للمعدن تمثل كتلة الميزان، ولذلك يجب تقديم الصيغة (13.4) للظروف التجريبية الحقيقية بالشكل:

(13.6)

بحيث م- القيمة المقاسة للجزء المتبقي غير المعوض من كتلة العينة، م 0– نفس الشيء قبل بدء عملية الأكسدة عند درجة حرارة منخفضة للعينة. يتضح من هذه العلاقة أن الاعتماد التجريبي لكتلة العينة على الزمن ينبغي وصفه بمعادلة بالشكل:

, (13.7)

يمكن العثور على معاملاتها، بناءً على نتائج القياس التي تم الحصول عليها، بطريقة المربعات الصغرى. ويتضح ذلك من خلال رسم بياني نموذجي في الشكل. النقاط هي نتائج القياس، ويتم الحصول على الخط عن طريق تقريب البيانات بالمعادلة 13.7

النقاط المميزة بالتقاطعات هي قيم متطرفة ولا ينبغي أخذها في الاعتبار عند حساب معاملات المعادلة 13.7 باستخدام طريقة المربعات الصغرى.

بمقارنة الصيغتين (13.6) و (13.7) من السهل ربط المعاملات الموجودة بالكميات الفيزيائية والكيميائية التي تحددها:

(13.8)

في المثال الموضح، قيمة m0 - القيمة على المحور الإحداثي عند = 0، تبين أنها تساوي 18.1 ملجم.

وباستخدام هذه القيم يتم تحديد قيمة مساحة العينة التي تم الحصول عليها أثناء التحضير للتجربة ( س) ويمكن أن تكون كثافة الووستيت المأخوذة من الأدبيات (= 5.7 جم / سم 3).

تقدير العلاقة بين معامل الانتشار وثابت معدل عملية الأكسدة:

(13.13)

تميز هذه النسبة سمك الفيلم المقياس الذي يكون فيه ثابت معدل الانتشار مساوياً لثابت معدل التفاعل الكيميائي لأكسدة المعدن، والذي يتوافق مع تعريف وضع التفاعل المختلط بدقة.

بناءً على نتائج العمل، يجب تحديد جميع القيم باستخدام الصيغ (13.7، 13.11 – 13.13): ب 0 , ب 1 , ب 2 , م 0 و 0 و د /ك. لتوضيح النتائج، ينبغي تقديم رسم بياني للاعتماد م– . جنبا إلى جنب مع القيم التجريبية، فمن المستحسن تقديم منحنى تقريبي.

بناءً على نتائج القياس يجب عليك ملء الجدول التالي:

الجدول 1. نتائج دراسة عملية أكسدة الحديد.

في الجدول، يتم ملء العمودين الأولين عند فتح ملف البيانات، ويتم حساب الباقي. يتم تنفيذ التجانس عند 5 نقاط. عند تحديد معاملات كثيرة الحدود التقريبية، يتم استخدام الأعمدة الأول والثالث والرابع في وقت واحد. يجب أن يوضح العمود الأخير نتائج التقريب بكثيرة الحدود (13.7) باستخدام المعاملات التي تم العثور عليها بطريقة المربعات الصغرى. تم إنشاء الرسم البياني باستخدام الأعمدة الأول والثالث والخامس.

إذا قام العديد من الطلاب بتنفيذ العمل، فإن كل واحد منهم يجري التجربة عند درجة حرارته الخاصة. المعالجة المشتركة لنتائج تقييم سمك طبقة المقياس في الوضع المختلط بدقة () تجعل من الممكن تقدير الفرق في طاقات التنشيط للانتشار والتفاعل الكيميائي. في الواقع، الصيغة الواضحة صالحة هنا:

(13.14)

معالجة مماثلة للمعاملات ب 2 يسمح لنا بتقدير طاقة التنشيط للانتشار. الصيغة صحيحة هنا:

(13.15)

إذا تم إجراء القياسات عند درجتي حرارة، يتم إجراء التقديرات مباشرة باستخدام الصيغتين (13.4) و (13.15)؛ إذا كان هناك أكثر من قيمتين لدرجة الحرارة، فيجب استخدام طريقة المربعات الصغرى للوظائف ln () – 1/تو ln (ب 2) – 1/ت.القيم التي تم الحصول عليها مبينة في الجدول النهائي ومناقشتها في الاستنتاجات.

إجراءات معالجة نتائج العمل

2. قم بإنشاء رسم بياني للتبعية على ورقة منفصلة م– تحديد القيم الخارجية وإزالتها بصريًا.

3. قم بتنعيم قيم الكتلة المقاسة.

4. احسب مربعات تغير الكتلة

5. أوجد المعاملات باستخدام طريقة المربعات الصغرى ب 0 , ب 1 , بمعادلتان تقربان اعتماد تغير الكتلة مع مرور الوقت.

6. احسب تقدير الكتلة في بداية القياسات وفق المعادلة التقريبية

7. تحليل نتائج التقريب باستخدام الفرز وإزالة القيم غير الصحيحة

8. عرض نتائج التقريب على الرسم البياني للتبعية م – .

9. حساب خصائص النظام والعملية: م 0 , 0 , د /ك .

نتائج الإختبار:

أ. في الخلية "A1" - مساحة سطح العينة، في الخلية المجاورة "B1" - وحدات القياس؛

ب. في الخلية "A2" - كتلة العينة الأصلية، في الخلية "B2" - وحدات القياس؛

ج. في الخلية "A3" - درجة حرارة التجربة، في الخلية "B3" - وحدات القياس؛

د. في الخلية "A4" - سمك طبقة المقياس في الوضع المختلط تمامًا، في الخلية "B4" - وحدات القياس؛

ه. بدءًا من الخلية "A10"، يجب صياغة الاستنتاجات حول العمل بشكل واضح.

يجب أن تحتوي الخلايا A6-A7 على إشارات إلى الخلايا الموجودة في أوراق أخرى من دفتر جداول البيانات التي تم إجراء العمليات الحسابية عليها للحصول على النتيجة المقدمة، وليس القيم الرقمية نفسها! إذا لم يتم استيفاء هذا الشرط، فإن برنامج التحقق يعطي رسالة "خطأ في تقديم المعلومات".

2. الرسم البياني للتبعية المصمم بشكل صحيح م- تم الحصول عليها تجريبيا (نقاط) وتقريبها بواسطة كثير الحدود (خط)، على ورقة منفصلة من الجداول الإلكترونية مع جميع التوقيعات والرموز اللازمة.

أسئلة التحكم

1. ما هو هيكل الحجم الذي تم الحصول عليه على الحديد أثناء أكسدته عند درجة حرارة عالية في جو هوائي؟

2. لماذا يؤدي ظهور مرحلة wüstite في المقياس إلى زيادة حادة في معدل أكسدة الحديد؟

3. ما هي مراحل العملية غير المتجانسة لأكسدة الحديد؟

4. ما الفرق بين نمط الانتشار لأكسدة الحديد والنمط الحركي؟

5. ما هو الإجراء والمنهجية لتنفيذ العمل؟

6. كيفية التعرف على طريقة عملية الأكسدة؟

2.2 دراسة الاعتماد على درجة الحرارة للتوصيل الكهربائي المحدد لمصهورات الأكسيد (العمل رقم 14)

2.2.1 معلومات عامة عن طبيعة التوصيل الكهربائي للخبث

تعتبر دراسة اعتماد التوصيل الكهربائي المحدد للخبث على تكوينه ودرجة حرارته ذات أهمية كبيرة في علم المعادن، سواء من الناحية النظرية أو التطبيقية. يمكن أن يكون لقيمة التوصيل الكهربائي تأثير كبير على معدل أهم التفاعلات بين المعدن والخبث في عمليات إنتاج الصلب، وعلى إنتاجية الوحدات المعدنية، وخاصة في تقنيات الخبث الكهربائي أو أفران القوس لصهر الخبث الاصطناعي، حيث كثافة يعتمد إطلاق الحرارة على كمية التيار الكهربائي الذي يمر عبر الذوبان. بالإضافة إلى ذلك، توفر الموصلية الكهربائية المحددة، باعتبارها خاصية حساسة من الناحية الهيكلية، معلومات غير مباشرة حول بنية الذوبان وتركيز ونوع الجسيمات المشحونة.

وفقًا للأفكار حول بنية ذوبان الأكسيد، التي صاغتها على وجه الخصوص المدرسة العلمية للأستاذ O. A. Esin، لا يمكن أن تكون هناك جزيئات غير مشحونة فيها. وفي الوقت نفسه، تختلف الأيونات الموجودة في الذوبان بشكل كبير في الحجم والبنية. عناصر الأكسيد الأساسية موجودة في شكل أيونات بسيطة، على سبيل المثال، Na +، Ca 2+، Mg 2+، Fe 2+، O 2-. على العكس من ذلك، فإن العناصر ذات التكافؤ العالي، والتي تشكل أكاسيد حمضية (حمضية)، مثل SiO 2، TiO 2، B 2 O 3، على شكل أيون، لديها مجال كهروستاتيكي عالي بحيث لا يمكن أن تكون في المنصهر مثل أيونات Si4+ البسيطة، Ti4+، B3+. إنها تقرب أنيونات الأكسجين من نفسها بحيث تشكل معها روابط تساهمية وتوجد في المصهور على شكل أنيونات معقدة، أبسطها على سبيل المثال SiO 4 4، TiO 4 4-، BO 3 3- , بو 4 5-. تتمتع الأنيونات المعقدة بالقدرة على تعقيد بنيتها، حيث يتم دمجها في هياكل ثنائية وثلاثية الأبعاد. على سبيل المثال، يمكن توصيل اثنين من رباعيات الأسطح من السيليكون والأكسجين (SiO 4 4-) عند القمم، مما يشكل أبسط سلسلة خطية (Si 2 O 7 6-). يؤدي هذا إلى إطلاق أيون أكسجين واحد:

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

ويمكن الاطلاع على هذه القضايا بمزيد من التفصيل، على سبيل المثال، في الأدبيات التربوية.

المقاومة الكهربائية ريمكن تحديد الموصلات الخطية العادية من العلاقة

أين المقاومة ل- طول، س- مساحة المقطع العرضي للموصل. وتسمى الكمية بالتوصيل الكهربائي النوعي للمادة. من الصيغة (14.1) يتبع،

يتم التعبير عن أبعاد التوصيل الكهربائي بالأوم –1 م –1 = S/m (S – سيمنز). تميز الموصلية الكهربائية المحددة التوصيل الكهربائي لحجم الذوبان المحصور بين قطبين متوازيين بمساحة 1 م 2 ويقعان على مسافة 1 م من بعضهما البعض.

وفي حالة أكثر عمومية (المجال الكهربائي غير المنتظم)، يتم تعريف التوصيل الكهربائي على أنه معامل التناسب بين كثافة التيار أنافي الموصل وتدرج الجهد الكهربائي:

يرتبط ظهور الموصلية الكهربائية بنقل الشحنات في المادة تحت تأثير المجال الكهربائي. في المعادن، يتضمن نقل الكهرباء إلكترونات نطاق التوصيل، التي يكون تركيزها مستقلًا عمليًا عن درجة الحرارة. مع زيادة درجة الحرارة، تنخفض الموصلية الكهربائية النوعية للمعادن، وذلك بسبب يظل تركيز الإلكترونات "الحرة" ثابتًا، ويزداد تأثير الكبح عليها بسبب الحركة الحرارية لأيونات الشبكة البلورية.

في أشباه الموصلات، تكون حاملات الشحنة الكهربائية عبارة عن إلكترونات شبه خالية في نطاق التوصيل أو شواغر في نطاق طاقة التكافؤ (ثقوب الإلكترون)، والتي تنشأ بسبب التحولات المنشطة حرارياً للإلكترونات من المستويات المانحة إلى نطاق التوصيل لأشباه الموصلات. ومع زيادة درجة الحرارة، يزداد احتمال مثل هذه التحولات المنشطة، ويزداد تبعا لذلك تركيز حاملات التيار الكهربائي والتوصيل الكهربائي.

في الشوارد، والتي تشمل ذوبان الأكسيد، تشارك الأيونات التالية، كقاعدة عامة، في نقل الكهرباء: Na +، Ca 2+، Mg 2+، SiO 4 4–، BO 2 – وغيرها. كل من الأيونات ј -النوع الرابع يمكن أن يساهم في القيمة الإجمالية لكثافة التيار الكهربائي وفق العلاقة المعروفة

أين هي الموصلية الكهربائية الجزئية؟ د , ج , ض ј- معامل الانتشار والتركيز وشحنة الأيون ј -الصف العاشر؛ F- ثابت فاراداي؛ ت- درجة حرارة؛ ر

ومن الواضح أن مجموع الكميات أنايساوي إجمالي الكثافة الحالية أناالمرتبطة بحركة جميع الأيونات، والتوصيل الكهربائي النوعي للمصهور بأكمله هو مجموع التوصيلات الجزئية.

حركة الأيونات في الشوارد هي عملية التنشيط. وهذا يعني أنه تحت تأثير المجال الكهربائي، لا تتحرك جميع الأيونات، ولكن فقط الأيونات الأكثر نشاطا، والتي لديها فائض معين من الطاقة مقارنة بالمستوى المتوسط. هذه الطاقة الزائدة، التي تسمى طاقة التنشيط للتوصيل الكهربائي، ضرورية للتغلب على قوى تفاعل أيون معين مع بيئته، وكذلك لتشكيل فراغ (تجويف) يمر إليه. يزداد عدد الجزيئات النشطة وفقا لقانون بولتزمان

زيادة درجة الحرارة وفقا للقانون الأسي. لهذا . سليدوفا-

لذلك، وفقًا لـ (14.5)، يجب وصف اعتماد الموصلية الكهربائية على درجة الحرارة من خلال مجموع الأسيات. ومع ذلك، فمن المعروف أنه مع زيادة أحجام الجسيمات، تزداد طاقة التنشيط بشكل ملحوظ. لذلك، في العلاقة (14.5)، كقاعدة عامة، يتم إهمال مساهمة الأيونات الكبيرة منخفضة الحركة، وبالنسبة للباقي، يتم حساب متوسط القيم الجزئية.

ونتيجة لذلك، فإن اعتماد درجة الحرارة على التوصيل الكهربائي المحدد لأكسيد الأكسيد يأخذ الشكل التالي:

(14.6)

وهو في اتفاق جيد مع البيانات التجريبية.

تتراوح القيم النموذجية للخبث المعدني الذي يحتوي على أكاسيد CaO وSiO 2 وMgO وAl 2 O 3 بين 0.1 – 1.0 S cm –1 بالقرب من درجة حرارة السائل، وهي أقل بكثير من التوصيل الكهربائي للمعادن السائلة (10 5 –10 7 سم – 1). تكون طاقة التنشيط للتوصيل الكهربائي مستقلة تقريبًا عن درجة الحرارة في الخبث الأساسي، ولكنها يمكن أن تنخفض قليلاً مع زيادة درجة الحرارة في المصهورات الحمضية بسبب إزالة بلمرةها. عادةً ما تقع القيمة في نطاق 40-200 كيلوجول/مول، اعتمادًا على تركيبة المصهور.

عند زيادة المحتويات (أكثر من 10٪) من أكاسيد الحديد (FeO، Fe 2 O 3) أو أكاسيد المعادن الانتقالية الأخرى (على سبيل المثال، MnO، V2 O 3، Cr 2 O 3)، طبيعة التوصيل الكهربائي للخبث التغييرات، لأنه بالإضافة إلى الموصلية الأيونية يظهر جزء كبير من الموصلية الإلكترونية. يرجع المكون الإلكتروني للتوصيل في مثل هذه المصهورات إلى حركة الإلكترونات أو "ثقوب" الإلكترون على طول آلية الترحيل من كاتيون فلز انتقالي ذو تكافؤ أقل إلى كاتيون ذو تكافؤ أعلى من خلال ر- مدارات أيون الأكسجين الموجودة بين هذه الجزيئات.

إن الحركة العالية جدًا للإلكترونات في المجموعات Me 2+ – O 2– – Me 3+، على الرغم من تركيزها المنخفض نسبيًا، تزيد بشكل حاد من التوصيل الكهربائي للخبث. وبالتالي، فإن الحد الأقصى لقيمة æ للحديد النقي يذوب FeO – Fe 2 O 3 يمكن أن يكون

10 2 سم –1 ، تبقى أقل بكثير من المعادن.

2.2.2 وصف إجراء التثبيت والقياس

يحدد العمل التوصيل الكهربائي النوعي لرباعي بورات الصوديوم المنصهر Na 2 O·2B 2 O 3 في نطاق درجة الحرارة 700 - 800 درجة مئوية. للتخلص من المضاعفات المرتبطة بوجود مقاومة الواجهة المعدنية بالكهرباء، يجب إجراء دراسة التوصيل الكهربائي في ظل ظروف تكون فيها مقاومة الواجهة ضئيلة. يمكن تحقيق ذلك باستخدام تيار متردد بتردد عالٍ بدرجة كافية (≈ 10 كيلو هرتز) بدلاً من التيار المباشر.

يظهر مخطط الدائرة الكهربائية للتثبيت في الشكل 2.

الشكل 2. مخطط الدائرة الكهربائية للتركيب لقياس التوصيل الكهربائي للخبث:

ZG – مولد تردد الصوت. الكمبيوتر الشخصي - كمبيوتر شخصي مزود ببطاقة صوت؛ محلول Yach وYach sl - خلايا كهروكيميائية تحتوي على محلول مائي من KCl أو الخبث، على التوالي؛ R fl – المقاومة المرجعية ذات القيمة المعروفة.

يتم توفير التيار المتردد من مولد التردد الصوتي إلى خلية تحتوي على خبث ومقاومة مرجعية ذات قيمة معروفة متصلة بها على التوالي. باستخدام بطاقة صوت الكمبيوتر، يتم قياس انخفاض الجهد عبر الخلية والمقاومة المرجعية. بما أن التيار المتدفق عبر R fl وYach هو نفسه

(14.7)

يقوم برنامج صيانة تركيبات المختبر بحساب وعرض وكتابة قيمة النسبة ( ص) قيم سعة التيار المتردد عند خرج مولد الصوت ( ش zg) وعلى خلية القياس ( شخلية):

بمعرفة ذلك، يمكنك تحديد مقاومة الخلية

أين هو ثابت الخلية.

لتحديد كفي الإعداد التجريبي، تم استخدام خلية مساعدة مشابهة لتلك التي تتم دراستها من حيث المعلمات الهندسية. كلا الخليتين الكهروكيميائية عبارة عن قوارب اكسيد الالمونيوم مع المنحل بالكهرباء. تحتوي على قطبين معدنيين أسطوانيين لهما نفس المقطع العرضي والطول، ويقعان على نفس المسافة من بعضهما البعض، لضمان نسبة ثابتة (L/S).

تحتوي الخلية قيد الدراسة على مادة منصهرة Na 2 O · 2B 2 O 3 وتوضع في فرن تسخين عند درجة حرارة 700 – 800 درجة مئوية. تكون الخلية المساعدة في درجة حرارة الغرفة ومملوءة بمحلول مائي 0.1 N من KCl، موصليته الكهربائية هي 0.0112 S cm –1. معرفة التوصيل الكهربائي للمحلول وتحديد (انظر الصيغة 14.9) المقاومة الكهربائية

خلية مساعدة (

2.2.3 أمر العمل

أ. التشغيل باستخدام نظام القياس في الوقت الحقيقي

قبل البدء بالقياسات، يجب تسخين الفرن إلى درجة حرارة 850 درجة مئوية. إجراء التثبيت هو كما يلي:

1. بعد الانتهاء من إجراء التهيئة وفقًا للتعليمات التي تظهر على شاشة المراقبة، قم بإيقاف تشغيل الفرن واضبط مفتاح "1 - المقاومة المرجعية" على الوضع "1 - Hi" واتبع التعليمات الإضافية.

2. بعد ظهور إشارة "المفتاح 2 - إلى موضع "الحل"" عليك اتباعها وحتى تظهر إشارة "المفتاح 2 - إلى موضع "الذوبان"" قم بتسجيل قيم نسبة المقاومة التي تظهر كل 5 ثواني.

3. اتبع التعليمات الثانية وراقب التغير في درجة الحرارة. بمجرد انخفاض درجة الحرارة إلى أقل من 800 درجة مئوية، استخدم أمر لوحة المفاتيح "Xs" لتشغيل عرض الرسم البياني وتسجيل قيم درجة الحرارة ونسب المقاومة كل 5 ثوانٍ.

4. بعد تبريد المادة المصهورة إلى درجة حرارة أقل من 650 درجة مئوية، يجب بدء القياسات للطالب الثاني الذي يقوم بالعمل على هذا التثبيت. اضبط المفتاح "1 – المقاومة المرجعية" على الوضع "2 – Lo" ومن تلك اللحظة يبدأ الطالب الثاني بتسجيل قيم درجات الحرارة ونسب المقاومة كل 5 ثواني.

5. عند تبريد المصهور إلى درجة حرارة 500 درجة مئوية أو وصول نسبة المقاومة إلى قيمة قريبة من 6، يجب إيقاف القياسات بإصدار أمر "Xe" من لوحة المفاتيح. من هذه اللحظة، يجب على الطالب الثاني تحريك المفتاح 2 إلى موضع "الحل" وكتابة عشر قيم لنسبة المقاومة.

ب. العمل مع البيانات المكتوبة مسبقًا في ملف

بعد تفعيل البرنامج تظهر على الشاشة رسالة حول قيمة المقاومة المرجعية ويتم عرض عدة قيم لنسبة المقاومة بشكل متتابع ( ص) خلية المعايرة. بعد حساب المتوسط، ستسمح لك هذه البيانات بإيجاد ثابت التثبيت.

وبعد ذلك تظهر على الشاشة كل بضع ثوانٍ قيم نسبة درجة الحرارة والمقاومة لخلية القياس. يتم عرض هذه المعلومات على الرسم البياني.

يتم إيقاف تشغيل البرنامج تلقائيًا ويرسل جميع النتائج إلى جهاز الكمبيوتر الخاص بالمعلم.

2.2.4 معالجة وعرض نتائج القياس

بناءً على نتائج القياس، عليك ملء جدول بالعنوان التالي:

الجدول 1. الاعتماد على درجة حرارة التوصيل الكهربائي لمصهور Na 2 O 2B 2 O 3

في الجدول، يتم ملء العمودين الأولين عند فتح ملف البيانات، ويتم حساب الباقي. باستخدامها، يجب عليك رسم الاعتماد ln() – 10 3 /T واستخدام طريقة المربعات الصغرى (وظيفة LINEST في OpenOffice.Calc) لتحديد قيمة طاقة التنشيط. يجب أن يظهر خط مستقيم تقريبي على الرسم البياني. يجب عليك أيضًا رسم رسم بياني للتوصيل الكهربائي مقابل درجة الحرارة. إجراءات معالجة النتائج

1. أدخل سجلات نتائج القياس في ملف جدول بيانات.

2. حساب متوسط نسبة المقاومة لخلية المعايرة.

3. احسب ثابت التثبيت.

4. بناء رسم بياني للتبعية ص – ر، تحديد وإزالة القيم الخارجية بصريًا. إذا كان هناك عدد كبير منهم، استخدم الفرز.

5. حساب مقاومة خلية القياس والتوصيل الكهربائي للأكسيد المنصهر عند درجات حرارة مختلفة ولوغاريتم التوصيل الكهربائي وعكس درجة الحرارة المطلقة

ب 0 , ب 1 من معادلة تقريب اعتماد لوغاريتم التوصيل الكهربائي على عكس درجة الحرارة، وحساب طاقة التنشيط.

7. ارسم على ورقة منفصلة رسمًا بيانيًا لاعتماد لوغاريتم التوصيل الكهربائي على درجة الحرارة العكسية وإعطاء اعتماد تقريبي نتائج الإختبار:

1. في كتاب جدول البيانات المقدم للمراجعة، يجب أن تحتوي الصفحة الأولى بعنوان "النتائج" على المعلومات التالية:

أ. في الخلية "A1" - درجة الحرارة الأولية، في الخلية "B1" - وحدات القياس؛

ج. في الخلية "A3" - طاقة التنشيط للتوصيل الكهربائي، في الخلية "B3" - وحدات القياس؛

د. في الخلية "A4" - العامل الأسي المسبق في صيغة اعتماد التوصيل الكهربائي على درجة الحرارة، في الخلية "B4" - وحدات القياس؛

ه. بدءًا من الخلية "A5"، يجب صياغة الاستنتاجات المتعلقة بالعمل بشكل واضح.

يجب أن تحتوي الخلايا A1-A4 على إشارات إلى الخلايا الموجودة في أوراق أخرى من دفتر جداول البيانات التي تم إجراء العمليات الحسابية عليها للحصول على النتيجة المقدمة، وليس القيم الرقمية نفسها! إذا لم يتم استيفاء هذا الشرط، فإن برنامج التحقق يعطي رسالة "خطأ في تقديم المعلومات".

2. رسم بياني مصمم بشكل صحيح لاعتماد لوغاريتم التوصيل الكهربائي على درجة الحرارة العكسية التي تم الحصول عليها من البيانات التجريبية (النقاط) وتقريبها بواسطة كثير الحدود (الخط)، على ورقة منفصلة من جداول البيانات مع جميع التوقيعات والرموز اللازمة.

أسئلة التحكم

1. ما هو اسم الموصلية الكهربائية؟

2. ما هي الجسيمات التي تحدد التوصيل الكهربائي للخبث؟

3. ما هي طبيعة الاعتماد على درجة حرارة التوصيل الكهربائي للمعادن وذوبان الأكسيد؟

4. على ماذا يعتمد ثابت الخلية وكيفية تحديده؟

5. لماذا تحتاج إلى استخدام التيار المتردد للتحديد؟

6. كيف تعتمد طاقة تنشيط التوصيل الكهربائي على درجة الحرارة؟

7. ما هي أجهزة الاستشعار والأدوات المستخدمة في إعداد المختبر. ما هي الكميات المادية التي يسمحون بتسجيلها؟

8. ما هي الرسوم البيانية (في أي إحداثيات) التي ينبغي تقديمها بناء على نتائج العمل؟

9. ما هي الكميات الفيزيائية والكيميائية التي يجب الحصول عليها بعد معالجة البيانات الأولية؟

10. تحديد القياسات التي يتم إجراؤها قبل التجربة، وما هي القيم التي يتم تسجيلها أثناء التجربة، وما هي البيانات التي تتعلق بالمعلومات الأولية، وما هي المعالجة التي تخضع لها وما هي المعلومات التي يتم الحصول عليها.

2.3 دراسة حركية إزالة الكبريت من المعدن بالخبث على نموذج محاكاة (عمل رقم 15)

2.3.1 معلومات عامة عن حركية إزالة الكبريت من المعدن بواسطة الخبث

الشوائب الكبريتية في الفولاذ بكميات تزيد عن 0.005 وزن. ٪، يقلل بشكل كبير من خصائصه الميكانيكية والكهربائية والمضادة للتآكل وغيرها من الخصائص، ويضعف قابلية لحام المعدن، ويؤدي إلى ظهور الاحمرار والهشاشة الباردة. ولذلك، فإن عملية إزالة الكبريت من الفولاذ، والتي تحدث بشكل فعال مع الخبث، لها أهمية كبيرة في علم المعادن عالي الجودة.

إن دراسة القوانين الحركية للتفاعل، وتحديد آليته وطريقة حدوثه أمر ضروري للتحكم الفعال في معدل إزالة الكبريت، لأن في الظروف الحقيقية للوحدات المعدنية، عادة لا يتم تحقيق توزيع التوازن للكبريت بين المعدن والخبث.

على عكس معظم الشوائب الأخرى في الفولاذ، فإن تحول الكبريت من المعدن إلى الخبث هو عملية اختزال وليست عملية أكسدة.[S] +2e = (S 2–).

وهذا يعني أنه من أجل حدوث العملية الكاثودية بشكل مستمر، مما يؤدي إلى تراكم الشحنات الموجبة على المعدن، فإن الانتقال المتزامن للجزيئات الأخرى القادرة على منح الإلكترونات إلى الطور المعدني ضروري. مثل هذه العمليات الأنودية المصاحبة يمكن أن تكون أكسدة أنيونات الأكسجين الخبث أو جزيئات الحديد والكربون والمنغنيز والسيليكون والشوائب المعدنية الأخرى، اعتمادًا على تركيبة الفولاذ.

2. (O 2–) = [O] + 2e،

3. = (الحديد 2+) + 2ه،

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

مجتمعة، تسمح لنا العملية الكاثودية وأي عملية أنودية بكتابة معادلة متكافئة لتفاعل إزالة الكبريت بالشكل التالي، على سبيل المثال:

1-2. (CaO) + [S] = (CaS) + [O]، H = -240 كيلوجول/مول

1-3. + [S] +(CaO)= (FeO) + (CaS). ح = -485 كيلوجول/مول

التعبيرات المقابلة لثوابت التوازن لها الشكل

(15.1)

ومن الواضح أن العمليات المختارة كمثال والعمليات المماثلة يمكن أن تحدث في وقت واحد. من العلاقة (15.1) يترتب على ذلك أن درجة إزالة الكبريت من المعدن عند درجة حرارة ثابتة، أي. القيمة الثابتة لثابت التوازن، تزداد مع زيادة تركيز أيون الأكسجين الحر (O2-) في ذوبان الأكسيد. في الواقع، يجب تعويض الزيادة في العامل في المقام عن طريق النقص في العامل الآخر لكي تتوافق مع القيمة غير المتغيرة لثابت التوازن. لاحظ أن محتوى أيونات الأكسجين الحرة يزداد عند استخدام الخبث الغني بأكسيد الكالسيوم. وبتحليل العلاقة (15.2) يمكننا أن نستنتج أن محتوى أيونات الحديد (Fe 2+) في ذوبان الأكسيد يجب أن يكون في حده الأدنى، أي. يجب أن تحتوي الخبث على الحد الأدنى من أكاسيد الحديد. كما أن وجود مزيلات الأكسدة (Mn، Si، Al، C) في المعدن يزيد أيضًا من اكتمال إزالة الكبريت من الفولاذ عن طريق تقليل محتوى (Fe 2+) و[O].

يصاحب التفاعل 1-2 امتصاص للحرارة (∆H>0)، وبالتالي، مع تقدم العملية، ستنخفض درجة الحرارة في الوحدة المعدنية. على العكس من ذلك، فإن التفاعل 1-3 يصاحبه إطلاق حرارة (∆H<0) и, если она имеет определяющее значение, температура в агрегате будет повышаться.

عند وصف إزالة الكبريت حركيا، ينبغي النظر في المراحل التالية من العملية:

توصيل جزيئات الكبريت من حجم المعدن إلى الحدود مع الخبث، ويتم تحقيق ذلك أولاً عن طريق الانتشار بالحمل الحراري، ومباشرة بالقرب من واجهة المعدن والخبث عن طريق الانتشار الجزيئي؛ الفعل الكهروكيميائي المتمثل في إضافة الإلكترونات إلى ذرات الكبريت وتكوين أنيونات S 2–؛ وهو عمل كيميائي امتزاز، وإزالة أنيونات الكبريت في حجم الخبث بسبب الانتشار الجزيئي ثم الحمل الحراري.

مراحل مماثلة هي سمة من سمات المراحل الأنودية، بمشاركة ذرات Fe، Mn، Si أو O 2– الأنيونات. تساهم كل مرحلة في المقاومة الشاملة لعملية إزالة الكبريت. القوة الدافعة لتدفق الجسيمات عبر عدد من المقاومات المشار إليها هي الفرق في إمكاناتها الكهروكيميائية في نظام الخبث المعدني غير المتوازن أو الفرق المتناسب بين إمكانات القطب الفعلي وإمكانات التوازن في واجهة الطور، والتي تسمى الجهد الزائد .

يتم تحديد سرعة العملية التي تتكون من عدد من المراحل المتعاقبة من خلال مساهمة المرحلة ذات المقاومة الأعلى - الحدمنصة. اعتمادًا على آلية مرحلة تحديد المعدل، يتحدث المرء عن وضع الانتشار أو التفاعل الحركي. إذا كانت المراحل ذات آليات حدوث مختلفة لها مقاومات مماثلة، فإننا نتحدث عن وضع التفاعل المختلط. تعتمد مقاومة كل مرحلة بشكل كبير على طبيعة النظام وخصائصه، وتركيز الكواشف، وشدة خلط الطور، ودرجة الحرارة. على سبيل المثال، يتم تحديد معدل الفعل الكهروكيميائي لاختزال الكبريت من خلال حجم تيار التبادل

(15.3)

أين في- وظيفة درجة الحرارة، ج[رمل ج(S 2–) – تركيز الكبريت في المعدن والخبث، α – معامل النقل.

يتم تحديد سرعة مرحلة توصيل الكبريت إلى حدود الطور من خلال تيار الانتشار المحدود لهذه الجزيئات

أين د[S] هو معامل انتشار الكبريت، β هو ثابت الحمل الحراري، الذي تحدده شدة الحمل الحراري في الذوبان، وهو يتناسب مع الجذر التربيعي للسرعة الخطية لتدفقات الحمل الحراري في السائل.

تشير البيانات التجريبية المتاحة إلى أنه في ظل الظروف العادية للحمل الحراري الذائب، يحدث الفعل الكهروكيميائي لتصريف أيونات الكبريت بسرعة نسبية، أي. يتم منع إزالة الكبريت بشكل رئيسي عن طريق انتشار الجزيئات في المعدن أو الخبث. ومع ذلك، مع زيادة تركيز الكبريت في المعدن، تقل صعوبات الانتشار ويمكن أن يتغير وضع العملية إلى الحركية. يتم تسهيل ذلك أيضًا عن طريق إضافة الكربون إلى الحديد، لأن يحدث تفريغ أيونات الأكسجين عند حدود معدن الكربون والخبث مع تثبيط حركي كبير.

يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن الأفكار الكهروكيميائية حول تفاعل المعادن مع الإلكتروليتات تجعل من الممكن توضيح آلية العمليات وفهم الظواهر التي تحدث بالتفصيل. وفي الوقت نفسه، تحتفظ المعادلات البسيطة للحركية الشكلية بصلاحيتها تمامًا. على وجه الخصوص، لإجراء تحليل تقريبي للنتائج التجريبية التي تم الحصول عليها بأخطاء كبيرة، يمكن كتابة معادلة معدل التفاعل 1-3 في أبسط صورها:

أين كو و كص – ثوابت معدل التفاعلات الأمامية والعكسية. يتم تحقيق هذه العلاقة إذا كان من الممكن اعتبار محاليل الكبريت في الحديد وكبريتيد الكالسيوم والوستيت في الخبث مخففة بشكل لا نهائي وكانت أوامر التفاعل لهذه الكواشف قريبة من الوحدة. تكون محتويات الكواشف المتبقية في التفاعل قيد النظر عالية جدًا بحيث يظل وقت التفاعل بأكمله ثابتًا عمليًا ويمكن تضمين تركيزاتها في الثوابت كو و كص

من ناحية أخرى، إذا كانت عملية إزالة الكبريت بعيدة عن التوازن، فيمكن إهمال معدل التفاعل العكسي. ثم يجب أن يكون معدل إزالة الكبريت متناسبًا مع تركيز الكبريت في المعدن. يمكن التحقق من هذا الإصدار من وصف البيانات التجريبية من خلال فحص العلاقة بين لوغاريتم معدل إزالة الكبريت ولوغاريتم تركيز الكبريت في المعدن. إذا كانت هذه العلاقة خطية، ويجب أن يكون المعامل الزاوي للاعتماد قريبًا من الوحدة، فهذه حجة لصالح وضع الانتشار للعملية.

2.3.2 النموذج الرياضي للعملية

إن إمكانية وجود عدة مراحل أنوديك تؤدي إلى تعقيد الوصف الرياضي لعمليات إزالة الكبريت من الفولاذ الذي يحتوي على العديد من الشوائب. وفي هذا الصدد، تم إدخال بعض التبسيطات على النموذج، وعلى وجه الخصوص، تم إهمال الصعوبات الحركية في الفصل.

بالنسبة للتفاعلات النصفية لانتقال الحديد والأكسجين، فيما يتعلق بالقيود المقبولة للتحكم في الانتشار، تبدو العلاقات أبسط بكثير:

(15.7)

وفقًا لحالة الحياد الكهربائي، في حالة عدم وجود تيار من مصدر خارجي، يتم التعبير عن العلاقة بين التيارات لتفاعلات نصف القطب الفردية من خلال علاقة بسيطة:

يتم تحديد الاختلافات في الجهد الزائد للإلكترود () من خلال نسب المنتجات المقابلة للأنشطة وثوابت التوازن للتفاعلات 1-2 و1-3:

يتم تحديد مشتق تركيز الكبريت في المعدن بالنسبة للوقت بواسطة تيار نصف تفاعل القطب الأول وفقًا للمعادلة:

(15.12)

هنا أنا 1 , أنا 2 – الكثافة الحالية لعمليات القطب، η 1، η 2 – استقطاباتها، أنان - الحد من تيارات انتشار الجسيمات ј بعض الفرز، أناس - تبادل التيار للمرحلة الحركية، ج[ق] – تركيز الكبريت في المعدن، α – معامل النقل، P، ك p هو نتاج الأنشطة وثابت التوازن لتفاعل إزالة الكبريت، س- مساحة واجهة الخبث المعدني، الخامسأنا - حجم المعدن، ت- درجة حرارة، F- ثابت فاراداي، ر- ثابت الغاز العالمي.

وفقًا لقوانين الحركية الكهروكيميائية، يأخذ التعبير (15.6) في الاعتبار تثبيط انتشار أيونات الحديد في الخبث، نظرًا لأنه، وفقًا للبيانات التجريبية، فإن مرحلة التأين والتفريغ لهذه الجزيئات ليست محدودة. التعبير (15.5) هو تأخير انتشار جزيئات الكبريت في الخبث والمعادن، وكذلك تأخير تأين الكبريت في الواجهة.

من خلال الجمع بين التعبيرات (15.6 - 15.12)، من الممكن الحصول، باستخدام الطرق العددية، على اعتماد تركيز الكبريت في المعدن في الوقت المحدد لظروف مختارة.

يستخدم النموذج المعلمات التالية:

3)
تيار تبادل أيونات الكبريت:

4) ثابت التوازن لتفاعل إزالة الكبريت ( لص):

5) نسبة مساحة الحد البيني إلى حجم المعدن

7) ثابت الحمل الحراري (β):

يتيح النموذج تحليل تأثير العوامل المذكورة على معدل واكتمال إزالة الكبريت، وكذلك تقييم مساهمة الانتشار والتثبيط الحركي في المقاومة الشاملة للعملية.

2.3.3 إجراءات العمل

تظهر الصورة التي تم إنشاؤها بواسطة برنامج المحاكاة في الشكل. . في الجزء العلوي من اللوحة يتم تحديد القيم العددية للكميات المقاسة، ويعرض الرسم البياني جميع القيم التي تم الحصول عليها أثناء محاكاة العملية. في تسميات مكونات ذوبان المعدن والخبث، يتم استخدام رموز إضافية مقبولة في الأدبيات المتعلقة بالمواضيع المعدنية. تشير الأقواس المربعة إلى أن المكون ينتمي إلى ذوبان المعدن، وتشير الأقواس المستديرة إلى أن المكون ينتمي إلى ذوبان الخبث. تُستخدم المضاعفات في تسميات المكونات لأغراض التخطيط فقط ولا ينبغي أخذها في الاعتبار عند تفسير القيم. أثناء تشغيل النموذج، في أي لحظة يتم عرض قيمة إحدى الكميات المقاسة فقط. وبعد 6 ثواني تختفي وتظهر القيمة التالية. خلال هذه الفترة الزمنية، يجب أن يكون لديك وقت لكتابة القيمة التالية. لتوفير الوقت، يوصى بعدم كتابة أرقام ثابتة، على سبيل المثال، الوحدة الرائدة في قيمة درجة الحرارة.

بعد خمس دقائق من بدء القياسات بواسطة الساعة في الزاوية اليمنى العليا من لوحة التثبيت، بالضغط في نفس الوقت على المفاتيح و[لا]، حيث لا هو رقم التثبيت، قم بتكثيف سرعة خلط الطور.

2.3.4 معالجة وعرض نتائج القياس

ينبغي استكمال جدول نتائج القياس الناتج عن برنامج المحاكاة بالأعمدة المحسوبة التالية:

الجدول 1. نتائج المعالجة الإحصائية للبيانات التجريبية

في الجدول الموجود في العمود الأول، يجب عليك حساب الوقت منذ بداية العملية بالدقائق.

يتم إجراء المزيد من المعالجة بعد البناء الرسومي - في المرحلة الأولى من المعالجة، يجب رسم رسم بياني لدرجة الحرارة مقابل الوقت ويجب تقييم نطاق البيانات عندما يكون انتقال الكبريت مصحوبًا بشكل أساسي بانتقال الحديد. تم في هذا النطاق تحديد منطقتين بمعدلات خلط متطابقة وإيجاد معاملات تقريب كثيرات الحدود للشكل باستخدام طريقة المربعات الصغرى:

والذي يتبع من المعادلة (15.5) ضمن الشروط المحددة. من خلال مقارنة قيم المعاملات التي تم الحصول عليها، يتم استخلاص استنتاجات حول وضع العملية ودرجة اقتراب النظام من حالة التوازن. لاحظ أنه لا يوجد حد وهمي في المعادلة (15.13).

لتوضيح نتائج التجربة، قم برسم اعتماد تركيز الكبريت على الوقت ومعدل إزالة الكبريت على تركيز كبريتيد الكالسيوم في الخبث.

إجراءات معالجة النتائج

2. حساب معدل عملية إزالة الكبريت من تركيز الكبريت في المعدن ولوغاريتمات المعدل وتركيز الكبريت.

3. أنشئ رسومًا بيانية على صفائح منفصلة لدرجة الحرارة في الوحدة مقابل الوقت، وكتلة الخبث مقابل الوقت، ومعدل إزالة الكبريت مقابل الوقت، ولوغاريتم معدل إزالة الكبريت مقابل لوغاريتم تركيز الكبريت.

4. باستخدام طريقة المربعات الصغرى، قم بتقدير الخصائص الحركية لعملية إزالة الكبريت بشكل منفصل لسرعات خلط مختلفة وفقا للمعادلة () وترتيب التفاعل من حيث تركيز الكبريت.

نتائج الإختبار:

1. الرسوم البيانية المصممة بشكل صحيح لاعتماد معدل عملية إزالة الكبريت ولوغاريتم هذه القيمة في الوقت المناسب، على ورقة منفصلة من جداول البيانات مع جميع التوقيعات والرموز اللازمة.

2. قيم الخصائص الحركية لعملية إزالة الكبريت في جميع أشكال العملية مع الإشارة إلى الأبعاد (والأخطاء).

3. استنتاجات حول العمل.

أسئلة التحكم

1. ما هي الشروط اللازمة لإزالة الكبريت من المعدن بشكل كامل بواسطة الخبث؟

2. ما هي العمليات الأنودية التي يمكن أن تصاحب إزالة الكبريت؟

3. ما هي مراحل عملية مرور الكبريت عبر الحد البيني؟

4. في أي الحالات يتم تحقيق طريقة الانتشار أو الوضع الحركي لإزالة الكبريت؟

5. ما هو ترتيب العمل؟

2.4 الدراسة الحرارية لعمليات تفكك الكربونات الطبيعية (العمل رقم 16)

2.4.1 الأنماط العامة لتفكك الكربونات

الرسم الحراري هو اعتماد درجة حرارة العينة على الوقت المحدد. أصبحت الطريقة الحرارية لدراسة عمليات التحلل الحراري للمواد منتشرة على نطاق واسع بعد اكتشاف السمات المميزة لهذه التبعيات: "توقف درجة الحرارة" و "هضاب درجة الحرارة المنحدرة".

1.4

الشكل 3. رسم توضيحي للمخطط الحراري:

المنحنى المنقط هو رسم بياني حراري لعينة مقارنة افتراضية لا يحدث فيها التفكك؛ الخط الصلب – عينة حقيقية مع تفكك على مرحلتين.

هذه هي الأقسام المميزة للاعتماد، حيث تظل درجة الحرارة ثابتة لبعض الوقت (T = const) أو تزيد بمقدار صغير (T) بمعدل ثابت (T/). باستخدام التمايز العددي أو الرسومي، من الممكن تحديد اللحظات الزمنية ودرجة الحرارة لبداية ونهاية توقف درجة الحرارة بدقة جيدة.

في العمل المختبري المقترح، يتم الحصول على مثل هذا الاعتماد عن طريق التسخين المستمر للمادة الطبيعية الكالسيت، والمكون الرئيسي منها هو كربونات الكالسيوم. تسمى الصخور التي تتكون أساسًا من الكالسيت بالحجر الجيري. يستخدم الحجر الجيري بكميات كبيرة في صناعة المعادن.

نتيجة حرق (المعالجة الحرارية) للحجر الجيري عن طريق تفاعل ماص للحرارة

كربونات الكالسيوم 3 = كربونات الكالسيوم + ثاني أكسيد الكربون 2

يتم الحصول على الجير (CaO) - وهو مكون ضروري في ذوبان الخبث. وتتم العملية عند درجات حرارة أقل من نقطة انصهار كل من الحجر الجيري والجير. من المعروف أن الكربونات والأكاسيد المتكونة منها غير قابلة للذوبان عمليا، وبالتالي فإن منتج التفاعل هو مرحلة صلبة جديدة وغاز. التعبير عن ثابت التوازن، في الحالة العامة، له الصيغة:

هنا أ– نشاط الكواشف الصلبة – الضغط الجزئي لمنتج التفاعل الغازي. كما يتم استخدام صخرة أخرى تسمى الدولوميت على نطاق واسع في علم المعادن. ويتكون بشكل أساسي من معدن يحمل نفس الاسم، وهو الملح المزدوج لحمض الكربونيك CaMg(CO 3) 2.

يحتوي الكالسيت، مثل أي معدن طبيعي، إلى جانب المكون الرئيسي على شوائب مختلفة، تعتمد كميتها وتكوينها على رواسب المورد الطبيعي، وحتى على موقع التعدين المحدد. إن تنوع مركبات الشوائب كبير جدًا لدرجة أنه من الضروري تصنيفها وفقًا لبعض الخصائص المهمة في حالة معينة. الميزة الأساسية للتحليل الديناميكي الحراري هي قدرة الشوائب على تكوين محاليل باستخدام الكواشف. وسنفترض أن المعدن لا يحتوي على أي شوائب تدخل في نطاق الظروف المدروسة (الضغط ودرجة الحرارة) في أي تفاعلات كيميائية مع بعضها البعض أو مع المكون الرئيسي أو ناتج تحلله. من الناحية العملية، لا يتم استيفاء هذا الشرط بشكل صارم، حيث أن الكالسيت، على سبيل المثال، قد يحتوي على كربونات معادن أخرى، ولكن من وجهة نظر التحليل الإضافي، فإن أخذ هذه التفاعلات في الاعتبار لن يوفر معلومات جديدة، ولكنه سيعقد التحليل دون داع. .

يمكن تقسيم جميع الشوائب الأخرى إلى ثلاث مجموعات:

1. الشوائب التي تشكل محلولاً مع كربونات الكالسيوم. وبطبيعة الحال، يجب أن تؤخذ هذه الشوائب في الاعتبار أثناء التحليل الديناميكي الحراري، وعلى الأرجح، أثناء التحليل الحركي للعملية.

2. الشوائب التي تذوب في منتج التفاعل – الأكسيد. يعتمد حل مسألة مراعاة الشوائب من هذا النوع على مدى سرعة انحلالها في منتج التفاعل الصلب والمسألة المرتبطة ارتباطًا وثيقًا بتشتت شوائب الشوائب من هذا النوع. إذا كانت الادراج كبيرة الحجم نسبيًا وكان انحلالها بطيئًا، فلا ينبغي أخذها بعين الاعتبار في التحليل الديناميكي الحراري.

3. الشوائب غير القابلة للذوبان في الكربونات الأصلية ونواتج تحللها. ولا ينبغي أن تؤخذ هذه الشوائب في الاعتبار في التحليل الديناميكي الحراري، وكأنها غير موجودة على الإطلاق. وفي بعض الحالات، يمكن أن تؤثر على حركية العملية.

في أبسط نسخة (تقريبية) من التحليل، يجوز الجمع بين جميع الشوائب من نفس النوع واعتبارها مكونًا معممًا. وعلى هذا الأساس نميز بين ثلاثة مكونات: B1 وB2 وB3. وينبغي أيضًا مناقشة المرحلة الغازية للنظام الديناميكي الحراري قيد النظر. في العمل المختبري، تتم عملية التفكك في تركيب مفتوح يتواصل مع جو الغرفة. في هذه الحالة، يكون الضغط الإجمالي في النظام الديناميكي الحراري ثابتًا ويساوي جوًا واحدًا، وفي الطور الغازي يوجد منتج تفاعل غازي - ثاني أكسيد الكربون (CO2) ومكونات الهواء، مبسطة - الأكسجين والنيتروجين. هذا الأخير لا يتفاعل مع المكونات الأخرى للنظام، وبالتالي، في الحالة قيد النظر، لا يمكن تمييز الأكسجين والنيتروجين وفي المستقبل سوف نسميهم المكون الغازي المحايد B.

توقفات درجات الحرارة والمواقع لها تفسير ديناميكي حراري. مع تكوين طور معروف، من الممكن التنبؤ بدرجة حرارة التوقف باستخدام الطرق الديناميكية الحرارية. يمكنك أيضًا حل المشكلة العكسية - باستخدام درجات الحرارة المعروفة لتحديد تركيبة المراحل. يتم تقديمه في إطار هذه الدراسة.

لا يمكن تحقيق توقفات درجة الحرارة والمنصات إلا في حالة استيفاء متطلبات معينة تتعلق بحركية العملية. من الطبيعي أن نتوقع أن تكون هذه متطلبات لتركيبات طور التوازن تقريبًا في موقع التفاعل والتدرجات التي لا تذكر في طبقات الانتشار. يكون الامتثال لمثل هذه الشروط ممكنًا إذا لم يتم التحكم في معدل العملية عن طريق العوامل الداخلية (مقاومة الانتشار ومقاومة التفاعل الكيميائي نفسه)، ولكن عن طريق العوامل الخارجية - معدل إمداد الحرارة إلى موقع التفاعل. بالإضافة إلى الأنماط الرئيسية للتفاعل غير المتجانس المحددة في الكيمياء الفيزيائية: الحركية والانتشار، يسمى وضع العملية هذا بالحرارة.

لاحظ أن النظام الحراري لعملية تفكك الطور الصلب ممكن نظرا لطبيعة التفاعل الفريدة التي تتطلب إمداد كمية كبيرة من الحرارة، وفي نفس الوقت لا توجد مراحل لتزويد المواد البادئة إلى موقع التفاعل (منذ حدوث تحلل مادة واحدة) وإزالة منتج التفاعل الصلب من واجهة الطور الحدودي (نظرًا لأن هذه الحدود تتحرك). لم يتبق سوى خطوتين للانتشار: إزالة ثاني أكسيد الكربون عبر الطور الغازي (على ما يبدو بمقاومة قليلة جدًا) وانتشار ثاني أكسيد الكربون عبر الأكسيد، والذي يتم تسهيله إلى حد كبير عن طريق تكسير الأكسيد الذي يملأ الحجم الذي كان يشغله سابقًا المادة المتطايرة. أول أكسيد الكربون.

دعونا نفكر في نظام ديناميكي حراري عند درجات حرارة أقل من درجة الحرارة. لنفترض أولاً أن الكربونات لا تحتوي على شوائب من النوعين الأول والثاني. وسنأخذ في الاعتبار احتمال وجود نجاسة من النوع الثالث، ولكن فقط لبيان عدم ضرورة ذلك. لنفترض أن عينة مسحوق الكالسيت قيد الدراسة تتكون من جزيئات كروية متطابقة ذات نصف قطر ص 0 . دعونا نرسم حدود النظام الديناميكي الحراري على مسافة معينة من سطح إحدى جزيئات الكالسيت، صغيرة مقارنة بنصف قطرها، وبالتالي تضمين حجم معين من الطور الغازي في النظام.

يوجد في النظام قيد النظر 5 مواد: CaO، CaCO3، B3، CO2، B ويشارك بعضها في تفاعل واحد. وتتوزع هذه المواد على أربع مراحل: CaO، CaCO3، B3، الطور الغازي، وتتميز كل منها بقيمها الخاصة من خصائص مختلفة ويتم فصلها عن المراحل الأخرى بواسطة واجهة مرئية (على الأقل تحت المجهر). حقيقة أن المرحلة B3 يتم تمثيلها على الأرجح بعدد كبير من الجسيمات المشتتة لن تغير التحليل - جميع الجسيمات متطابقة تقريبًا في الخصائص ويمكن اعتبارها مرحلة واحدة. الضغط الخارجي ثابت، لذلك هناك متغير خارجي واحد فقط - درجة الحرارة. وبالتالي فإن جميع مصطلحات حساب عدد درجات الحرية ( مع) يتم تعريفها: مع = (5 – 1) + 1 – 4 = 1.

القيمة التي تم الحصول عليها تعني أنه عندما تتغير درجة الحرارة (معلمة واحدة)، سينتقل النظام من حالة توازن إلى أخرى، ولن يتغير عدد وطبيعة المراحل. ستتغير معلمات حالة النظام: درجة الحرارة وضغط التوازن لثاني أكسيد الكربون والغاز المحايد B ( ت , ف ثاني أكسيد الكربون , آر في).

بالمعنى الدقيق للكلمة، ما قيل لا ينطبق على أي درجات حرارة أقل من توقف درجة الحرارة، ولكن فقط بالنسبة للفاصل الزمني الذي يتحول فيه التفاعل، الذي حدث في البداية في النظام الحركي، إلى النظام الحراري ويمكننا في الواقع التحدث عن قرب النظام معلمات التوازن عند درجات الحرارة المنخفضة، يكون النظام خارج التوازن بشكل كبير، ولكن هذا لا يؤثر على طبيعة اعتماد درجة حرارة العينة على الوقت المحدد بأي شكل من الأشكال.

منذ بداية التجربة، في درجة حرارة الغرفة، يكون النظام في حالة توازن، ولكن فقط لأنه لا توجد مواد يمكن أن تتفاعل فيه. يشير هذا إلى أكسيد الكالسيوم، والذي في ظل هذه الظروف (الضغط الجزئي لثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي يبلغ حوالي 310-4 ضغط جوي، وضغط التوازن هو 10-23 ضغط جوي) يمكن أن يتفحم. وفقا لمعادلة الأيسوثرم للتفاعل، مكتوبة مع مراعاة التعبير عن ثابت التوازن (16.1) مع أنشطة المواد المكثفة التي تساوي الوحدة:

يكون التغير في طاقة جيبس إيجابيًا، مما يعني أن التفاعل يجب أن يحدث في الاتجاه المعاكس، لكن هذا غير ممكن نظرًا لعدم وجود أكسيد الكالسيوم في النظام في البداية.

مع زيادة درجة الحرارة، تزداد مرونة التفكك (ضغط توازن ثاني أكسيد الكربون فوق الكربونات)، كما يلي من معادلة الأيزوبار:

لأن التأثير الحراري للتفاعل أكبر من الصفر.

فقط عند درجة حرارة 520 درجة مئوية تقريبًا، سيصبح تفاعل التفكك ممكنًا من الناحية الديناميكية الحرارية، ولكنه سيبدأ بتأخير زمني كبير (فترة الحضانة) ضروري لنواة طور الأكسيد. في البداية، سيحدث التفاعل في الوضع الحركي، ولكن بسبب التحفيز الذاتي، ستنخفض مقاومة المرحلة الحركية بسرعة كبيرة لدرجة أن التفاعل سينتقل إلى الوضع الحراري. من هذه اللحظة يصبح التحليل الديناميكي الحراري المذكور أعلاه صالحًا، وستبدأ درجة حرارة العينة بالتخلف عن درجة حرارة عينة المقارنة الافتراضية التي لا يحدث فيها التفكك (انظر الشكل 3).

سيظل التحليل الديناميكي الحراري صالحًا حتى اللحظة التي تصل فيها مرونة التفكك إلى قيمة 1 أجهزة الصراف الآلي. في هذه الحالة، يتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون بشكل مستمر على سطح العينة تحت ضغط قدره 1 ATM. فهو يزيح الهواء، وتصل أجزاء جديدة من العينة لتحل محلها. لا يمكن أن يزيد ضغط ثاني أكسيد الكربون عن الغلاف الجوي الواحد، لأن الغاز يتسرب بحرية إلى الغلاف الجوي المحيط.

يتغير النظام بشكل أساسي، حيث لا يوجد الآن أي هواء في الطور الغازي حول العينة ويوجد مكون واحد أقل في النظام. عدد درجات الحرية في مثل هذا النظام هو c = (4 – 1) + 1 – 4 = 0

اتضح أنه يساوي الصفر، ومع الحفاظ على التوازن، لا يمكن تغيير أي معلمات الحالة فيه، بما في ذلك درجة الحرارة.

ولنلاحظ الآن أن جميع الاستنتاجات (حساب عدد درجات الحرية، وما إلى ذلك) ستظل صالحة إذا لم نأخذ في الاعتبار المكون B3، الذي يزيد كلاً من عدد المواد وعدد الأطوار بمقدار واحد، وهو تعويض متبادل.

يحدث توقف درجة الحرارة عندما يتم إنفاق كل الحرارة الواردة فقط على عملية التفكك. يعمل النظام كمنظم جيد لدرجة الحرارة عندما يؤدي التغير العشوائي البسيط في درجة الحرارة إلى تغير معاكس في معدل التفكك مما يعيد درجة الحرارة إلى قيمتها السابقة. يتم تفسير الجودة العالية للتنظيم من خلال حقيقة أن مثل هذا النظام خالٍ من القصور الذاتي عمليًا.

مع تطور عملية التفكك، تتحرك جبهة التفاعل بشكل أعمق داخل العينة، بينما يقل سطح التفاعل ويزداد سمك منتج التفاعل الصلب، مما يعقد انتشار ثاني أكسيد الكربون من موقع التفاعل إلى سطح العينة. بدءًا من نقطة زمنية معينة، يتحول النظام الحراري للعملية إلى خليط، ثم إلى انتشار. بالفعل في الوضع المختلط، سيصبح النظام غير متوازن بشكل كبير وستفقد الاستنتاجات التي تم الحصول عليها من التحليل الديناميكي الحراري معناها العملي.

نظرًا لانخفاض معدل عملية التفكك، ستنخفض الكمية المطلوبة من الحرارة كثيرًا بحيث يبدأ إنفاق جزء من تدفق الحرارة الوارد مرة أخرى على تسخين النظام. ومن هذه النقطة فصاعدًا، سيتوقف توقف درجة الحرارة، على الرغم من أن عملية التفكك ستستمر حتى تتحلل الكربونات تمامًا.

ليس من الصعب تخمين أنه بالنسبة لأبسط حالة قيد النظر، يمكن العثور على قيمة درجة حرارة التوقف من المعادلة

يعطي الحساب الديناميكي الحراري باستخدام هذه المعادلة باستخدام قاعدة بيانات TDHT درجة حرارة 883 درجة مئوية للكالسيت النقي و834 درجة مئوية للأراجونيت النقي.

الآن دعونا تعقيد التحليل. أثناء تفكك الكالسيت المحتوي على شوائب من النوعين الأول والثاني، عندما لا يمكن اعتبار أنشطة الكربونات والأكسيد مساوية للوحدة، ستصبح الحالة المقابلة أكثر تعقيدًا:

إذا افترضنا أن محتوى الشوائب منخفض ويمكن اعتبار المحاليل الناتجة مخففة إلى ما لا نهاية، فيمكن كتابة المعادلة الأخيرة على النحو التالي:

أين هو الكسر المولي من الشوائب المقابلة.

إذا تم الحصول على منصة درجة حرارة مائلة وكلا درجتي الحرارة ( ت 2 > ت 1) أعلى من درجة حرارة التوقف لكربونات الكالسيوم النقية – ك ر (ت 1) > 1 و ك ر (ت 2)> 1 فمن المعقول افتراض عدم وجود شوائب من النوع الثاني أو ليس لديها وقت لتذوب () وتقدير تركيز شوائب النوع الأول في البداية

وفي نهاية توقف درجة الحرارة

يجب أن يتراكم النوع الأول من الشوائب إلى حد ما في محلول CaCO3 – B1 أثناء تحرك جبهة التفاعل. في هذه الحالة، يتم التعبير عن المعامل الزاوي لميل المنصة بالعلاقة:

حيث 1 هي نسبة المكون B1 الذي يعود إلى الطور الأصلي عندما يتم عزله في شكل نقي؛ ضد– الحجم المولي للكالسيت. ضد ج- معدل تفكك الكربونات؛ - التأثير الحراري لتفاعل التفكك عند درجة حرارة التوقف؛ ص 0 هو نصف القطر الأولي لجسيم الكالسيت.

باستخدام البيانات المرجعية، باستخدام هذه الصيغة يمكنك حساب ضد ج- معدل الذوبان

عنصر الرينيوم B1 في الكالسيت.

2.4.2 مخطط التثبيت وإجراءات العمل

يدرس العمل تفكك كربونات الكالسيوم والدولوميت من كسور مختلفة.

يظهر مخطط الإعداد التجريبي في الشكل 4.

الشكل 4 - مخطط التركيب لدراسة المخططات الحرارية لتفكك الكربونات:

1 - أنبوب اكسيد الالمونيوم، 2 - كربونات، 3 - المزدوجة الحرارية، 4 - الفرن،

5- محول ذاتي، 6- كمبيوتر شخصي مزود بلوحة ADC

يتم تركيب أنبوب اكسيد الالمونيوم (1) مع المزدوج الحراري (3) وعينة اختبار كربونات الكالسيوم (2) في فرن (4) مسخن مسبقًا إلى 1200 كلفن. تتم ملاحظة الرسم الحراري للعينة على شاشة جهاز الكمبيوتر الشخصي. بعد المرور عبر المقطع المتساوي الحرارة، يتم تكرار التجربة مع جزء كربونات مختلف. عند دراسة الدولوميت، يتم التسخين حتى يتم تحديد توقفين لدرجة الحرارة.

يتم عرض الرسوم البيانية الحرارية الناتجة على الرسم البياني "درجة الحرارة - الوقت". لسهولة المقارنة، يجب أن تظهر جميع المخططات الحرارية على رسم بياني واحد. يتم استخدامه لتحديد درجة حرارة التطور المكثف للعملية ومقارنتها بتلك الموجودة في التحليل الديناميكي الحراري. وتم التوصل إلى استنتاجات حول تأثير درجة الحرارة وطبيعة الكربونات ودرجة تشتتها على طبيعة الرسم الحراري.

2.4.3 معالجة وعرض نتائج القياس

بناءً على نتائج عملك، عليك ملء الجدول التالي:

الجدول 1. نتائج دراسة عملية تفكك كربونات الكالسيوم (الدولوميت)

يتم ملء العمودين الأولين بالقيم عند فتح ملف البيانات، ويجب حساب العمودين الأخيرين. يتم إجراء التجانس على خمس نقاط، ويتم إجراء التمايز الرقمي للبيانات المتجانسة مع تجانس إضافي، أيضًا على خمس نقاط. بناءً على نتائج العمل، ينبغي إنشاء مخططين منفصلين للتبعية: ر- و د ر/د - ر .

قيمة توقف درجة الحرارة الناتجة ( تي ق) يجب مقارنتها بالقيمة المميزة للكالسيت النقي. وإذا كانت القيمة المرصودة أعلى، فيمكن تقدير الحد الأدنى لمحتوى النوع الأول من الشوائب تقريبياً باستخدام المعادلة (16.7)، على افتراض عدم وجود شوائب من النوع الثاني. وإذا لوحظت العلاقة المعاكسة فيمكننا أن نستنتج أن التأثير الرئيسي تمارسه شوائب النوع الثاني وتقدير محتواها الأدنى بشرط عدم وجود شوائب من النوع الأول. ويترتب على المعادلة (16.6) أنه في الحالة الأخيرة

يُنصح بحساب قيمة ثابت التوازن باستخدام قاعدة بيانات TDHT باستخدام الطريقة الموضحة في الدليل. كحالة متطرفة، يمكنك استخدام المعادلة التي تقارب اعتماد التغير في طاقة جيبس في تفاعل تفكك كربونات الكالسيوم مع درجة الحرارة:

ز 0 = ب 0 + ب 1 · ت + ب 2 · ت 2 ,

مع أخذ قيم المعاملات متساوية: ب 0 = 177820، جول/مول؛ ب 1 = -162.61، J/(mol K)، ب 3 =0.00765, جول مول -1 ك -2 .

ملحوظة . إذا لم يكن الطلاب في دورة "الكيمياء الفيزيائية" على دراية بقاعدة بيانات TDHT ولم يجروا الحسابات المقابلة في الفصول العملية، فيجب عليهم استخدام معادلة Shvartsman-Temkin والبيانات من الكتاب المرجعي.

إجراءات معالجة النتائج

1. أدخل نتائج التسجيل اليدوي للمعلومات في ملف جدول بيانات.

2. إجراء تجانس قيم درجة الحرارة.

3. ارسم رسمًا بيانيًا لدرجة الحرارة مقابل الوقت على ورقة منفصلة.

4. التفريق بين قيم درجات الحرارة مع مرور الوقت مع التجانس عند 5 نقاط.

5. إنشاء رسم بياني لاعتماد مشتق درجة الحرارة مع مرور الوقت على درجة الحرارة على ورقة منفصلة، وتحديد خصائص المواقع.

نتائج الإختبار:

1. في كتاب جدول البيانات المقدم للمراجعة، يجب أن تحتوي الصفحة الأولى بعنوان "النتائج" على المعلومات التالية:

أ. في الخلية "A1" - قيمة توقف درجة الحرارة (المتوسط لمنصة مائلة)، في الخلية "B1" - وحدات القياس؛

ب. في الخلية "A2" - مدة توقف درجة الحرارة، في الخلية "B2" - وحدات القياس؛

ج. في الخلية "A3" - ميل الموقع، في الخلية "B3" - وحدات القياس؛

د. في الخلية "A4" - نوع الشوائب أو "0" إذا لم يتم الكشف عن وجود الشوائب؛

ه. في الخلية "A5" - الجزء المولي من الشوائب؛

F. بدءًا من الخلية "A7"، يجب صياغة الاستنتاجات المتعلقة بالعمل بشكل واضح.

يجب أن تحتوي الخلايا A1 وA3 وA5 على إشارات إلى خلايا موجودة في أوراق أخرى في دفتر جداول البيانات الذي تم إجراء الحسابات عليه لإنتاج النتائج المقدمة، وليس القيم الرقمية نفسها! إذا لم يتم استيفاء هذا الشرط، فإن برنامج التحقق يعطي رسالة "خطأ في تقديم المعلومات".

2. الرسوم البيانية المصممة بشكل صحيح لدرجة الحرارة مقابل الوقت، ومشتق درجة الحرارة مقابل الوقت مقابل درجة الحرارة، ومشتق درجة الحرارة مقابل الوقت مقابل الوقت على أوراق منفصلة من جداول البيانات مع جميع التوقيعات والملاحظات اللازمة.

3. تقديرات درجات الحرارة للتوقفات ومدتها.

4. استنتاجات حول العمل.

أسئلة التحكم

1. على ماذا تعتمد درجة الحرارة التي تبدأ عندها الكربونات بالتفكك في الهواء؟

2. لماذا تزداد مرونة تفكك الكربونيت مع زيادة درجة الحرارة؟

3. ما هو عدد درجات الحرية للنظام الذي تم فيه تحقيق التوازن بين المواد CaO، CO 2، CaCO 3؟

4. كيف ستتغير طبيعة المخطط الحراري إذا كون ناتج التفكك محاليل صلبة مع المادة الأصلية؟

5. ما نمط التفاعل غير المتجانس لتفكك الكربونات الذي يتوافق مع القسم المتساوي الحرارة في المخطط الحراري؟

6. كيف سيتغير مظهر المخطط الحراري أثناء تفكك الكربونات متعددة التشتت؟

7. ما الفرق بين المخططات الحرارية التي تم الحصول عليها عند ضغط إجمالي قدره 101.3 كيلو باسكال و 50 كيلو باسكال؟

2.5 دراسة الاعتماد على درجة حرارة لزوجة ذوبان الأكسيد (العمل رقم 17)

2.5.1 طبيعة المقاومة اللزجة لمصهورات الأكسيد

اللزوجة هي واحدة من أهم الخصائص الفيزيائية والكيميائية لصهر الخبث. وله تأثير كبير على حركة انتشار الأيونات، وبالتالي على حركية تفاعل المعدن مع الخبث، ومعدل عمليات نقل الحرارة والكتلة في الوحدات المعدنية. توفر دراسة اعتماد اللزوجة على درجة الحرارة معلومات غير مباشرة حول التحولات الهيكلية في ذوبان الأكسيد والتغيرات في معلمات الأنيونات المعقدة. يعتمد التركيب، وبالتالي قيمة اللزوجة، على الغرض من الخبث. على سبيل المثال، لتكثيف مراحل انتشار تفاعل الأكسدة والاختزال للمعادن والخبث (إزالة الكبريت، وإزالة الفسفور، وما إلى ذلك)، يتم اختيار تركيبة الخبث بحيث تكون لزوجته منخفضة. على العكس من ذلك، من أجل منع نقل الهيدروجين أو النيتروجين إلى الفولاذ من خلال الخبث من الطور الغازي، يتم إدخال الخبث ذو اللزوجة المتزايدة.

أحد الخصائص الكمية للزوجة يمكن أن يكون معامل اللزوجة الديناميكية (η)، والذي يعرف بأنه معامل التناسب في قانون نيوتن للاحتكاك الداخلي

أين F– قوة الاحتكاك الداخلي بين طبقتين متجاورتين من السائل درجة υ – سرعة التدرج، س– مساحة سطح التلامس بين الطبقات . وحدة اللزوجة الديناميكية في النظام الدولي للوحدات هي [η] = N s/m 2 = Pa s.

من المعروف أن تدفق السوائل عبارة عن سلسلة من قفزات الجسيمات إلى موضع مستقر مجاور. هذه العملية ذات طبيعة تنشيطية. للقيام بالقفزات، يجب أن يتمتع الجسيم بإمدادات كافية من الطاقة مقارنة بقيمته المتوسطة. الطاقة الزائدة ضرورية لكسر الروابط الكيميائية للجسيم المتحرك وتشكيل فراغ (تجويف) في حجم الذوبان الذي يمر به. ومع زيادة درجة الحرارة، يزداد متوسط طاقة الجزيئات ويمكن لعدد أكبر منها أن يشارك في التدفق، مما يؤدي إلى انخفاض اللزوجة. ويزداد عدد هذه الجسيمات "النشيطة" مع ارتفاع درجة الحرارة وفقا لقانون التوزيع الأسي لبولتزمان. وبناء على ذلك، فإن اعتماد معامل اللزوجة على درجة الحرارة له شكل أسي

حيث η 0 هو المعامل الذي يعتمد قليلاً على درجة الحرارة، هη – طاقة التنشيط للتدفق اللزج. إنه يميز الحد الأدنى من احتياطي الطاقة الحركية لخلد من الجزيئات النشطة القادرة على المشاركة في التدفق.

هيكل ذوبان الأكسيد له تأثير كبير على معامل اللزوجة. على عكس حركة الأيونات تحت تأثير المجال الكهربائي، في التدفق اللزج، تتحرك جميع جزيئات السائل في اتجاه الحركة بالتتابع. المرحلة الأكثر تثبيطًا هي حركة الجزيئات الكبيرة، والتي تقدم أكبر مساهمة في قيمة η. ونتيجة لذلك، فإن طاقة التنشيط للتدفق اللزج أكبر من طاقة التوصيل الكهربائي ( ه η > ه).

في الخبث الحمضي الذي يحتوي على أكاسيد Si، P، B، هناك تركيز عال من الأنيونات المعقدة الكبيرة في شكل سلاسل، حلقات، رباعي الأسطح وغيرها من الهياكل المكانية (على سبيل المثال،

وما إلى ذلك وهلم جرا.). وجود جزيئات كبيرة يزيد من لزوجة الذوبان، لأن تتطلب حركتهم طاقة أكبر مقارنة بالحركات الصغيرة.

تؤدي إضافة الأكاسيد الأساسية (CaO، MgO، MnO) إلى زيادة تركيز الكاتيونات البسيطة (Ca 2+، Mg 2+، Mn 2+) في المصهور. تساهم أنيونات O2– المدخلة في إزالة بلمرة المصهور، أي. تحلل الأنيونات المعقدة، على سبيل المثال،

ونتيجة لذلك، تنخفض لزوجة الخبث.

اعتمادا على درجة الحرارة والتركيب، يمكن أن تختلف لزوجة الخبث المعدني ضمن نطاق واسع إلى حد ما (0.01 - 1 باسكال). هذه القيم أعلى بكثير من لزوجة المعادن السائلة، ويرجع ذلك إلى وجود وحدات تدفق كبيرة نسبيًا في الخبث.

انخفاض الاعتماد الأسي لـ η على ت(17.2) يصف جيدًا البيانات التجريبية للخبث الأساسي الذي يحتوي على أقل من 35 مول. % شاى 2. في مثل هذه الذوبان، تكون طاقة التنشيط للتدفق اللزج هη ثابت وله قيمة صغيرة (45 - 80 كيلو جول / مول). مع انخفاض درجة الحرارة، تتغير η قليلاً، وفقط عند التصلب تبدأ في الزيادة بشكل مكثف.

في الخبث الحمضي الذي يحتوي على نسبة عالية من المكونات المعقدة، يمكن أن تنخفض طاقة التنشيط مع زيادة درجة الحرارة: ه η = ه 0 / توالذي يحدث بسبب تفكك الأنيونات المعقدة عند التسخين. البيانات التجريبية في هذه الحالة خطية في الإحداثيات " lnη – 1/ ت 2".

2.5.2 وصف التثبيت وإجراءات قياس اللزوجة

لقياس معامل اللزوجة، يتم استخدام مقياس اللزوجة التناوب في العمل (الشكل 5). تصميم ومبدأ تشغيل هذا الجهاز على النحو التالي. يتم وضع سائل الاختبار (2) في بوتقة أسطوانية (1)، حيث يتم غمر المغزل (4) المعلق على خيط مرن (5). أثناء التجربة، ينتقل عزم الدوران من المحرك الكهربائي (9) إلى القرص (7)، ومنه عبر الخيط إلى المغزل.

يتم الحكم على لزوجة ذوبان الأكسيد من خلال زاوية تطور الخيط، والتي يتم تحديدها على مقياس (8). عندما يدور المغزل، تخلق المقاومة اللزجة للسائل عزم دوران فرملة يلف الخيط حتى تصبح لحظة التشوه المرن للخيط مساوية لعزم قوى المقاومة اللزجة. في هذه الحالة، ستكون سرعات دوران القرص والمغزل هي نفسها. وبالتوافق مع هذه الحالة، يمكن قياس زاوية تطور الخيط (∆φ) من خلال مقارنة موضع السهم (10) بالنسبة للمقياس: الأولي - قبل تشغيل المحرك الكهربائي والثابت - بعد التشغيل. من الواضح أنه كلما زادت لزوجة السائل η، زادت زاوية الالتواء للخيط ∆φ. إذا كانت تشوهات السلسلة لا تتجاوز الحد (المتوافق مع صحة قانون هوك)، فإن القيمة ∆φ تتناسب مع η ويمكن كتابتها:

معامل المعادلة كويسمى ثابت مقياس اللزوجة، ويعتمد على أبعاد البوتقة والمغزل، وكذلك على الخصائص المرنة للخيط. ومع انخفاض قطر الخيط، تزداد حساسية مقياس اللزوجة.

الشكل 5 - مخطط التثبيت لقياس اللزوجة:

1 - البوتقة، 2 - الذوبان قيد الدراسة، 3 - رأس المغزل،

4 - المغزل، 5 - السلسلة، 6 - الجزء العلوي من التثبيت، 7 - القرص،

8 - ميزان، 9 - محرك كهربائي، 10 - سهم، 11 - فرن، 12 - محول،

13 – جهاز التحكم بدرجة الحرارة 14 – المزدوج الحراري .

لتحديد ثابت مقياس اللزوجة كيتم وضع سائل ذو لزوجة معروفة في البوتقة - محلول الصنوبري في زيت المحولات. في هذه الحالة، يتم تحديد ∆φ0 في تجربة عند درجة حرارة الغرفة. بعد ذلك، معرفة اللزوجة (η0) للسائل المرجعي عند درجة حرارة معينة، قم بالحساب كوفقا للصيغة:

وجدت قيمة كيستخدم لحساب معامل اللزوجة لذوبان الأكسيد.

2.5.3 إجراءات العمل

للتعرف على خصائص اللزوجة للخبث المعدني، يتم في هذا العمل المختبري دراسة ذوبان Na 2 O · 2B 2 O 3. يتم إجراء القياسات في نطاق درجة الحرارة 850-750 درجة مئوية. بعد الوصول إلى درجة الحرارة الأولية (850 درجة مئوية)، يتم ضبط إبرة مقياس اللزوجة على الصفر. ثم قم بتشغيل المحرك الكهربائي وثبت زاوية تطور السلسلة الثابتة ∆φ t . بدون إيقاف تشغيل مقياس اللزوجة، كرر قياس ∆φ t عند درجات حرارة أخرى. توقفت التجربة عندما بدأت زاوية التواء الخيط تتجاوز 720 درجة.

2.5.4 معالجة وعرض نتائج القياس

بناءً على نتائج القياس، املأ الجدول التالي.

الجدول 1. الاعتماد على درجة حرارة اللزوجة

في الجدول، يتم ملء العمودين الأولين بناءً على نتائج التسجيل اليدوي لقراءات درجة الحرارة على شاشة المراقبة وزاوية تطور الخيط على مقياس اللزوجة. يتم حساب الأعمدة المتبقية.

للتحقق من جدوى القانون الأسي للتغير في معامل اللزوجة مع درجة الحرارة (17.2)، قم بإنشاء رسم بياني بالإحداثيات “Ln(η) – 10 3 / ت" تم العثور على طاقة التنشيط باستخدام الدالة LINEST() (OpenOffice.Calc) أو LINEST() (MicrosoftOffice.Exel)، وتطبيقها على العمودين الخامس والسادس من الجدول.

تقارن الاستنتاجات البيانات التي تم الحصول عليها η و E η مع تلك المعروفة للخبث المعدني، وتناقش طبيعة اعتماد اللزوجة على درجة الحرارة، وارتباطها بالتغيرات الهيكلية في الذوبان.

إجراءات معالجة النتائج

1. قم بأخذ القياسات على خلية المعايرة وحساب ثابت التثبيت

2. أدخل نتائج التسجيل اليدوي للمعلومات في ملف جدول بيانات.

3. حساب قيم اللزوجة.

4. ارسم رسمًا بيانيًا للزوجة مقابل درجة الحرارة على ورقة منفصلة.

5. احسب لوغاريتم اللزوجة ودرجة الحرارة المطلقة المتبادلة لمجموعة نتائج القياس بأكملها.

6. أوجد المعاملات باستخدام طريقة المربعات الصغرى ب 0 , ب 1 من المعادلة تقريب اعتماد لوغاريتم اللزوجة على درجة الحرارة العكسية، وحساب طاقة التنشيط.

7. على ورقة منفصلة، ارسم اعتماد لوغاريتم اللزوجة على درجة الحرارة العكسية وأعطي اعتماداً تقريبيًا نتائج الإختبار:

1. في كتاب جدول البيانات المقدم للمراجعة، يجب أن تحتوي الصفحة الأولى بعنوان "النتائج" على المعلومات التالية:

أ. في الخلية "A1" - درجة الحرارة الأولية، في الخلية "B1" - وحدات القياس؛

ب. في الخلية "A2" - درجة الحرارة النهائية، في الخلية "B2" - وحدات القياس؛

ج. في الخلية "A3" - طاقة التنشيط للتدفق اللزج عند درجات حرارة منخفضة، في الخلية "B3" - وحدات القياس؛

د. في الخلية "A4" - العامل الأسي المسبق في صيغة اعتماد التوصيل الكهربائي على درجة الحرارة عند درجات حرارة منخفضة، في الخلية "B4" - وحدات القياس؛

ه. في الخلية "A5" - طاقة التنشيط للتدفق اللزج عند درجات حرارة عالية، في الخلية "B5" - وحدات القياس؛

F. في الخلية "A6" - العامل الأسي المسبق في صيغة الاعتماد على درجة حرارة التوصيل الكهربائي عند درجات حرارة عالية، في الخلية "B6" - وحدات القياس؛

ز. بدءًا من الخلية "A7"، يجب صياغة الاستنتاجات المتعلقة بالعمل بشكل واضح.

يجب أن تحتوي الخلايا A1-A6 على إشارات إلى الخلايا الموجودة في أوراق أخرى من دفتر جداول البيانات التي تم إجراء العمليات الحسابية عليها للحصول على النتيجة المقدمة، وليس القيم الرقمية نفسها! إذا لم يتم استيفاء هذا الشرط، فإن برنامج التحقق يعطي رسالة "خطأ في تقديم المعلومات".

2. الرسوم البيانية المصممة بشكل صحيح لاعتماد اللزوجة على درجة الحرارة ولوغاريتم اللزوجة على درجة الحرارة العكسية، التي تم الحصول عليها من البيانات التجريبية (النقاط) وتقريبها بواسطة كثير الحدود (خط)، على أوراق منفصلة من جداول البيانات مع جميع التوقيعات والرموز اللازمة . أسئلة التحكم

1. في أي شكل تكون مكونات ذوبان الأكسيد المكون من CaO، Na 2 O، SiO 2، B 2 O 3، Al 2 O 3؟

2. ما يسمى معامل اللزوجة؟

3. كيف سيتغير اعتماد درجة حرارة لزوجة الخبث عند إضافة الأكاسيد الأساسية إليه؟

4. في أي وحدات يتم قياس اللزوجة؟

5. كيف يتم تحديد ثابت مقياس اللزوجة؟

6. ما الذي يحدد طاقة التنشيط للتدفق اللزج؟

7. ما سبب انخفاض اللزوجة مع زيادة درجة الحرارة؟

8. كيف يتم حساب طاقة التنشيط للتدفق اللزج؟

2.6 اختزال المنغنيز من ذوبان الأكسيد إلى الفولاذ

(العمل رقم 18)

2.6.1 المبادئ العامة للتفاعل الكهروكيميائي بين المعدن والخبث

تعتبر عمليات تفاعل المعدن السائل مع الخبث المنصهر ذات أهمية فنية كبيرة وتحدث في العديد من الوحدات المعدنية. يتم تحديد إنتاجية هذه الوحدات، وكذلك جودة المعدن النهائي، إلى حد كبير من خلال سرعة واكتمال انتقال بعض العناصر عبر حدود الطور.

إن الحدوث المتزامن لعدد كبير من العمليات الفيزيائية والكيميائية في مراحل مختلفة، وارتفاع درجات الحرارة، ووجود التدفقات الهيدروديناميكية والحرارية يجعل من الصعب إجراء دراسة تجريبية لعمليات تفاعل المراحل في الظروف الصناعية والمخبرية. تتم دراسة مثل هذه الأنظمة المعقدة باستخدام نماذج تعكس الجوانب الفردية ولكن الأكثر أهمية للكائن قيد النظر. في هذا العمل، يسمح لنا النموذج الرياضي للعمليات التي تحدث في الواجهة المعدنية والخبث بتحليل التغير في التركيزات الحجمية للمكونات ومعدل انتقالها عبر الواجهة اعتمادًا على الوقت.

يحدث اختزال المنغنيز من ذوبان الأكسيد عن طريق تفاعل نصف كهروكيميائي:

(من 2+) + 2ه =

يجب أن تكون العمليات المصاحبة عمليات الأكسدة. من الواضح أن هذه قد تكون عملية أكسدة الحديد

= (Fe2+) + 2e

أو الشوائب في تركيبة الصلب، على سبيل المثال، السيليكون. نظرًا لعدم إمكانية وجود أيون سيليكون رباعي الشحنة في الخبث، فإن هذه العملية تكون مصحوبة بتكوين رباعي وجوه السيليكون والأكسجين وفقًا لنصف التفاعل الكهروكيميائي:

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

من المستحيل حدوث واحد فقط من التفاعلات النصفية للقطب الكهربائي بشكل مستقل، وذلك لأن مما يؤدي إلى تراكم الشحنات في الطبقة الكهربائية المزدوجة عند حدود الطور مما يمنع انتقال المادة.

وتتميز حالة التوازن لكل منهما بقدرة قطب التوازن ()

أين الجهد القياسي، هو نشاط الأشكال المؤكسدة والمخفضة للمادة، ض- عدد الإلكترونات المشاركة في عملية القطب، ر- ثابت الغاز العالمي، F- ثابت فاراداي، ت- درجة حرارة.

يتم تحقيق اختزال المنغنيز من الخبث إلى معدن نتيجة للحدث المشترك لاثنين على الأقل من تفاعلات نصف القطب. يتم ضبط سرعاتها بحيث لا يكون هناك تراكم للشحنات على الواجهة. في هذه الحالة، تأخذ إمكانات المعدن قيمة ثابتة، حيث تكون معدلات توليد واستيعاب الإلكترونات هي نفسها. الفرق بين الفعلي، أي. الإمكانات الثابتة وقيمة توازنها تسمى الاستقطاب (الجهد الزائد) للقطب. يميز الاستقطاب درجة إزالة النظام من التوازن ويحدد معدل انتقال المكونات عبر حدود الطور وفقًا لقوانين الحركية الكهروكيميائية.

من وجهة نظر الديناميكا الحرارية الكلاسيكية، تحدث العمليات في النظام في اتجاه أو آخر في استخلاص المنغنيز من الخبث بواسطة السيليكون المذاب في الحديد:

2(MnO) + = 2 + (SiO2) H = -590 كيلوجول/مول

والمذيب نفسه (أكسدة المنغنيز بأكسيد الحديد الموجود في الخبث

(MnO) + = + (FeO) =. ح = 128 كيلوجول/مول

من وجهة نظر الحركية الشكلية، فإن معدل التفاعل الأول، الذي يتحدد، على سبيل المثال، بالتغير في محتوى السيليكون في المعدن بعيدا عن التوازن في النظام الحركي، يجب أن يعتمد على حاصل ضرب تراكيز أكسيد المنغنيز في المعدن. الخبث والسيليكون في المعدن إلى حد ما. في وضع الانتشار، يجب أن يعتمد معدل التفاعل خطيًا على تركيز المكون الذي يتم إعاقة انتشاره. ويمكن تقديم أسباب مماثلة لرد الفعل الثاني.

ثابت توازن التفاعل معبرا عنه بدلالة النشاط

هي دالة لدرجة الحرارة فقط.

نسبة تركيزات التوازن من المنغنيز في الخبث والمعادن

يسمى معامل توزيع المنغنيز، والذي، في المقابل، يعتمد على تكوين المراحل ويعمل كخاصية كمية لتوزيع هذا العنصر بين الخبث والمعدن.

2.6.2 نموذج العملية

يأخذ نموذج المحاكاة في الاعتبار ثلاثة تفاعلات نصف قطبية يمكن أن تحدث بين ذوبان الأكسيد CaO – MnO – FeO – SiO 2 – Al 2 O 3 والحديد السائل المحتوي على Mn و Si كشوائب. وقد تم افتراض حول طريقة انتشار حدوثها. يؤخذ في الاعتبار تثبيط انتشار جزيئات الحديد 2+ في الخبث، والسيليكون في المعدن، والمنغنيز في كلا المرحلتين. النظام العام للمعادلات التي تصف النموذج له الشكل

أين υ ј - معدل نصف تفاعل القطب، η ي- الاستقطاب، اي جاي- كثافة تيار الانتشار المحدد، دي جي- معامل الانتشار، β - ثابت الحمل الحراري، سي جيه- تركيز.

يتيح لك برنامج نموذج المحاكاة حل نظام المعادلات (18.4) – (18.8)، مما يجعل من الممكن تحديد كيفية تغير تركيز حجم المكونات ومعدلات انتقالها بمرور الوقت أثناء تفاعل المعدن مع الخبث. يتم عرض نتائج الحساب. تتضمن المعلومات الواردة من شاشة المراقبة تمثيلاً رسوميًا للتغيرات في تركيزات المكونات الرئيسية وقيمها الحالية بالإضافة إلى قيم درجة الحرارة وثوابت الحمل الحراري (الشكل 8).

يظهر الشكل 7 الرسم التخطيطي لبرنامج نموذج محاكاة تفاعل المعدن والخبث. يعمل البرنامج في دورة لا تتوقف إلا بعد انقضاء وقت المحاكاة المحدد (حوالي 10 دقائق).

الشكل 7 - رسم تخطيطي لبرنامج نموذج المحاكاة

2.6.3 إجراءات العمل

تظهر الصورة التي تم إنشاؤها بواسطة برنامج المحاكاة في الشكل 8 (اللوحة اليمنى). في الجزء العلوي من اللوحة يتم تحديد القيم العددية للكميات المقاسة، ويعرض الرسم البياني جميع القيم التي تم الحصول عليها أثناء محاكاة العملية. في تسميات مكونات ذوبان المعدن والخبث، يتم استخدام رموز إضافية مقبولة في الأدبيات المتعلقة بالمواضيع المعدنية. تشير الأقواس المربعة إلى أن المكون ينتمي إلى ذوبان المعدن، وتشير الأقواس المستديرة إلى أن المكون ينتمي إلى ذوبان الخبث. تُستخدم المضاعفات في تسميات المكونات لأغراض التخطيط فقط ولا ينبغي أخذها في الاعتبار عند تفسير القيم. أثناء تشغيل النموذج، في أي لحظة يتم عرض قيمة إحدى الكميات المقاسة فقط. وبعد 6 ثواني تختفي وتظهر القيمة التالية. خلال هذه الفترة الزمنية، يجب أن يكون لديك وقت لكتابة القيمة التالية. لتوفير الوقت، يوصى بعدم كتابة أرقام ثابتة، على سبيل المثال، الوحدة الرائدة في قيمة درجة الحرارة.

الشكل. 8. صورة شاشة المراقبة عند تنفيذ العمل رقم 18 في مراحل مختلفة من العمليات.

بعد أربع إلى خمس دقائق من بدء التثبيت، أضف أكسيد المنغنيز المسخن مسبقًا إلى الخبث، ويتم ذلك عن طريق الضغط في نفس الوقت على مفتاح Alt ومفتاح الرقم الموجود على لوحة المفاتيح الرئيسية مع رقم التثبيت الخاص بك. ترتيب معالجة النتائج:

1. أدخل نتائج التسجيل اليدوي للمعلومات في ملف جدول بيانات.

2. حساب معدلات عمليات انتقال العناصر عبر الحد البيني ولوغاريتمات هذه القيم قبل وبعد إضافة أكسيد المنغنيز إلى الخبث ذي الكتلة المعدنية المنصهرة 1400 كجم.

3. أنشئ رسومًا بيانية على صفائح منفصلة لدرجة الحرارة مقابل الزمن، ومعدل انتقال المنغنيز مقابل الزمن، ولوغاريتم معدل انتقال السيليكون مقابل لوغاريتم تركيز السيليكون في المعدن.

4. باستخدام طريقة المربعات الصغرى، قم بتقدير الخصائص الحركية لعملية تحول السيليكون.

نتائج الإختبار:

1. الرسوم البيانية المنسقة بشكل صحيح والمدرجة في القسم السابق، على ورقة منفصلة من جداول البيانات مع جميع التوقيعات والملاحظات اللازمة.

2. قيم ترتيب تفاعل أكسدة السيليكون قبل وبعد إدخال أكسيد المنغنيز مما يدل على الأخطاء.

3. استنتاجات حول العمل.

أسئلة التحكم

1. لماذا هناك حاجة لنمذجة عمليات إنتاج الصلب؟

2. ما هي طبيعة تفاعل المعدن مع الخبث وكيف يتجلى ذلك؟

3. ما هي الإمكانات التي تسمى ثابتة؟

4. ما الإمكانات التي تسمى بالتوازن؟

5. ما هو استقطاب القطب (الجهد الزائد)؟

6. ما هو معامل توزيع المنغنيز بين المعدن والخبث؟

7. على ماذا يعتمد ثابت توزيع المنغنيز بين المعدن والخبث؟

8. ما هي العوامل التي تؤثر على معدل انتقال المنغنيز من المعدن إلى الخبث في وضع الانتشار؟

فهرس

1. لينشيفسكي، بي.في. تقنية التجربة المعدنية [نص] / ب.ف. لينشيفسكي. – م: علم المعادن، 1992. – 240 ص.

2. أرسينتييف، ص. الطرق الفيزيائية والكيميائية لدراسة العمليات المعدنية [النص]: كتاب مدرسي للجامعات / P.P. أرسينتييف ، ف. ياكوفليف، م.ج. كراشينينيكوف، L.A. برونين وآخرون - م: علم المعادن، 1988. - 511 ص.

3. بوبيل، إس.آي. تفاعل المعدن المنصهر مع الغاز والخبث [النص]: كتاب مدرسي / S.I. بوبيل، يو.بي. نيكيتين، L.A. بارمين وآخرون - سفيردلوفسك: أد. UPI سميت باسم سم. كيروفا، 1975، – 184 ص.

4. بوبيل، إس.آي. نظرية العمليات المعدنية [النص]: كتاب مدرسي / S.I. بوبيل، أ. سوتنيكوف، ف.ن. بورونينكوف. – م: علم المعادن، 1986. – 463 ص.

5. ليبينسكيخ، ب.م. خواص نقل المعدن والخبث [النص]: الدليل / ب.م. ليبينسكيخ، أ.أ. بيلوسوف / تحت. إد. فاتولينا ن. – م: علم المعادن، 1995. – 649 ص.

6. بيلاي، ج.ي. تنظيم تجربة معدنية [نص]: كتاب مدرسي / ج. بيلاي، ف.ف. ديمبوفسكي، أو.ف. سوتسينكو. – م: الكيمياء، 1982. – 228 ص.

7. بانفيلوف، أ.م. حساب الخواص الديناميكية الحرارية عند درجات الحرارة المرتفعة [مورد إلكتروني]: دليل تعليمي ومنهجي لطلاب كليات الهندسة المعدنية والفيزيائية بجميع أشكال التعليم / أ.م. بانفيلوف، ن.س. سيمينوفا – إيكاترينبرج: USTU-UPI، 2009. – 33 ص.

8. بانفيلوف، أ.م. الحسابات الديناميكية الحرارية في جداول بيانات Excel [مورد إلكتروني]: إرشادات لطلاب كليات المعادن والفيزياء التقنية لجميع أشكال التعليم / A.M. Panfilov, N.S. سيمينوفا - ايكاترينبرج: USTUUPI، 2009. - 31 ص.

9. كتاب مرجعي مختصر للكميات الفيزيائية والكيميائية / جراب. إد. أ.أ. رافديل وأ.م. بونوماريفا. ل: الكيمياء، 1983. – 232 ص.

وزارة التعليم والعلوم في جمهورية كازاخستان RSE "جامعة ولاية كاراجاندا الصناعية" قسم "علم المعادن والمواد" برنامج امتحان القبول لدرجة الماجستير في التخصص 6M070900 - "المعادن" تيميرتاو، 2013 1 أساسيات نظرية المعادن العمليات الإيكولوجية. تقسيم المعادن إلى حديدية وغير حديدية. القوانين الأساسية للتوازن الفيزيائي والكيميائي المستخدمة في إنتاج المعادن والسبائك. الخصائص المحسوبة للتوازن. 2. المواد الخام لإنتاج المعادن وتحضيرها. خام. الخصائص العامة للخامات. الوقود لإنتاج المعادن الصلبة والسائلة والغازية.تحضير الخامات للصهر. الرسوم البيانية التخطيطية لإثراء وسحق وتكتل الخامات. العمليات التي تحدث أثناء تكتل الخامات. المكونات الرئيسية للشحنات 3. إنتاج الحديد. رسم تخطيطي عام لعملية الإنتاج. ملف تعريف الفرن العالي. العناصر الأساسية والغرض منها. التدفقات ووقود الفرن العالي. تخفيض أكاسيد الحديد وتحلل مركبات الكربون. الحد من السيليكون والمنغنيز. العمليات في صياغة الفرن العالي. تشكيل الخبث وخصائصه الفيزيائية. إزالة الكبريت. المؤشرات الفنية والاقتصادية. 4. إنتاج الصلب. تصنيف الفولاذ. طرق الحصول على. شحن المواد اللازمة لصناعة الصلب. المجموعة المعدنية وغير المعدنية. الديناميكا الحرارية وحركية عمليات صناعة الصلب. الخبث الصلب. مصادر تعليمهم. الخصائص الفيزيائية والكيميائية. التفاعلات الأساسية لعمليات صناعة الصلب. سلوك السيليكون والمنغنيز والكبريت والفوسفور. الغازات والشوائب غير المعدنية في الفولاذ. طرق الإزالة. إزالة الأكسدة من سبائك الصلب. طرق إزالة الأكسدة. 5. إنتاج الصلب في المحولات. 2 المبادئ العامة وأنواع عمليات المحول. رسم تخطيطي لعملية LD. عناصر التصميم الأساسية. المبادئ العامة للصهر باستخدام عملية LD. عملية تيب. 6. العمليات السفلية. مخطط تشغيل فرن الموقد المفتوح. العناصر الأساسية للفرن. أصناف من هذه العملية. الطبيعة التأكسدية للمرحلة الغازية. وقود. فترات الذوبان. أكسدة الشوائب. تقدم الصهر خلال عمليات خام الخردة والخردة الرئيسية. العلاقة بين العمل الحراري للفرن ومعدل أكسدة الكربون. أصناف من عملية الموقد المفتوح. تكثيف الصهر بالأكسجين. أفران حمام مزدوجة. جودة الصلب والمؤشرات الفنية والاقتصادية للعملية. 7. صهر الفولاذ في الأفران الكهربائية. العناصر الهيكلية من اللوح. رسم بياني كهربائي. أقطاب كهربائية. الخصائص التكنولوجية لصهر الفولاذ في القوات المسلحة المصرية الرئيسية. فترات الذوبان. مجموعة متنوعة من تكنولوجيا الصهر في الأفران الثقيلة. 8. صهر الفولاذ في أفران الصهر الكهربائية. صهر الفولاذ في أفران الحث. مزايا التكنولوجيا بالمقارنة مع اللوح. عمليات ESR، VDP. 9. إنتاج السبائك الحديدية. أساسيات تكنولوجيا الإنتاج لمجموعة صغيرة من السبائك الحديدية على أساس Ti، V. المؤشرات الفنية والاقتصادية للعمليات. 10. إنتاج المعادن غير الحديدية. معلومات عامة. طرق الإنتاج (الحرارية والمائية والكهرومغناطيسية). تعدين النحاس . مخطط طريقة المعالجة الحرارية لإنتاج النحاس. تحميص المركزات وصهر المادة اللامعة في الأفران العاكسة والكهربائية. تحويل خامات النحاس. تكرير النحاس . 3 11. تعدين الألومنيوم. تعدين الألومنيوم. المواد الخام وطرق إنتاج الألمنيوم. مخطط إنتاج الألمنيوم. إنتاج الألومينا. تكرير الألومنيوم. 12. إنتاج المعادن المقاومة للحرارة. إنتاج المعادن الحرارية. طرق الكلوريد لإنتاج المعادن أساسيات إنتاج التيتانيوم. مواد خام. تحضير رابع كلوريد التيتانيوم. طريقة اليوديد لإنتاج التيتانيوم إنتاج المعادن الحرارية. تكنولوجيا إنتاج التنغستن. إثراء خام . مخطط معالجة تركيز التنغستن. تحضير مسحوق التنغستن المعدني من WO3. 13. استلام الحديد خارج النطاق . الخصائص العامة لعمليات إنتاج الحديد غير المجالي. 14. عملية اختزال وصهر المناجم. إنتاج الحديد الإسفنجي في أفران العمود. 15.إنتاج الحديد الإسفنجي في معوجات التشغيل الدوري. مبدأ تشغيل الوحدة والمواد الخام والوقود المستخدم. مزايا وعيوب الطريقة. 16. إنتاج الحديد الإسفنجي في طبقة مميعة مبدأ تشغيل الوحدة والمواد الخام والوقود المستخدم. مزايا وعيوب الطريقة. 17. إنتاج الحديد الإسفنجي في الفرن الدوار مبدأ تشغيل الوحدة والمواد الخام والوقود المستخدم. مزايا وعيوب الطريقة. 4 18. إنتاج الحديد الإسفنجي في الأفران المستمرة مبدأ تشغيل الوحدة والمواد الخام والوقود المستخدم. مزايا وعيوب الطريقة. 19. تعدين المساحيق تصنيف منتجات تعدين المساحيق والمفاهيم الأساسية. 20. خواص المساحيق المعدنية. الخصائص التكنولوجية والكيميائية والفيزيائية. 21. تحضير المساحيق. طرق المعالجة الميكانيكية والأساليب الفيزيائية والكيميائية. 22. تحضير المواد المسحوقة للقولبة. التصنيف والمتوسطات والخلط والمعدات اللازمة للقيام بهذه العمليات. 23. المفاهيم العامة والأسس النظرية لعملية القولبة. التشوهات البلاستيكية والضغطات حسب خصائص المواد المسحوقة. جرعة المكونات والخلط. المعدات المستخدمة في صب . 24. العيوب أثناء الضغط والعوامل المساهمة في حدوثه. أسباب العيوب وطرق التخلص منها. 25. لف المساحيق. طريقة تستخدم للحصول على منتجات معينة. 5 الأدب الموصى به الأدب الأساسي: 1. Voskoboynikov V.G.، Kudrin V.A.، Yakushev A.m. علم المعادن العام . – م.: المحكمة الجنائية الدولية “Akademkniga”. 2002. – 786 ص. 2. أرسينتييف إم.بي.، ياكوفليف في.في.، كراشينينيكوف إم.جي. وغيرها علم المعادن العام . – م : المعادن . 1986.-360 ص. 3. يافويسكي في. آي.، كرياكوفسكي يو. في.، غريغورييف في. بي. وغيرها . م. "علم المعادن"، 1983، 583 ص. من الوهم. 4. Bigeev A.M.، Bigeev V.A.، تعدين الصلب. ماجنيتوجورسك، MSTU، 2000 – 542 ص. 5. كودرين ف.أ. نظرية وتكنولوجيا إنتاج الصلب. - م: مير. 2003 – 528 ص. 6. بورناتسكي آي.آي.، ميكنيفيتش في.إف.، يارجين إس.إيه. إنتاج الصلب. م: علم المعادن 1991. - 400 ثانية. 7. سوكولوف ج.أ. إنتاج الصلب. م.، "علم المعادن"، 1982، 496 ص. من الوهم. 8. شيشكين يو.آي.، التاجر أ.ك.، غريغوروفا أو.أ. نظرية وتكنولوجيا عمليات المحول. ألماتي. جيليم. 2006. – 192 ص. 9. بورناتسكي آي. ميخنيفيتش ف.ف.، يارجين إس.إيه. إنتاج الصلب. م.، "علم المعادن"، 1991، 400 ص. 10. شيشكين يو.آي.، لوكين جي.بي. الحسابات المعدنية، ألماتي RIK.، 2002. – 115 ص. 11. ريس م.أ. إنتاج السبائك الحديدية.-M: المعادن. 1985-344 ص. 12. بوبيل إس آي، سوتنيكوف إيه آي، بورونينكوف ف.ن. نظرية العمليات المعدنية.-م: علم المعادن، 1986.-464ص. 13. أجينكوف في جي، ميخين يا.يا. الحسابات المعدنية. م: علم المعادن 1962، -208 ص. 14. إدنيرال إف.بي.، فيليبوف أ.ف. حسابات المعادن الكهربائية من الصلب والسبائك الحديدية. -م.: ميتالورجيسدات، 1978.-230 ص. 6 15. كراماروف أ.د.، سوكولوف أ.ن. علم المعادن الكهربائية من الصلب والسبائك الحديدية. -م: علم المعادن، 1976.-375 ص. 16. التاجر أ.ك.، شيشكين يو.آي. أرتيكباييف أو. النظرية والتكنولوجيا والمعدات لمعالجة المعادن خارج الفرن - ألماتي.: Gylym، 2004.-273p. 17. سيفريوكوف إن.إن.، كوزمين بي.إيه.، تشيليشيف إي.في. علم المعادن العام م: علم المعادن، 1976.-568 ص. 18. علم المعادن العام (تعدين المعادن الحديدية وغير الحديدية). حرره E. V. Chelishchev. - م: علم المعادن، 1971.-480 ص. 19. كنيازيف ف. تعدين الحديد الخالي من فحم الكوك. م: علم المعادن، 1972 20. تلوجابولوف إس إم. الأسس النظرية لإنتاج المعادن والسبائك والمواد المتقدمة. ألماتي: منشورات RIK حول الأدبيات التربوية والمنهجية، 2001، 332 ص 21. Kiparisov S.S., Libenson G. مسحوق المعادن. كتاب مدرسي. م. "علم المعادن"، 1997. الأدبيات الإضافية 1. إشموخاميدوف ن.ك. تعدين الحديد في كازاخستان. ألماتي: مركز البحث العلمي. "جيليم"، 2002.-50 ص. 2. علم المعادن الكهربائي للصلب والسبائك الحديدية. حرره دوفولوتسكي د.يا. م.: علم المعادن، 1984.-438 ص. 3. جاسيك إم. آي.، لياكيشيف إن.بي. إملين بي. نظرية وتكنولوجيا إنتاج السبائك الحديدية. -م: علم المعادن، 1988.-784 ص. 4. شيشكين يو.آي.، بولشيكوف جي.في.، بوغومياكوف في.آي. كفاءة استخدام الجير في إعادة توزيع الحديد الزهر الفوسفوري في المحولات الثقيلة. - كاراجاندا: اتحاد الجمعيات العلمية والهندسية في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية، 1991. -43 ص. 5. يافويسكي في.آي.، ليفين إس.إل.، بابتيستمانسكي في.آي. وغيرها تعدين الصلب م: تعدين 1973.-816 ص. من الوهم. 6. Medzhibozhsky M.Ya. أساسيات الديناميكا الحرارية وحركية عمليات صناعة الصلب. كييف، "مدرسة فيشا"، 1979، ص 276. من الوهم. 7 7. لينشيفسكي بي في، سوبوليفسكي أل، كالمينيف أ.أ. تعدين المعادن الحديدية. – م: علم المعادن، 1986. – 360 ص. 8. بونوماريفا ك.س. مجموعة من المشاكل في الكيمياء الفيزيائية - م: ميتالورجيزدات، 1962.-232ص. 9. أرسينتييف إم.بي.، ياكوفليف في.في.، كراشينينيكوف إم.جي. وغيرها علم المعادن العام . – م: المعادن. 1986.-360 ص. 10. تلوجابولوف إس إم. نظرية وتكنولوجيا تخفيض الطور الصلب للحديد بالكربون. ألماتي: جيليم، 1992. 311 ص. 11. Kiparisov S.S.، Libenson G. مسحوق المعادن. كتاب مدرسي. م. "علم المعادن"، 1972، 528 ص. 8

تعدين المعادن الحديدية

يمكنك تحميل الكتاب بصيغة djvu في نهاية الوصف.

القسم الاول. تعدين الحديد الزهر

الفصل الأول. المواد الخام لصهر الأفران العالية

§1. متطلبات المواد تهمة
§ 2. خامات الحديد
§ 3. خامات المنغنيز
§ 4. التدفقات
§ 5. نفايات الإنتاج
§ 6. وقود الفرن العالي

الباب الثاني. تحضير خامات الحديد

§1. سحق وطحن خام
§ 2. فرز الخام
§ 3. إثراء الخام
§ 4. تكتل خامات الحديد ومركزاتها
§ 5. إنتاج الكريات

الفصل الثالث. تصميم فرن الانفجار

§ 1. منجم وموقد الفرن العالي
§ 2. الجهاز العلوي
§ 3. تغذية الشحنة في الفرن العالي
§ 4. أتمتة الفرن العالي
§ 5. صب الحديد الزهر والخبث
§ 6. آلات التعبئة
§ 7. إمداد الفرن بالهواء الساخن وتسخينه
§ 8. تنقية غاز الفرن العالي

الفصل الرابع. عملية المجال

§ 1. حركة المواد في الفرن العالي
§ 2. تسخين الشحنة
§ 3. إزالة الرطوبة والمواد المتطايرة
§ 4. تحلل مركبات ثاني أكسيد الكربون
§ 5. تخفيض أكاسيد الحديد
§ 6. اختزال السيليكون وصهر حديد السيليكون
§ 7. اختزال المنغنيز وصهر حديد الزهر المنغنيز
§ 8. تشكيل الحديد الزهر والخبث في الفرن العالي
§ 9. سلوك الفسفور
§ 10. سلوك الكبريت
§ 11. عمليات احتراق الوقود في موقد الفرن العالي
§ 12. طرق تكثيف عملية الفرن العالي
§ 13. منتجات الأفران العالية
§ 14. المؤشرات الفنية والاقتصادية لعملية الفرن العالي

الفصل الخامس. الإنتاج المباشر للحديد

§ 1. الاختزال بالغاز في طبقة سميكة
§ 2. الاختزال بالكربون الصلب

القسم الثاني. تعدين الصلب

§1. تصنيف الصلب

الفصل السادس. الأساسيات الفيزيائية والكيميائية لإنتاج الصلب

§ 1. معلومات عامة عن الكيمياء الفيزيائية المستخدمة في دراسة تعدين الفولاذ
§ 2. الخبث الناتج عن عمليات صناعة الصلب
§ 3. التفاعلات الأساسية لعمليات صناعة الصلب

الفصل السابع. إنتاج الصلب في المحولات

§ 1. وصف موجز لإنتاج الصلب بيسيمر وتوماس
§ 2. جوهر عملية تحويل الأكسجين
§ 3. عملية تحويل الأكسجين مع النفخ العلوي
§ 4. عملية تحويل الأكسجين مع نفخ الحليب
§ 5. عملية التحويل مع النفخ المشترك
§ 6. معالجة محولات الحديد الزهر عالي الفوسفور
§ 7. تنقية الغازات المحولة للأكسجين
§ 8. التحكم في الذوبان وأتمتة العمليات
§ 9. جودة الفولاذ والمؤشرات الفنية والاقتصادية لعملية تحويل الأكسجين
§ 10. إنشاء محلات محولات الأوكسجين

قد تكون أيضا مهتما ب:

الفصل الثامن. إنتاج الصلب في أفران الموقد المفتوح

§ 1. تاريخ تطور عملية الموقد المفتوح
§ 2. جوهر عملية الموقد المفتوح
§ 3. بناء فرن مفتوح
§ 4. العمل الحراري ووقود فرن الموقد المفتوح
§ 5. أصناف من عملية الموقد المفتوح
§ 6. عملية الموقد المفتوح الرئيسية وأصنافها
§ 7. عملية الموقد المفتوح الحمضي
§ 8. المؤشرات الفنية والاقتصادية لعملية الموقد المفتوح
§ 9. أفران صهر الفولاذ ذات الحمام المزدوج

الفصل التاسع. إنتاج الصلب في الأفران الكهربائية

§ 1. بناء أفران القوس الكهربائي
§ 2. صهر الفولاذ في فرن القوس الكهربائي الرئيسي
§ 3. الصهر في فرن كهربائي حمضي
§ 4. أفران الحث والصهر فيها

الفصل العاشر. تطبيق الفراغ في إنتاج الفولاذ والسبائك

§ 1. صهر الفولاذ في أفران الفراغ
§ 2. معالجة الفولاذ السائل في الفراغ
§ 3. طرق خاصة لعلم المعادن الكهربائية

الفصل الحادي عشر. صب الصلب

§ 1. صب الفولاذ من الأعلى
§ 2. صب الفولاذ بالسيفون
§ 3. معدات صب الفولاذ
§ 4. تكنولوجيا الصب
§ 5. صب الفولاذ في UNRS
§ 6. مفهوم الفولاذ المغلي والهادئ وشبه الهادئ
§ 7. هيكل سبائك الصلب
§ 8. عدم التجانس الكيميائي وعيوب سبائك الصلب

الفصل الثاني عشر. إنتاج السبائك الحديدية

§1. تصميم أفران السبائك الحديدية
§2. تكنولوجيا إنتاج الفيروسيليكون
§3. إنتاج الكربون الحديد المنغنيز
§4. إنتاج الفيروكروم الكربوني
§5. الطريقة المعدنية الحرارية لإنتاج الحديد والتيتانيوم

القسم الثالث. تشكيل المعدن

الفصل الثالث عشر. تشوه البلاستيك ونظرية المتداول الأساسية

§1. القوى والتوترات
§2. مخططات حالة الإجهاد ومخططات التشوه
§3. معادلة اللدونة
§4. التشوه البلاستيكي للمعادن والسبائك في الحالات الساخنة والباردة
§5. تغير البلاستيك في شكل الأجسام البلورية
§6. تشوه غير متساوي
§7. ثبات حجم المعدن ومعاملات التشوه
§8. الاضطرابات
§9. قانون المقاومة الأقل
§10. أساسيات نظرية المتداول
§أحد عشر. شرط التقاط المعادن باللفات
§12. دور الاحتكاك أثناء التدحرج. معامل الاحتكاك أثناء تشوه البلاستيك
§13. اعتماد قطر العمل للبكرات على درجة التشوه ومعامل الاحتكاك
§14. التوسع المتداول
§15. تقدم عند التدحرج
§16. قوة المتداول
§17. اتجاه القوى المؤثرة على اللفائف وعزم التدحرج
§18. تحديد تجريبي لقوة التدحرج

الفصل الرابع عشر. تسخين المعدن قبل أجهزة الدرفلة والتسخين

§1. درجة حرارة تسخين الصلب قبل المتداول
§2. معدل تسخين المعادن
§3. درجة حرارة المعدن في نهاية الدرفلة
§4. تبريد الفولاذ بعد الدرفلة
§5. تسخين السبائك
§6. تسخين قطع العمل

الفصل الخامس عشر. المعدات الرئيسية والمساعدة لمصانع الدرفلة

§1. الخط الرئيسي لمطحنة الدرفلة
§2. تصنيف مصانع الدرفلة
§3. تصنيف منصات العمل لمصانع الدرفلة
§4. معدات الخط الرئيسي لمطحنة الدرفلة
§5. المعدات المساعدة لمصانع الدرفلة

الفصل السادس عشر. تكنولوجيا المتداول

§1. تحضير السبائك والقضبان للدرفلة
§ 2. معايرة اللفات
§ 3. التحكم في العملية
§ 4. المخططات التكنولوجية لإنتاج الدرفلة في مصنع المعادن
§ 5. إنتاج بلوم
§ 6. إنتاج الفراغات
§ 7. إنتاج الفولاذ عالي الجودة
§ 8. إنتاج الفولاذ متوسط الدرجة
§ 9. إنتاج الفولاذ ذو الدرجة الصغيرة
§ 10. إنتاج قضبان الأسلاك
§ 11. إنتاج القضبان والعوارض
§ 12. المطاحن ذات الأغراض الخاصة
§ 13. المؤشرات الفنية والاقتصادية لتشغيل مصانع الدرفلة الطويلة
§ 14. إنتاج ألواح الصلب
§ 15. إنتاج الفولاذ ذو الشريط العريض
§ 16. إنتاج الصفائح والشرائط المدلفنة على البارد
§ 17. إنتاج المنتجات المدرفلة من مساحيق المعادن
§ 18. المؤشرات الفنية والاقتصادية لمصانع درفلة الألواح

الفصل السابع عشر. إنتاج الأنابيب الملحومة وغير الملحومة

§ 1. إنتاج الأنابيب غير الملحومة
§ 2. إنتاج الأنابيب على مطحنة أوتوماتيكية
§ 3. إنتاج الأنابيب على مطحنة مستمرة
§4. إنتاج الأنابيب المدرفلة على البارد
§ 5. إنتاج الأنابيب باللحام المستمر بالفرن
§ 6. إنتاج الأنابيب الملحومة الكهربائية

الفصل الثامن عشر. إنتاج الرسم

§ 1. أساسيات نظرية الرسم
§ 2. السحب
§ 3. التشحيم أثناء الرسم
§ 4. العملية التكنولوجية لإنتاج الأسلاك
§ 5. آلات سحب الأسلاك

وزارة التعليم والعلوم في الاتحاد الروسي

الوكالة الفيدرالية للتعليم

جامعة ولاية جنوب الأورال

فرع في زلاتوست

قسم المعادن العامة

669. 02/ . 09 (07)

D463

نظرية العمليات المعدنية

درس تعليمي

تشيليابينسك

دار النشر جامعة جنوب الأورال

مقدمة

العمليات المعدنية هي مجموعة من الظواهر الفيزيائية والتحولات الفيزيائية والكيميائية (حركة الغازات، المواد السائلة والصلبة، نقل الحرارة والكتلة، التحولات الطورية، الأكسدة واختزال المواد، وما إلى ذلك) التي تحدث في الوحدات المعدنية (الفرن العالي، آلة التلبيد ، صناعة الصلب وأفران التدفئة، المحول) في درجات حرارة عالية. موضوع دراسة دورة "نظرية العمليات المعدنية" هو التفاعلات التي تحدث في الوحدات المعدنية المحددة.

تحتل دورة TMP مكانة خاصة بين جميع التخصصات المعدنية؛ في الواقع، فهي الكيمياء الفيزيائية التطبيقية فيما يتعلق بتحليل الظواهر التي تحدث أثناء إنتاج الحديد الزهر والصلب والسبائك الحديدية.

يتم النظر في الأسس النظرية للعمليات المعدنية في تسلسل معين: أولاً، بناءً على قوانين الديناميكا الحرارية، يتم تحليل ظروف توازن العمليات الكيميائية، ثم يتم تحليل حركية وخصائص آلية العمليات. هذه الأسئلة هي المهام الرئيسية التي يجب حلها عند دراسة دورة TMP.

1. تكوين وخصائص الغاز ذو درجة الحرارة العالية الأجواء

1.1. الديناميكا الحرارية للأجواء الغازية

تحدث العمليات المعدنية الحرارية لإنتاج ذوبان المعادن (الحديد والصلب والسبائك) بمشاركة أجواء غازية يمكن أن تكون محايدة ومؤكسدة ومختزلة.

يعتمد تكوين الطور الغازي وضغطه ودرجة حرارته على طبيعة تفاعله مع المراحل الأخرى التي تتشكل أثناء إنتاج المعادن والسبائك. في هذه الحالة، يكون كل من التركيب الوسيط والكامل للطور الغازي متشابهين جدًا:

منتجات التفاعل الكامل للعناصر مع الأكسجين - CO2، H2O (البخار)، SO3؛

منتجات التفاعل غير الكامل مع الأكسجين، وتفكك الأكاسيد وتفريغ المعادن - CO، SO2، H2، O2، N2، CH4؛ الغازات الخاملة - Ar، Kr.

يمكن حساب التركيبة المتوازنة للطور الغازي بناءً على التحليل الديناميكي الحراري للتفاعلات الكيميائية، وأهمها تفاعلات الهيدروجين وأول أكسيد الكربون والميثان وثاني أكسيد الكبريت مع الأكسجين.

يتم وصف هذه التفاعلات العكسية بالمعادلات الكيميائية التالية (لكل 1 مول من O2):

2H2 + O2 = 2H2O(البخار)،	ي؛
2СО + O2 = 2СО2،	ي؛
2СH4 + O2 = 2СО + 4H2O،	ي؛
1/2СH4 + O2 = 1/2СО2 + Н2О،	ي؛	(1.4)
2SO2 + O2 = 2SO3،	ج.

يتيح التحليل الديناميكي الحراري لهذه التفاعلات العكسية تحديد محتويات التوازن والضغوط الجزئية للأكسجين الجزيئي، وكذلك تحديد خصائص الأكسدة والاختزال في الطور الغازي في هذه التفاعلات.

ومع ذلك، فإن الخاصية الديناميكية الحرارية الأكثر أهمية، والتي تحدد اتجاه التفاعلات الكيميائية، هي التغير في طاقة جيبس D GT، والتغير المعياري الذي D G ° T، اعتمادًا على درجة حرارة التفاعلات (1.1) – (1.5) له الشكل ، ي:

DG° (1.1) = - + 108 طن؛

DG° (1.2) = - + 175 طن؛

DG° (1.3) = - + 370 طن؛

DG° (1.4) = - + 2 T؛

DG° (1.5) = - + 196 ت.

في التين. 1.1 يظهر الرسوم البيانية لهذه التبعيات.

أرز. 1.1. طاقة جيبس القياسية لتفاعلات الاحتراق

هذه التبعيات صالحة عند درجات حرارة تصل إلى 2500 كلفن والضغط الكلي في النظام P = 1 أجهزة الصراف الآلي، أي قبل عمليات تفكك H2O وO2 وH2 إلى ذرات وتأينها وتكوين البلازما.

من تحليل التبعيات والرسوم البيانية المحددة للشكل D G° Т = f(Т) في الشكل. 1.1 يترتب على ذلك أنه مع زيادة الضغط يتغير توازن التفاعلات (1.1) و (1.2) و (1.5) في الاتجاه الأمامي، ومع زيادة درجة الحرارة يتناقص اكتمال هذه التفاعلات. لا يؤثر التغير في الضغط على توازن التفاعل (1.4)، ويتباطأ المسار المباشر للتفاعل (1.3) مع زيادة الضغط. مع زيادة درجة الحرارة، تتميز التفاعلات (1.3) و (1.4) بزيادة اكتمال حدوثها.

إن تكوين التوازن للغلاف الجوي الناتج والضغوط الجزئية للمكونات المكونة له سيجعل من الممكن تحديد وحساب خصائص الأكسدة والاختزال (ORP) للطور الغازي الذي يؤثر على مواد النظام غير المتجانس القادر على الأكسدة أو الاختزال.

إن أبسط خاصية كمية لـ ROM لأي خليط غاز هي الضغط الجزئي المتوازن للأكسجين. ومع ذلك، فإن التقييم الأكثر دقة لـ ROM في الغلاف الجوي الغازي هو إمكانات الأكسجين p O، وهي قيمة الإمكانات الكيميائية للأكسجين الجزيئي عند قياسها من الحالة القياسية، والتي عندها DIV_ADBLOCK144">

تعتمد قيمة p O على درجة الحرارة وعلى تكوين الطور الغازي، والذي يتم التعبير عنه من خلال نسبة الضغوط الجزئية للكواشف المؤثرة.

في الوحدات المعدنية، تتكون الأجواء الغازية من العديد من المكونات التي تشارك باستمرار في التحولات الفيزيائية والكيميائية. يعتمد التحليل الديناميكي الحراري لمثل هذه الأنظمة على القول بأن التوازن الكيميائي المعقد يتحقق نتيجة للإنشاء المتزامن لجميع التوازنات الجزئية المحتملة في النظام.

وبالتالي، عندما تحدث التفاعلات (1.1) – (1.5) في وقت واحد في الطور الغازي عند T=const، فإن ضغوط المكونات المشار إليها سوف تأخذ القيم المقابلة لثوابت التوازن KR(1.1) –KR(1.5)، و إمكانات الأكسجين في خليط الغاز

يمكن حسابها من البيانات من أي من هذه التوازنات، على سبيل المثال، من المعادلة

في خليط الغاز المكون من ثمانية مكونات قيد النظر، بالإضافة إلى التفاعلات (1.1) – (1.5)، من الممكن حدوث تفاعلات كيميائية أخرى بين الكواشف. والأكثر أهمية هو ما يسمى بتفاعل غاز الماء (غاز الماء عبارة عن خليط من أربعة غازات H2 - H2O - CO - CO2):

H2 + CO2 = H2O + CO، DG° (1.5) = - 33.5T J. (1.8)

يعد تحليل هذا التفاعل مهمًا للغاية في علم المعادن لتقييم التوازن في الأجواء الغازية عند استخدام الغاز الطبيعي أو الانفجار المرطب في الفرن العالي والوحدات المعدنية الأخرى.

لتحديد تركيبة التوازن لنظام التفاعل (1.8)، من الضروري تحديد ليس فقط قيمة ثابت التوازن

(1.9)

والضغط العام

(1.10)

ولكن أيضًا بشرطين آخرين ينجمان عن تحليل عدد درجات الحرية:

ج = ع + 2 - Ф = 3 + 2 - 1 = 4.

ومن الناحية العملية، يتم في أغلب الأحيان تحديد التركيب الأولي للنظام أو ضغوط البخار الجزئية في الخليط الأولي. في حالتنا، بالإضافة إلى P وT، كمتغيرين يمكننا اختيار أعداد غير متغيرة من مولات الكربون والهيدروجين أو مجموعات ثابتة من الضغوط الجزئية للهيدروجين والغازات المحتوية على الكربون:

(1.11)

(1.12)

يسمح الحل المشترك للمعادلات (1.9) – (1.12) بإيجاد تركيبة التوازن لخليط الغاز. يمكن عرض نتائج الحساب بيانيا، حيث تكون البيانات الأولية هي النسب التالية:

(1.13)

من الرسم البياني (الشكل 1..gif" width="69" height="28"> والعكس صحيح. بعد حساب قيمة توازن %CO / %CO2 (أو %H2 / %H2O)، يمكنك تحديد إمكانات الأكسجين لنظام CO - CO2 - H2 - H2O وخطوط الرسم لقيم p O الثابتة في الشكل 1.2.

أرز. 1.2. العلاقة بين %CO/ %CO2 و %H2 / %H2O.

1.2. عمليات الغاز المتجانسة

يسمح التحليل الديناميكي الحراري للتفاعلات التي تحدث في أجواء غازية معقدة فقط بالحكم على إمكانية حدوث التفاعل في الاتجاهين الأمامي أو العكسي وحساب تكوين الطور الغازي. ومع ذلك، فمن المستحيل النظر في آلية عمليات التفاعل وإجراء تحليلها الحركي.

يجب أن تتضمن آلية تفاعل الجزيئات المشبعة بالتكافؤ كسر أو إضعاف روابط التكافؤ. وهذا يتطلب تكاليف طاقة كبيرة، والتي لا يمكن تعويضها إلا من خلال طاقة الحركة الحرارية للجزيئات. كما تظهر البيانات التجريبية، فإن جميع تفاعلات الاحتراق لها آلية متسلسلة، تتميز بمشاركة المراكز النشطة (الجسيمات) - الذرات والجذور ذات التكافؤ الحر. إن أبسط أعمال عملية الأكسدة متعددة المراحل تبدأ بعد تكوين المراكز النشطة وتستمر كتفاعلات كيميائية بينها وبين الجزيئات ذات الطاقة المنخفضة النشاط. من سمات ردود الفعل هذه استنساخ المراكز النشطة. وفقًا لطبيعة مسارها، تنقسم التفاعلات المتسلسلة إلى تفاعلات غير متفرعة ومتفرعة ومتحللة.

بشكل عام، يعتبر النموذج في نظرية التفاعلات المتسلسلة هو التفاعل الأكثر دراسة لاحتراق الهيدروجين، والذي يتميز بعدد صغير من المنتجات الوسيطة والأفعال الأولية المحددة جيدًا. هم:

1) تفاعلات تكوين المراكز النشطة في حجم الخليط وعلى جدار الوعاء:

E1.14 = 198.55 كيلوجول/مول؛ (1.14)

E1.15 = 180.7 كيلوجول/مول؛ (1.15)

نادز + O2 = HO2؛ (1.16)

2) التفاعل المستمر المتسلسل:

https://pandia.ru/text/79/398/images/image020_45.gif" width = "172" height = "48 src = "> E1.17 = 41.9 كيلو جول / مول؛ (1.17)

3) التفاعلات المتفرعة المتسلسلة:

E1.18 = 63.27 كيلوجول/مول؛ (1.18)

E1.19 = 25.14 كيلوجول/مول؛ (1.19)

4) رد فعل انقطاع الدائرة (التعطيل) على الحائط

; (1.20)

5) تفاعل إنهاء السلسلة في حجم الطور الغازي (M هو جزيء محايد):

ه(1.21) » 0; د Н1.20 = - 197 كيلوجول/مول. (1.21)

يتم تحديد معدل كل من هذه التفاعلات من خلال الضغط الجزئي P وترتيب التفاعل n وبشكل عام يمكن تمثيله على النحو التالي

V = const × https://pandia.ru/text/79/398/images/image029_30.gif" width="411 height=267" height="267">

أرز. 1.3. شروط اشتعال خليط الغاز (H2 + O2)

2. تحليل عمليات احتراق الكربون الصلب

من بين التفاعلات المحتملة للكربون مع العوامل المؤكسدة، سننظر في أهمها.

1. تفاعل الاحتراق غير الكامل للكربون

2C + O2 = 2CO، DG° T(2.1) = - - 180T J/mol. (2.1)

2. تفاعل الاحتراق الكامل

C + O2 = CO2، DG° T(2.2) = - - 2.3T J/mol. (2.2)

3. تفاعل تغويز الكربون مع البخار H2O إلى CO

2C + 2H2O = 2CO + 2H2، DG° T(2.3) = - 288T J/mol. (2.3)

4. تفاعل تغويز الكربون مع بخار H2O إلى ثاني أكسيد الكربون

C + 2H2O = CO2 + 2H2، DG° T(2.4) = - 110.6 TJ/mol. (2.4)

5. تفاعل تغويز الكربون

C + CO2 = 2CO، DG° T(2.5) = - 177.7T J/mol. (2.5)

الأكثر أهمية هو التفاعل (2.5)، وهو ماص للحرارة: D Н° = 172.6 كيلوجول.

من النسبة التي تم تحديدها بواسطة تفاعل تغويز الكربون، يمكن للمرء الحكم على تأثير الكربون الصلب على تكوين الطور الغازي لنظام C - CO - CO2 على نطاق واسع من درجات الحرارة. يظهر الشكل التوازني لهذا الجو الغازي. 2.1.

وفقًا لمبدأ Le Chatelier، تؤدي الزيادة في الضغط إلى تحويل توازن تفاعل تغويز الكربون إلى اليسار، أي عند درجة حرارة ثابتة، يتم إثراء خليط غاز التوازن بثاني أكسيد الكربون. ومع انخفاض الضغط، يزداد تركيز ثاني أكسيد الكربون في الطور الغازي.

تتكون العملية غير المتجانسة لتفاعل الكربون مع عامل مؤكسد من عدد من المراحل:

2) الانتشار الجزيئي من خلال طبقة هيدروديناميكية بسمك dG، حيث يتم الحفاظ على التدفق الصفحي؛

3) امتزاز العامل المؤكسد على سطح الكربون؛

4) التفاعل الكيميائي مع تكوين المنتجات الممتزة (ثاني أكسيد الكربون في درجات حرارة منخفضة وثاني أكسيد الكربون في درجات حرارة عالية)؛

5) امتزاز منتجات التفاعل.

6) الانتشار (الجزيئي والمضطرب) لمنتجات التفاعل في تدفق الغاز.

أرز. 2.1. تكوين الغلاف الجوي الغازي (CO- CO2) في حالة توازن مع الكربون الصلب

المرحلة المحددة في عملية أكسدة الكربون هي المرحلة الحركية للامتزاز، والتي تجمع بين المراحل 3 و4 و5. ويمكن أيضًا أن يكون الانتشار الجزيئي مقيدًا.

يمكن حساب معدل الانتشار لكل وحدة مساحة السطح باستخدام الصيغة

(2.6)

حيث D هو معامل الانتشار، وb هو معامل نقل الكتلة، وCo وSpov هما تركيز المؤكسد في حجم الطور الغازي وعلى سطح الكربون، على التوالي.

يتم تحديد معدل التفاعل الكيميائي من خلال تركيز الكاشف الممتز Spov:

(2.7)

حيث K هو ثابت معدل التفاعل، والذي يعتمد بشكل كبير على درجة حرارة طاقة التنشيط للعملية، n هو ترتيب التفاعل (في هذه الحالة n = 1).

إذا كانت عملية تفاعل الكربون مع الطور الغازي تحدث في وضع ثابت، أي دون تغيير السرعة مع مرور الوقت، فإن معدل هذه العملية Vperc يتم تحديده على النحو التالي:

فبروت = الخامس س. ع = ف.د. (2.8)

باستبدال العلاقات (2.6) و (2.7) في (2.8)، نحصل في النهاية على المعدل الملحوظ لعملية أكسدة الكربون:

(2.9)

اعتمادًا على نسبة قيم K وb، تكون أوضاع الأكسدة التالية ممكنة:

– الحركية عند b >>K;

- الانتشار عند K>>b؛

- حركية الانتشار عند K » ب.

يتيح لنا التحليل الديناميكي الحراري للتفاعل (2.5) تحديد شروط تحلل أول أكسيد الكربون. وهذا ممكن في الأجواء الغازية ذات النسبة العالية وفي درجات حرارة منخفضة. القيمة D G° T للتفاعل

2CO = CO2 + C

يتناقص مع انخفاض درجة الحرارة، ولكن من الصعب تنفيذ هذا التفاعل حركيا دون وجود محفز، يستخدم، على سبيل المثال، في عملية التدعيم.

لأكسدة الرابطة "C - O" في جزيء ثاني أكسيد الكربون، هناك حاجة إلى سطح صلب محفز، وأقوى محفز هو الحديد. في هذه الحالة، فإن المراحل الرئيسية لعملية تحلل ثاني أكسيد الكربون مع تكوين الكربون الصلب المشتت بدقة ستكون كما يلي:

1) امتزاز جزيء ثاني أكسيد الكربون على سطح المحفز، مما يؤدي إلى إضعاف الرابطة "C - O"؛

2) عملية التحلل عند اصطدام جزيء ثاني أكسيد الكربون النشط من الطور الغازي بجزيء ممتز بواسطة التفاعل

CO + Soads = CO2 + C.

3. تقييم قوة المركبات الكيميائية

تعتبر عمليات تفكك أهم المركبات في علم المعادن - الأكاسيد والنيتريدات والكربونات - مهمة للغاية، لأنها طريقة مباشرة للحصول على المعادن. هذه العمليات متشابهة جدًا، ويمكن تمثيلها حسب درجة الحرارة بمعادلات بالشكل:

ABtv = مركبة + Vgas؛

ABtv = آل + فغاس؛

ABzh = مركبة + Vgas؛

АВз = А + Вgas.

تسمى قيمة الضغط الجزئي المتوازن للمنتج الغازي لهذه التفاعلات مرونة التفككاتصال AB ويميز قوة هذا الاتصال. تفاعلات التفكك ماصة للحرارة، أي أنه مع زيادة درجة الحرارة، يتحول التوازن نحو منتجات التفاعل. إن تقليل الضغط مع الحفاظ على تكوين الطور الغازي له تأثير مماثل.

وفقًا لقاعدة طور جيبس، يتم تحديد عدد درجات الحرية لتفاعلات التفكك على النحو التالي:

ج = ك + 2 - و = 2 + 2 - 3 = 1،

أي أنه بالنسبة للخاصية الكمية، هناك معلمة مستقلة واحدة كافية - درجة الحرارة، التي يعتمد عليها ثابت توازن العملية:

كر = РВ = ¦ (T).

أرز. 3.1. اعتماد مرونة تفكك المركب AB على درجة الحرارة

في التين. ويبين الشكل 3.1 اعتماد RT على درجة الحرارة للتفاعلات المشار إليها.

3.1. تفكك الكربونات

في علم المعادن الحديدية، الاهتمام العملي الأكبر هو تحليل تفاعل تفكك كربونات الكالسيوم CaCO3 والمغنيسيوم MgCO3 والمنغنيز MnCO3 والحديد FeCO3 (السيديرايت) والدولوميت CaMg(CO3)2. إن عمليات تفكك هذه المركبات هي من نفس النوع وتتم وفقا للمعادلة:

ميكو 3 = ميو + ثاني أكسيد الكربون 2،

القيمة هي مرونة تفكك الكربونات وتميز قياس القوة الكيميائية للمركب.

والأكثر أهمية هو تفاعل تفكك كربونات الكالسيوم، والذي يعد جزءًا من المواد المشحونة في الفرن العالي وإنتاج صناعة الصلب، ويستخدم أيضًا لإنتاج CaO من خلال تحميص الحجر الجيري.

يتم وصف تفاعل تفكك CaCO3 بواسطة معادلة النموذج

CaCO 3 = CaO tv + CO 2, = J; (3.1)

DG° T = - 150 طن؛ كيلو بايت (3.1) =

يظهر الشكل اعتماد مرونة تفكك الكربونات على درجة الحرارة. 3.2.

أرز. 3.2. مرونة التفكك من CaCO3

يوضح تحليل هذا الاعتماد الرسومي باستخدام متساوي حرارة التفاعل الكيميائي أن تفكك الكربونات ممكن عندما تكون القيمة الفعلية أقل من قيمة التوازن وفي نفس الوقت D G ° T< 0. Температура, при которой возможен этот процесс, является температурой начала диссоциации ТНД.

أي نقطة مجازية 1 فوق خط التوازن في الشكل. 3.2 يتوافق مع الوجود المستقر لكربونات CaCO3. أي نقطة تصويرية 2 أسفل الخط تتوافق مع الوجود المستقر لأكسيد CaO.

وتحدث عملية تفكك الكربونات بمعدل مرتفع عند درجات حرارة أعلى من نقطة الغليان الكيميائي لـ TCA، حيث تصبح مرونة التفكك مساوية للضغط الخارجي الكلي للطور الغازي.

3.2. تفكك أكاسيد الحديد

الديناميكا الحرارية لعمليات تفكك الأكسيد تشبه عملية تفكك الكربونات، وترتبط الميزات فقط بوجود درجات مختلفة من التكافؤ في بعض المعادن - وخاصة أكاسيد الحديد.

وفقا لمبدأ بايكوف، فإن تفكك أكاسيد الحديد يحدث بالتتابع، من الأعلى إلى الأدنى، حتى تكوين المعدن. تفاعلات التفكك لها الشكل التالي:

6Fe2O3 = 4Fe3O4 + O2، D G ° T = - 281.3 T J؛ (3.2)

2Fe3O4 = 6FeO + O2، DG ° T = - 250.2 TJ؛ (3.3)

2FeO = Fe + O2، DG ° T = - 130.7 TJ؛ (3.4)

1/2Fe 3O 4 = 3/2Fe + O 2, D G ° T = - 160.2 T J. (3.5)

توجد هذه الأكاسيد في نطاقات معينة من درجات الحرارة. في التين. يوضح الشكل 3.3 الرسوم البيانية لاعتماد D G° T على درجة حرارة التفاعلات (1) – (4).

أرز. 3.3. طاقة جيبس القياسية لتفاعلات تفكك أكاسيد الحديد

وبناء على القيم المحسوبة لمرونة التفكك، تم بناء التبعيات المعروضة في الشكل. 3.4.

أرز. 3.4. مجالات الوجود المستدام

الحديد وأكاسيده

يوضح هذا الرسم البياني مناطق الوجود المستقر للحديد النقي وأكاسيده في نطاق واسع من درجات الحرارة. تتوافق النقطة O مع التوازن الثابت مع المعلمات T = 575 درجة مئوية و» - 26 (أربع مراحل في حالة توازن - الحديد الصلب، FeO، Fe3O4 وO2). وعلى الخطوط المتبقية، يتحقق التوازن الثابت. أي نقطة بين الخطوط تتوافق مع حالة ثابتة للنظام ثنائي المتغير، مما يجعل من الممكن تحديد شروط الوجود المستقر لمرحلة مكثفة معينة.

3.3. آلية وحركية عمليات التفكك

السمات المميزة لعمليات التفكك التي تحدث وفقًا لتفاعلات النموذج

AVtv ® مركبة + Vgaz,

نكون:

– وجود عملية نواة مرحلة صلبة جديدة؛

- توطين العملية عند السطح البيني بين المرحلتين الصلبتين "القديمة" و"الجديدة"؛

- اعتماد سرعة العملية على درجة التحويل.

يتم استخدام درجة التحويل كخاصية لمثل هذه العمليةأ:

حيث mAB (p)، mAB (المرجع) - التوازن والقيم الأولية للمركب AB.

معدل التحويلأ يعتمد على وقت العملية، وهو ما تؤكده العديد من البيانات التجريبية (الشكل 3.5).

Font-size:13.0pt;letter-spacing:-.1pt">الشكل 3.5. التبعيات متساوية الحرارة لدرجة التحويلأ من وقت
ومعدل التحول من درجة التحول

وفي هذه الحالة يمكن التمييز بين ثلاث مراحل:

أنا - فترة التحريض، تتميز بانخفاض معدلات المعالجة بسبب الصعوبات في تشكيل مرحلة جديدة؛

ثانيا – التحفيز الذاتي المرتبط بتسارع تفاعل التفكك؛

ثالثا – فترة اكتمال العملية والتي ترتبط بانخفاض حجم المرحلة القديمة والواجهة.

تشير الدراسات التجريبية لعمليات التفكك إلى أن مثل هذه العملية تحدث وفقًا للمخطط

ABtv ® Atv × Vgas (إعلانات) ® Atv + Vgas.

في هذه الحالة، يجب أن يكون تكوين نواة مرحلة جديدة في أعماق المرحلة القديمة مصحوبًا بانخفاض في طاقة جيبس للنظام، محسوبة باستخدام المعادلة

DG = D GV + D GW،

حيث D GV و D GW هما المكونان الحجمي والسطحي للتغير الكلي في طاقة Gibbs.

يتم تعريف قيم D GV و D GW على أنها

دي جي في=

د غيغاواط = س × ق،

حيث V وS هما حجم وسطح نواة الطور الجديد، وr وM هما الكثافة والوزن الجزيئي للطور الجديد، وs هو التوتر السطحي، وm 2 وm 1 هما الإمكانات الكيميائية للمركب AB في المرحلة الجديدة والقديمة.

ويترتب على تحليل هذه العلاقة أن التكوين التلقائي لمرحلة جديدة ممكن عند نسبة معينة من م 2 و م 1.

عند T £ Tnd m 2 ³ m 1، وفي هذه الحالة يكون ظهور نواة بأي حجم مستحيلًا من الناحية الديناميكية الحرارية.

إذا T > Tnd، ثم m 2 >m 1، والشروط الموجودة في صيغة D G لها علامات مختلفة، لأنه مع زيادة r، ينمو الحد الأول بشكل أسرع في القيمة المطلقة، ثم يكون للمنحنى D G = f (r) حد أقصى، يحدد موضعها حجم النواة الحرجة، التي يصاحب نموها انخفاض في طاقة النظام. في ظل ظروف معينة، يصبح جنين المرحلة الجديدة مستقرًا من الناحية الديناميكية الحرارية. تحدد درجة ارتفاع درجة حرارة اتصال ABTV كلاً من نصف قطر النواة الحرجة واستقرارها. لتحديد حجم النواة الحرجة، من الضروري فحص الدالة D G = f (r) للطرف الأقصى، وبعد ذلك نحصل على

تسمى الكمية D m = m 1 – m 2 بالتشبع الكيميائي وهي القوة الدافعة لعملية التفكك.

في التين. يوضح الشكل 3.6 حالة ظهور ونمو جنين المرحلة الجديدة.

ويترتب على تحليل التبعيات أنه، مع تساوي جميع الأشياء الأخرى، كلما زاد ارتفاع درجة الحرارة، كلما كانت النواة الحرجة أصغر، وكلما حدثت عملية تفكك المركبات بشكل أسهل (أسرع).

أرز. 3.6. شروط نمو جنين المرحلة الجديدة

وبالتالي، فإن نمو جنين الوسط الجديد يعتمد على درجة الحرارة والوقت وحركة الجزيئات التي تشكل الوسط الجديد. إن دراسة آلية تحويل معين تجعل من الممكن تحديد التبعيات التحليلية، ومع ذلك، فهي مقبولة، كقاعدة عامة، فقط للحالة التي يتم تحليلها. في هذه الحالة، من الضروري مراعاة صعوبات النمو الطبيعي المرتبطة بـ "تداخل" الجنين في مرحلة جديدة وتقييد العملية بأي من مراحلها الأولية.

قد تختلف الأنظمة الحقيقية بشكل كبير عن نماذج التفكك التي تم إنشاؤها، عند إنشاء أي منها يجب الانتباه إلى الميزات التالية: في اللحظة الأولى من الزمن، من الممكن تباطؤ نمو النوى؛ قد تختلف السرعة السطحية لتقدم حدود الطور عن سرعة الاختراق في الحجم؛ تفاعل الحدود يتغير مع مرور الوقت؛ قد لا يكون حجم المنتجات والكواشف هو نفسه؛ في التفاعلات العكسية، من الممكن امتزاز منتجات التفاعل المتطايرة؛ مظهر محتمل لتثبيط الانتشار. تعتمد الخصائص الحركية، كقاعدة عامة، على حجم الجسيمات؛ قد تكون هناك صعوبات في نقل الحرارة من خلال منتجات التفاعل.

قد تكون بعض الميزات المدرجة لعمليات التفكك مقيدة للروابط، والتي تشمل:

1) معدل التحول الكيميائي (ما يسمى بالنظام الحركي)؛

2) معدل انتشار الغاز من خلال طبقة الطلاء (وضع الانتشار)؛

3) الوضع المختلط (مقارنة معدلات التحول الكيميائي والانتشار)؛

4) معدل انتقال حرارة التفاعل خلال طبقة الطلاء.

ويمكن التعبير عن كل مرحلة من هذه المراحل تحليليا فيما يتعلق بعملية تفكك مركب معين، مع الأخذ بعين الاعتبار خصائصه.

3.4. أكسدة المعادن الصلبة

عندما يتم وضع Me في جو يحتوي على O2 أو غازات مؤكسدة أخرى (CO2، H2O)، يصبح سطحه مغطى بالأكاسيد، حجموالتي يزداد سمكها مع الوقت. في درجات حرارة عالية هذه العملية ارتفاع درجة حرارة التآكل– يتطور بسرعة كبيرة ويؤدي إلى فقداني عندما يتم تسخينه قبل الدرفلة أو الحدادة.

في المجمل، يتم فقدان 18...20 مليون طن مني سنويًا بسبب أكسدة أنا. الأكسدة هي عملية عفوية، ولكنها تعتمد على عدد من العوامل.

تتكون عملية الأكسدة من المراحل التالية:

1) الانتشار الخارجي للغاز المؤكسد على سطح الأكسيد؛

2) الانتشار الداخلي في طبقة المقياس؛

3) الفعل الكيميائي (التفاعل) عند الواجهات.

مقياس (MeO) للسمك y يقع بين وسطين - بيني والغاز؛ ضمن حدوده، ينخفض تركيز O2 من واجهة الغاز/MeO إلى واجهة MeO/Me، وينخفض محتوى Me في الاتجاه المعاكس. وبفضل هذا، من الممكن انتشار المواد في طبقة الأكسيد، كما هو مبين في الشكل. 3.7.

أرز. 3.7. مخطط أكسدة المعادن

يعتمد معامل الانتشار في المقياس الصلب على تركيبته البلورية، والتي تحددها نسبة الكسور المولية للأكسيد (VMeO) وMe (VMe).

عندما يتم تشكيل VМе > VMeO مساميةطبقة الأكسيد التي من خلالها يخترق الغاز المؤكسد إلي بسهولة. Mes التالية لها هذه الخصائص.


MenOn		Na2O

إذا VMe< VMeO, то оксид покрывает Ме сплошным плотным покровом, который создает значительное диффузионное сопротивление и окисление затрудняется. К данной группе относятся следующие Ме:


MenOn	Al2O3	Cu2O	Cr2O3	Fe2O3

في ظل ظروف الأكسدة الفعلية للمعدن، يتم انتشار الغاز الخارجي بسرعة نسبية، لذلك يمكن تمثيل عملية أكسدة أي معدن على مرحلتين:

1) انتشار O2 (عامل مؤكسد آخر) من خلال فيلم الأكسيد؛

2) الفعل المباشر للتفاعل الكيميائي في الواجهة.

دعونا نشتق معادلة لاعتماد سماكة طبقة الأكسيد y على وقت الأكسدة t عند T = const.

سرعة العملية الملحوظة

فوبس = دي/دت.

يتم تعريف معدل الانتشار الداخلي على أنه

حيث "-" هو تدرج التركيز؛

Spov، Sob - تركيزات العامل المؤكسد على سطح التفاعل وفي حجم الغاز؛

يتم تعريف معدل التفاعل الكيميائي على أنه

مع n = 1، https://pandia.ru/text/79/398/images/image057_8.gif" width="115 height=52" height="52">

وفي الحالة المستقرة تكون سرعات الوصلات المتعاقبة K والسرعة الكلية متساوية:

في هذه الحالة، نعوض بـ Spov في معادلة الانتشار:

ذ = و (ر) – المعادلة التفاضلية.

دعنا نتحرك ونفصل بين المتغيرات:

الشروط الأولية: ر = 0، ص = 0.

الاعتماد المطلوب لسمك طبقة الانتشار المؤكسدة في الوقت المحدد:

(*)

هذه الوظيفة مكافئة.

عند t = 0 و y ® 0 , y2<< y, поэтому величиной y2/2 пренебрегаем:

y = Kx C rev × t . (3.6)

هذه العلاقة خطية.

هذا يعني:

1) سماكة طبقة المقياس ~ t، أي أن الأكسدة تحدث بمعدل ثابت؛

2) يتم تحديد معدل الأكسدة من خلال خصائص قيمة Kx، أي أن التفاعل يكون في المنطقة الحركية.

وهذا ينطبق على معادن المجموعة الأولى.

لمعادن المجموعة الثانية د< R; при этом t – велико. В этом случае слагаемым пренебрегаем и получаем:

. (3.7)

1) يتناسب سمك طبقة المقياس مع أي أن معدل الأكسدة يتناقص مع مرور الوقت؛

2) تحدث العملية في منطقة الانتشار.

يظهر هذا بيانيا في الشكل. 3.8.

وهكذا، بالنسبة لي مع الحجم الكثيف، يحدث تفاعل الأكسدة في البداية المنطقة الحركيةوتنمو طبقة الأكسيد وفقًا للاعتماد الخطي (في الشكل 3.8 - المنطقة 1).

مع سماكة الطبقة الكبيرة، يصبح الاعتماد مكافئًا وتكون العملية محدودة الانتشار الداخلي(المنطقة 2). بين هذه الحالات القصوى تقع المنطقة الانتقالية - 3، حيث ترتبط y وt بمعادلة تفاضلية (*)، والتي تأخذ في الاعتبار ميزات التحول الكيميائي والانتشار.

أرز. 3.8. اعتماد سمك المقياس على وقت العملية: 1 – المنطقة الحركية؛

2 - منطقة الانتشار. 3- المنطقة الانتقالية

4. عمليات ترميم المعادن

4.1. الخصائص الديناميكية الحرارية لعمليات الاختزال

إن إنتاج المعادن النقية من خلال تفكك أكاسيدها أمر غير مرجح من الناحية الديناميكية الحرارية بسبب مرونة تفكك المركبات المنخفضة للغاية.

والأكثر ملائمة هي عملية الحصول على المعادن من أكاسيدها بالاختزال. مثل هذه العملية هي في الأساس الأكسدة والاختزال (يتم تقليل المعدن المؤكسد ويتأكسد عامل الاختزال) ويمكن وصفها بشكل عام بالتفاعل

MeO + B = Me + BO، DG T(4.1) ، (4.1)

حيث يمكن استخدام كل من المادة الصلبة والغازية (العنصر) كعامل اختزال B.

التفاعل (4.1) هو في الأساس مجموع تفاعلات التكوين للنموذج

ب = = VO، DGT (4.2)؛ (4.2)

أنا = = MEО، DG Т(4.3)، (4.3)

والتي تكون طاردة للحرارة.

من الممكن حدوث التفاعل تلقائيًا (4.1) إذا كان D G Т(4.2)< D G Т(4.3).

4.2. اختزال أكاسيد الحديد بالحالة الصلبة والغازية

المرممون

عامل الاختزال العالمي لأكاسيد الحديد هو الكربون الصلب؛ عند تقليل الغازات، غالبًا ما يتم استخدام ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين.

الديناميكا الحرارية لعمليات اختزال أكاسيد الحديد بعوامل اختزال صلبة وغازية هي نفسها من حيث المبدأ.

عند استخدام أول أكسيد الكربون CO يجب مراعاة التوازنات في نظام FemOn – CO – CO 2 والتي يتم وصفها بالتفاعلات التالية:

(4.4)

EN-US">EN-US">الموضع:مطلق؛ الفهرس z:5;اليسار:0px;الهامش الأيسر:234px;الهامش العلوي:12px;العرض:11px;الارتفاع:88px"> (4.8)

أرز. 4.1. تكوين التوازن للطور الغازي للنظامفيمون – CO – CO 2

لا يُظهر الرسم البياني منطقة وجود مستقر لمرحلة Fe 2O 3، نظرًا لأن هذه المرحلة، وفقًا للحسابات، غير مستقرة في نطاق درجة الحرارة قيد النظر حتى عند محتوى ثاني أكسيد الكربون > 0.01٪.

النقطة O هي نقطة توازن ثابت مع الطور الغازي لثلاث أطوار صلبة.

عند استخدام الهيدروجين أو أي عامل اختزال آخر كعامل اختزال، سيتم حساب منحنيات تكوين غاز التوازن بطريقة مماثلة.

عند استخدام الكربون كعامل اختزال لأكاسيد الحديد، يمكن وصف العملية من خلال التفاعلات التي تتوافق مع التوازن في النظام
Fe 2O 3 – Fe 3O 4 – FeO – Fe – C – CO – CO 2، يحتوي على سبعة مكونات.

ومع ذلك، مع الأخذ في الاعتبار عدم استقرار Fe 2O 3، فمن المستحسن تحليل التوازنات الكيميائية التالية:

Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2؛

FeO + CO = Fe + CO2؛

2CO = ج + ثاني أكسيد الكربون.

بالإضافة إلى التوازن الجزئي، وفقا لقاعدة المرحلة، من الممكن تحقيق توازن متزامن لخمس مراحل - أربعة صلبة وغازية (خليط من ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون).

تظهر منحنيات التوازن لهذه التفاعلات في الشكل. 4.2.

حجم الخط:13.0pt">الشكل 4.1. محتويات أول أكسيد التوازن

الكربون أثناء الاختزال غير المباشر للأكاسيد

تفاعلات تغويز الحديد والكربون الصلب

يمكن الحصول على الخصائص الكمية للتوازنات في النظام قيد النظر من خلال حل المعادلات المشتركة التي تعبر عن اعتماد الثوابت على تكوين الطور الغازي. ويترتب على حل نظام هذه المعادلات أنه مع زيادة الضغط في النظام، تبدأ درجات الحرارة التي يبدأ عندها اختزال أكاسيد الحديد في الزيادة، ومع انخفاض الضغط، بالعكس.

وبالتالي، يتم تحديد توازن الطور في نظام Fe-O في وجود الكربون الصلب بواسطة درجة الحرارة والضغط الكلي للطور الغازي
(ثاني أكسيد الكربون + ثاني أكسيد الكربون).

4.3. آلية وحركية عمليات الاسترداد

تختلف آليات اختزال أكاسيد المعادن بالغازات وعوامل الاختزال الصلبة ولها خصائصها الخاصة.

عند اختزالها بالغازات، تحدث هذه العملية على ثلاث مراحل على الأقل:

1) امتزاز التخفيض على سطح التفاعل؛

2) انتقال الأكسجين من شبكة الأكسيد ودمجه مع جزيئات عامل الاختزال الممتصة مع التكوين المتزامن لمرحلة صلبة جديدة.

3) امتزاز منتجات الاختزال الغازية.

تسمى هذه النظرية "الامتزاز-التحفيز الذاتي"، ويمكن تمثيل الآلية نفسها من خلال الرسم البياني التالي:

MeO(s) + B(الغاز) = MeO(s) × B(ads)،

MeO(s) × B(ads) = Me(s) × VO(ads)،

أنا (أنا) × VO (إعلانات) = أنا (أنا) × VO (غاز)

MeO(s) + B(gas) = Me(s) × VO(غاز).

يوجد أيضًا مخطط من مرحلتين يتكون من مرحلة تفكك الأكسيد مع تكوين الأكسجين الجزيئي ومرحلة الاتحاد مع عامل اختزال في الطور الغازي.

وفقا لنظرية الامتزاز والتحفيز الذاتي، فإن عملية الاختزال هي تحفيز ذاتي - يؤدي تكوين منتج التفاعل الصلب إلى تسريع عملية تكوينه. في هذه الحالة، يتطور امتصاص جزيئات الغاز المختزلة بشكل مختلف - اعتمادًا على البنية. في مرحلة معينة من التخفيض، لوحظ الحد الأقصى لخاصية التحفيز الذاتي، والذي يتوافق مع نظام التخفيض الحركي.

بشكل عام، تعتبر العملية الحركية لاختزال أكاسيد المعادن بالغازات غير متجانسة، وتتكون من المراحل التالية:

1) الانتشار الخارجي لعامل الاختزال من تدفق الغاز إلى سطح الأكسيد المخفض؛

2) الانتشار الداخلي لعامل الاختزال إلى جزء التفاعل من خلال المسام وعيوب الشبكة لطبقة المنتج الصلب لعامل الاختزال ؛

3) تفاعل كيميائي يتبعه تحول كيميائي بلوري لأكسيد المعدن إلى أكسيد أقل حتى المعدن ؛

4) إزالة منتجات الاختزال الغازية إلى مجرى الغاز بسبب الانتشار الداخلي والخارجي.

يمكن لأي من هذه المراحل، من حيث المبدأ، أن تكون محدودة، أي تحديد سرعة عملية الاسترداد. اعتمادًا على معدل الانتشار والتحول الكيميائي، من الممكن التخفيض التدريجي أو النطاقي، وهو ما يتوافق مع مبدأ التسلسل.

ويلاحظ وجود نوع تدريجي من العملية في النظام الحركي، ونوع المنطقة - في نظام الانتشار. عند معدلات الانتشار والتفاعل الكيميائي المماثلة، ستتم عملية الاختزال في الوضع المختلط أو الوضع الحركي للانتشار، وهو الأكثر تعقيدًا.

يتأثر معدل الاختزال بالغازات بعوامل مختلفة، أهمها ما يلي: حجم قطع مادة الأكسيد، ومسامية الخامات، ومعدل تدفق غاز الاختزال، وتكوين الغاز، والضغط، درجة حرارة.

تعد تفاعلات الاختزال المباشر لأكاسيد المعادن أكثر تعقيدًا مقارنة بالاختزال بالغازات.

يمكن تقييم اختزال الأكاسيد بواسطة الكربون الصلب عن طريق التفاعل

MeO(s) + C(s) = Me(s) + CO2.

إلا أن هذه المعادلة لا تعكس الآلية الفعلية للعملية التي تتم على عدة مراحل بمشاركة الغازات كنواتج وسيطة.

هناك العديد من المخططات لتقليل أكاسيد الكربون الحرارية

تم تطوير مخطط من مرحلتين وتمثيله بالمعادلات

MeO + CO = أنا + CO2

ج + ثاني أكسيد الكربون = 2CO

MeO + C = أنا + CO.

وفقا للمخطط أعلاه، يتم تقليل تفاعل أكسيد المعدن مع الكربون الصلب إلى الاختزال مع غاز ثاني أكسيد الكربون. وهذا يجعل من الممكن تطبيق نظرية الامتزاز التحفيزي لشرح عمليات الاختزال المباشر، ويتم تقليل دور الكربون الصلب إلى تجديد ثاني أكسيد الكربون من خلال تفاعل التغويز. حركيًا، وفقًا لهذا المخطط، من الممكن استعادة تلك المعادن التي يتم اختزالها بسهولة بواسطة الغازات (Fe، Ni، Cu، إلخ). ويرتبط الحد الأدنى لدرجة الحرارة للتفاعل وفقا لهذا المخطط بانخفاض معدل تفاعل تغويز الكربون عند درجات حرارة منخفضة، وغالبا ما تكون هذه المرحلة محدودة. ولذلك فإن العوامل الحاسمة لعملية الاختزال المباشر لأكاسيد المعادن هي العوامل التي تؤثر على معدل تفاعل التغويز - درجة الحرارة، ونشاط الكربون، ووجود المحفزات.

يوجد مخطط انفصالي يمكن بموجبه إجراء عملية تفكك الأكسيد يليها تفاعل الأكسجين مع الكربون حسب المخطط

أنا = أنا + 1/2O2

C + 1/2Og = CO

MeO + C = أنا + CO.

هذا المخطط مقبول للأكاسيد ذات مرونة التفكك العالية (Mn O2، Pb O2، Cu O، Co 3O4).

تم تطوير مخطط تسامي الأكسيد؛ وفقًا لهذه الفرضية، يمكن أن يحدث اختزال عدد من الأكاسيد من خلال تسامي (تسامي) الأكسيد يليه تكثيف (امتزاز) أبخرته على سطح الكربون:

MeO (سول) = MeO (غاز)

MeO (غاز) + C (s) = MeO (إعلانات) C (s)

MeO (الإعلانات) C (التلفزيون) = Me (التلفزيون) CO (الإعلانات)

أنا (تلفزيون) · أول أكسيد الكربون (الإعلانات) = أنا (تلفزيون) + ثاني أكسيد الكربون (الغاز)

MeO (s) + C (s) = Me (s) + CO (غاز).

يعد هذا المخطط نموذجيًا بالنسبة للأكاسيد المتطايرة (Mo O3، W O3، Cr 2O3) ويشرح اختزالها عند 630...870 كلفن، عندما يكون التفاعل وفقًا لمخططات أخرى مستحيلًا بسبب انخفاض معدلات تفاعل تغويز الكربون والتفكك الحراري للأكاسيد المتطايرة. الأكسيد، وبالنسبة للأكاسيد القوية (Al 2O3، Mg O، Zn O2)، فإن التسامي يكون مصحوبًا بتكوين أبخرة الأكسيد وأكاسيد غازية سفلية (Al 2O، Si O).

وفقا لنظام الحد من الاتصال، يحدث التفاعل عند نقاط الاتصال للمراحل الصلبة - أكسيد والكربون. بعد الاتصال المباشر، يتم تشكيل طبقة فصل للمنتج، ويحدث الانتعاش مع انتشار الكواشف من خلال هذه الطبقة.

تم شرح عدد من انتظامات الاختزال الكربوثيرمي في إطار مخطط كربيد الغاز: تأثير ثاني أكسيد الكربون على معدل العملية، ووجود الكربون في منتجات التكثيف في المناطق البعيدة عن الخليط المتفاعل، وتأثير تورم كريات الفحم الخام، التحفيز الذاتي.

وبالتالي، يمكن أن تتفاعل أكاسيد مختلفة مع الكربون وفقًا لمخططات مختلفة، في حين يمكن تحقيق أكاسيد أخرى في وقت واحد مع الآلية الرئيسية. وتختلف حصة كل آلية في عملية الاختزال حسب الظروف - درجة الحرارة والضغط ودرجة خلط الكواشف ودرجة الاختزال وعوامل أخرى.

5 . ذوبان المعادن

5.1. الخصائص العامة

تحدث العمليات المعدنية ذات درجة الحرارة العالية بمشاركة المراحل السائلة: المعدن، الأكسيد (الخبث)، كبريتيد (ماتي)، الملح. يعتمد التفاعل بين المراحل السائلة والمشاركة الإلزامية لمراحل الغاز على البنية (الهيكل) وخصائص المصهورات المعدنية.

ومع مراعاة طبيعتها وبنيتها تصنف جميع السوائل على النحو التالي:

1) مع الروابط الهيدروجينية (الماء والكحول والأحماض العضوية)؛

2) مع الروابط الجزيئية (البنزين، البارافين)؛

3) مع الروابط الأيونية (أكسيد وكبريتيد يذوب، المحاليل المائية وغيرها من الأملاح والقلويات والأحماض)؛

4) مع روابط معدنية (تفاعل الكاتيونات مع الإلكترونات الحرة).

تعتبر ذوبان الأكسيد والكبريتيد المشاركة في العمليات المعدنية سوائل متعددة المكونات ولها بنية معقدة. في الأملاح المنصهرة، والتي تصنف على أنها سوائل أيونية، يتم ملاحظة تفاعل قوي بين الجسيمات وتركيز عالٍ من الجزيئات لكل وحدة حجم. ذوبان المعادن الصناعية عبارة عن سوائل متعددة المكونات تحتوي على مكونات معدنية وفلزية.

عند الحصول على ذوبان المعدن بتركيبة معينة، فإنهم يسعون جاهدين لتقليل فقدان عناصر صناعة السبائك مع مرحلة الخبث والغاز. يتم تسهيل ذلك من خلال معرفة أنماط إعادة توزيع العناصر بين مراحل التلامس والقدرة على حساب النشاط الديناميكي الحراري للمكونات في ذوبان المعادن.

ولحل مثل هذه المشاكل لا بد من معرفة التركيب (البنية) للمصهورات وطبيعة القوى المؤثرة بين الوحدات البنائية للمصهور. لتقييم معدل العمليات التي تحدث في النظام، من الضروري معرفة عدد من الخواص الفيزيائية والكيميائية للمصهورات.

يُفهم هيكل أو هيكل الذوبان على أنه وصف كمي للموقع النسبي للجزيئات المكونة له في الفضاء. يرتبط هيكل الذوبان بالطبيعة الإلكترونية للجزيئات، وحجم قوى التفاعل بين الجزيئات وخصائصها الفيزيائية والكيميائية، والتي تسمى غالبًا بالخصائص الحساسة للبنية.

5.2. يذوب المعدن

تصنف المعادن السائلة النقية عادة على أنها ما يسمى بالسوائل البسيطة، وهي عبارة عن غازات خاملة مسالة مع قوى تفاعل فان دير فال. في المعادن السائلة، يتم الاتصال بين الجسيمات عن طريق الإلكترونات الجماعية؛ ويفسر وجودها التوصيل الكهربائي، والتوصيل الحراري، وكذلك اللزوجة والامتزاز، إلى جانب خصائص المعادن الأخرى.

عند درجات حرارة قريبة من درجة حرارة التبلور، يكون هيكل المعادن السائلة قريبًا من هيكل الأجسام البلورية الصلبة. يكمن هذا التشابه في إمكانية المقارنة بين طبيعة التفاعل بين الجسيمات والخصائص الديناميكية الحرارية. في الحالة السائلة، تكون الذرات (الأيونات) على مسافات متقاربة، ولكنها لا تشكل بنية منتظمة دورية بشكل صارم، أي ترتيب طويل المدى مميز للأجسام البلورية الصلبة.

إن إدخال عناصر الشوائب المختلفة (بما في ذلك عناصر السبائك) إلى المعدن يغير التركيب الإلكتروني للمصهورات، واعتماداً على طبيعة الشوائب فإن شكل وجودها في المصهور يختلف عن شكل وجود المذيب.

وهكذا، فإن عناصر مثل المنغنيز والكروم والنيكل والمعادن الأخرى التي تختلف قليلاً عن الحديد في البنية الإلكترونية لها قابلية ذوبان غير محدودة في الحديد السائل وقابلية ذوبان عالية في الحديد الصلب. وهي تشكل محاليل صلبة بديلة بالحديد، بينما تشغل بعض العقد في الشبكة البلورية.

عناصر مثل الكربون والنيتروجين والهيدروجين تشكل محاليل خلالية مع الحديد، وتقع في فجوات الشبكة البلورية الحديدية.

يذوب السيليكون والفوسفور بشكل غير محدود في الحديد السائل، ولكن في الحديد الصلب تكون قابلية ذوبانهما محدودة. في مصهور الحديد تشكل مجموعات منفصلة من ذرات الحديد مع السيليكون والفوسفور، مع غلبة الروابط التساهمية.

تعمل الشوائب الذائبة في الحديد السائل (أو أي مذيب آخر) على تغيير خصائص المعدن المنصهر وتؤثر على طبيعة عمليات صناعة الصلب. وتشمل هذه الخصائص اللزوجة وخصائص السطح والكثافة والتوصيل الكهربائي والتوصيل الحراري.

5.3. الخواص الديناميكية الحرارية لمصهورات المعادن.

خيارات التفاعل

تتميز المعادن المصهورة، والتي هي في الأساس محاليل، بتفاعل فيزيائي وكيميائي معقد بين الجزيئات التي تتكون منها. يتم تحديد موثوقية الوصف الديناميكي الحراري للأنظمة المعدنية من خلال درجة تطور نظرية ديناميكية حرارية معينة. علاوة على ذلك، وبحسب طبيعة بعض الافتراضات المعتمدة، تنقسم النظريات الإحصائية إلى نظريات صارمة (على سبيل المثال، ميكانيكا الكم)؛ نظريات مبنية على التجربة العددية؛ نظريات النموذج.

أصبحت الأخيرة منتشرة على نطاق واسع - هذه هي نظرية الحلول المثالية، ونظرية الحلول المخففة المثالية، ونظرية الحلول العادية وغيرها. أحد أسباب طرح مثل هذه النظريات هو عدم وجود نموذج ديناميكي حراري عام للحلول.

عند وصف الخواص الديناميكية الحرارية للمعادن المصهورة، غالبًا ما يتم استخدام طريقة معلمات التفاعل بين النماذج المستخدمة.

تستخدم هذه الطريقة لمراعاة تأثير جميع مكونات المحلول على نشاط المكون المعني (على سبيل المثال، المكون A هو المذيب، والمكونات B وC وD هي شوائب مضافة). يتم تحديد معلمات التفاعل كنتيجة لتوسع سلسلة تايلور للطاقة الحرة الزائدة بالنسبة للمكون B بالقرب من النقطة المقابلة للمذيب النقي:

https://pandia.ru/text/79/398/images/image083_4.gif" width = "39" height = "25"> وفقًا للكسور المولية لعناصر الشوائب تسمى معلمات التفاعل المولي من الدرجة الأولى، الثاني - الترتيب الثاني https:// /pandia.ru/text/79/398/images/image086_4.gif" width="28" height="28">.

وبأخذ ذلك في الاعتبار، يمكن كتابة التعبير (5.1) للحلول ذات القيم المنخفضة للمكونات الذائبة (B، C، D، ...) بالصيغة

أو للمكون الأول

. (5.2)

بالنسبة للحلول متعددة المكونات، عادة ما يتم أخذ محلول مخفف بنسبة 1٪ كحالة قياسية للمادة. في هذه الحالة، بدلا من (5.2) نكتب

أو بشكل عام (5.3)

هنا

5.4. يذوب الخبث. التركيب والهيكل والخصائص الديناميكية الحرارية

الخبث المعدني هو محلول متعدد المكونات (أكسيد بشكل أساسي) يتفاعل مع ذوبان المعدن والطور الغازي للوحدة المعدنية. قد يحتوي الخبث على كبريتيدات وفلوريدات وغيرها من الشوائب غير المعدنية. أثناء صهر المعادن، يؤدي الخبث أهم الوظائف التكنولوجية (على سبيل المثال، مثل حماية المعدن من الغلاف الجوي للوحدة؛ وامتصاص الشوائب الضارة من المعدن؛ والمشاركة في عمليات الأكسدة؛ وإزالة الأكسدة المعدنية من الانتشار).

يتم تحديد هيكل ذوبان الخبث من خلال طبيعة الوحدات الهيكلية وتوزيعها في الفضاء. أظهرت دراسة شاملة للخصائص الفيزيائية والكيميائية الأساسية لصهر الخبث - اللزوجة، والانتشار، والامتزاز، بما في ذلك بمساعدة دراسات حيود الأشعة السينية للخبث الصلب والسائل، أنه في الحالة المنصهرة، يتكون الخبث المنصهر من أيونات - الكاتيونات والأنيونات.

يؤثر تكوين الخبث بشكل كبير على خصائصه الرئيسية، ومن بينها الأساس الذي يجب تسليط الضوء عليه - نسبة تركيز الأكاسيد ذات الخصائص الأساسية الواضحة والأكاسيد ذات الخصائص الحمضية. علاوة على ذلك، اعتمادًا على التركيبة، يتم تقسيم الخبث إلى أساسي (يهيمن عليه الأكاسيد الأساسية - CaO، MgO، MnO، إلخ) والحمض (SiO 2، Al 2O 3، TiO 2).

يؤثر تكوين الخبث وبنيته على الخواص الفيزيائية والكيميائية: الكثافة، خصائص السطح، اللزوجة، الانتشار.

تعد الكثافة والحجم المولي من الخصائص الحساسة للبنية، وتستخدم هذه الخصائص لحساب الخواص الحركية للمواد المصهورة الأيونية. يتم تحديد تأثير التكوين من خلال تغيير رقم التنسيق ويتميز بتغيير الحجم الحر. يرتبط الاعتماد على درجة الحرارة بتغير المسافة بين الذرات بسبب زيادة سعة الاهتزازات الذرية.

عند تحليل خصائص السطح، وجد أنه بالنسبة لمعظم الأنظمة الثنائية، يتغير التوتر السطحي خطيًا مع التغيرات في التركيب.

من الخصائص المهمة الأخرى لصهر الخبث هي اللزوجة، والتي تتراوح في حدود 0.1...1.0 باسكال (بسبب وجود وحدات هيكلية كبيرة مثل مجمعات السيليكون والأكسجين)، وهي أعلى مقارنة بصهر المعادن.

ترتبط اللزوجة الديناميكية η والحركية ν بالعلاقة η = 1/ν.

يتم التعبير عن اعتماد اللزوجة على درجة الحرارة بالمعادلة

η = Ае(Еη/RT)،

حيث Eη هي طاقة التنشيط للتدفق اللزج.

تم وصف الخواص الديناميكية الحرارية لذوبان الخبث باستخدام نظريات مختلفة - جزيئية وأيونية، والتي تعتمد على نتائج دراسات التركيب المعدني للخبث المتبلور وتعميم البيانات التجريبية.

إن نسخة النظرية الجزيئية لبنية الخبث السائل، التي طورها جي. شينك، بسيطة وتستند إلى القول بأن جزيئات الأكاسيد الحرة (CaO، SiO 2، FeO ...) ومركباتها تعتبر وحدة هياكل الخبث.

من مجموعة متنوعة من مركبات الأكسيد، تم اختيار 5: 2FeO·SiO2، 3CaO·Fe3O4، 2MnO·SiO2، CaO·SiO2، 4CaO·P2O5. تصف هذه المركبات بشكل مرضي نطاقًا واسعًا من خواص الخبث، بما في ذلك توزيع العناصر بين المعدن والخبث بناءً على ثوابت التوازن لتفاعلات التفكك للمركبات المحددة.

ومع ذلك، فإن السمة الرئيسية وعيوب النظرية الجزيئية لصهر الخبث هي عدم مراعاة البنية الحقيقية لصهر الخبث. ومع ذلك، فإن المواد المتراكمة تسمح لنا بتقييم بعض الخصائص الديناميكية الحرارية - على سبيل المثال، نشاط مكونات الذكاء الاصطناعي.

تعتمد نظرية المحاليل الأيونية المثالية (المؤلف) على القول بأن محلول الخبث يتفكك تمامًا إلى أيونات (الكاتيونات والأنيونات)؛ الأيونات التي لها نفس العلامة متساوية في الطاقة؛ أقرب جيران كل أيون هم أيونات ذات إشارة معاكسة؛ يتم تشكيل الحل دون تغيير في الحجم. أثناء الحركة الحرارية، من الممكن إعادة الترتيب بين الأيونات التي لها نفس العلامة. يتم حساب نشاط مكونات هذا الذوبان على أنه حاصل ضرب الكسور الأيونية للكاتيونات والأنيونات.

على سبيل المثال، سيتم تحديد نشاط كبريتيد الكالسيوم CaS من خلال العلاقة

حيث xCa، xS هما الكسور الأيونية لكاتيون الكالسيوم وأنيونات الكبريت، على التوالي.

يمكن استخدام نظرية المحاليل الأيونية المثالية لتحديد نشاط المكونات في الخبث الأساسي للغاية، إلا أن زيادة نسبة SiO 2 و Al 2O 3 إلى 20% يعطي تناقضًا قويًا بين النظرية والتجربة، لذلك لا يتم استخدام هذه النظرية في حسابات التوازن العملي.

ومع ذلك، فإن الأحكام الساكنة الرئيسية لهذا النموذج قابلة للتطبيق في نظرية المحاليل الأيونية المنتظمة، المطورة والمختبرة.

ومن مميزات هذه النظرية الأحكام التالية: لا تعتبر إنتروبيا المحلول مثالية ويتم حسابها وفق نظرية المحاليل الأيونية المثالية؛ يتكون المحلول من أبسط الأيونات الذرية (الكاتيونات - أيونات المعادن Ca2+، Fe 2+، Al 3+، والأنيونات - الأيونات المعدنية O2–، F–، S 2–)؛ أقرب جيران الأيونات هي الأيونات ذات الإشارة المعاكسة؛ يتم تشكيل المحلول دون تغيير في الحجم، مع إطلاق أو امتصاص الحرارة.

عند حساب الإمكانات الكيميائية لمكونات المحلول - وكذلك عند تحديد نشاط المكونات؛ في هذه النظرية لا بد من الأخذ في الاعتبار طاقة خلط مكونات Qij، والتي تم العثور عليها بناء على نتائج الدراسات التجريبية لمحاليل المركبات التي تحتوي على الكاتيونات i و j. تتميز هذه النظرية بحقيقة أن العلاقة بين التركيب والوظائف الديناميكية الحرارية تم تأسيسها بشكل أكثر صرامة ومبررة، وبالتالي فإن دقة وموثوقية الحسابات أعلى.

في نظرية بلمرة ذوبان الخبث، من المقبول أن تكون المحاليل التي تشكل الأيونات غير متساوية طاقيًا، وتتشكل مجمعات مبلمرة تتشكل فيها طاقة الربط للمجمعات مع الوحدات الهيكلية الأخرى للمحلول.

وفقا لنظرية المحاليل كأطوار ذات نظام جماعي من الإلكترونات (تم وضع المبادئ الأساسية)، وليست مركبات كيميائية، بل يتم اختيار عناصر الجدول الدوري كأحد مكونات محلول الخبث، وبالتالي يتم تكوين المحلول معبراً عنها بالكسور الذرية. وفي هذه الحالة تشكل إلكترونات جميع ذرات المحلول نظامًا ميكانيكيًا كميًا واحدًا. يتم تحديد نشاط مركب Am Bn في محلول الخبث على النحو التالي:

حيث https://pandia.ru/text/79/398/images/image095_3.gif" width = "23" height = "25 src = "> - أنشطة العنصرين A و B.

يتم تحديد نشاط عنصر من النوع i من خلال الكسر الذري لهذا المكون وطاقة التفاعل مع المكون j. في هذه الحالة، يتم تحديد طاقة التفاعل Eij كـ

Еij =1/2(χ1/2 – χ1/2)2,

حيث χi و χj هي المعلمات الذرية للذرات i و j، ويتم تحديدها من قيم المحتوى الحراري القياسي لتشكيل المركبات المختلفة.

6. الغازات في الفولاذ. عمليات تشكيل النتريد

تتميز العمليات المعدنية ذات درجة الحرارة العالية بتفاعل ذوبان المعدن مع مرحلتي الخبث والغاز. إن اكتمال وسرعة تفاعل الغازات، خاصة مع المعادن السائلة، يحدد جودة المنتجات المعدنية.

إن انحلال الغازات ثنائية الذرة (الأكسجين والهيدروجين والنيتروجين) في المعدن السائل من نفس النوع، ويخضع لقانون أ. سيفرت (المعروف بقانون الجذر التربيعي) ويحدث حسب التفاعل

ثابت توازن التفاعل (6.1) له الشكل

، (6.2) حيث

يسمى تركيز غاز التوازن [G] في المعدن عند = 1 atm قابلية الذوبان ويساوي عدديًا ثابت توازن التفاعل (6.1) لنظام غاز معدني مكون من مكونين.

عند درجة حرارة 1600 درجة مئوية، تكون قابلية ذوبان الأكسجين المحددة في الحديد السائل 0.22%، للنيتروجين - 0.044%، للهيدروجين - 0.0026%.

إن عمليات ذوبان الغازات في معظم المعادن (الحديد والنيكل وما إلى ذلك) ماصة للحرارة، لذلك مع زيادة درجة الحرارة، تزداد قابلية ذوبان الغازات. الاستثناء هو ذوبان النيتروجين في -Fe، والذي يتناقص مع زيادة درجة الحرارة عند نقاط تحولات الطور للحديد من تعديل إلى آخر (-Fe -Fe، -Fe https://pandia.ru/text/79/398 /images/image102_2.gif " width="13" height="20 src=">-Fe ) وأثناء الذوبان (-Fe EN-US">Fe -l)، تتغير تركيزات الغازات المتوازنة في المحلول فجأة.

ووفقاً لـ (6.2)، فإن ذوبان الغازات يتأثر أيضاً بالضغط. ومع زيادة الضغط، ينزاح توازن التفاعل (6.1) نحو عدد أقل من مولات الغاز، أي إلى اليمين. تشير جدوى قانون سيفرت إلى مثالية الحل الناتج. وفي وجود مكونات أخرى مذابة في المعدن فإن تراكيز الغازات المتوازنة تصبح مختلفة. يمكن أخذ هذا التأثير في الاعتبار باستخدام معلمات تفاعل المكون مع الغاز المذاب.

في حال<0, происходит снижение коэффициента активности газа в расплаве и повышение его растворимости. Например, элементами, повышающими растворимость водорода в железе, являются титан, ниобий, ванадий. Снижению растворимости водорода в железе способствуют такие элементы, как углерод, алюминий , кремний (для них >0).

وبنفس التسلسل تقريبًا، تؤثر هذه المكونات على معامل نشاط النيتروجين وقابليته للذوبان.

يصاحب الانخفاض الشديد في ذوبان الهيدروجين والنيتروجين أثناء تبلور الحديد وسبائكه عدد من الظواهر غير المرغوب فيها. يتم عزل الهيدروجين في شكله الجزيئي في المناطق المعيبة (الأجزاء الدقيقة) من المعدن المتبلور. ومع انخفاض حجم هذه العيوب الدقيقة أثناء معالجة البلاستيك اللاحقة، فإنها تخلق ضغوطًا عالية، ونتيجة لذلك تنشأ ضغوط في المعدن، مما يؤدي إلى انخفاض الليونة، فضلاً عن انتهاك الاستمرارية.

يمكن تقييم تأثير عناصر صناعة السبائك على ذوبان النيتروجين في المصهورات المعتمدة على الحديد أو النيكل باستخدام العناصر المثبتة تجريبيًا.

عندما يتفاعل النيتروجين مع ذوبان مخدر مع عناصر تشكيل نيتريد، فمن الممكن تشكيل محلول Fe-R-N في حالة توازن مع الطور الغازي، ومع زيادة محتوى R، تزداد قابلية ذوبان النيتروجين.

في محتويات معينة من المكون R، يمكن أن ينفصل المركب الحراري، نيتريد RN، عن المصهور. تتمتع عناصر Iva من المجموعة الفرعية Ti وZr وHf بأكبر قدر من الألفة للنيتروجين، والتي تستخدم بشكل أساسي لربط النيتروجين في المعدن السائل.

تسبب الكربيدات المشتتة المنطلقة من المحلول انخفاضًا قويًا في ليونة المعدن وزيادة صلابته.

تنعكس خصوصيات تفاعل النيتروجين مع ذوبان المعادن في مخطط الطور Me-R-N، وهو جزء من القسم متساوي الحرارة والذي يظهر في المناطق الغنية بالمعادن في الشكل. 6.1.

يتم وصف الخطوط التي تحد من مناطق استقرار الطور بواسطة المعادلات المقابلة للديناميكا الحرارية المتوازنة.

كما يتبين من الرسم البياني، مع كميات صغيرة من عنصر تشكيل النتريد، هناك منطقة ثنائية الطور من الاستقرار للطور السائل مع النيتروجين الغازي. يمكن تحديد إحداثيات الخط AB الفاصل بين هذه المنطقة (I) ومنطقة استقرار الموائع (II) من خلال تحليل المعادلة:

عند أجهزة الصراف الآلي، يكون نشاط النيتروجين مساويًا لثابت توازن التفاعل (1). تركيز النيتروجين عند النقطة A يساوي ذوبانه في النظام الثنائي Me-N.

الشكل 6.1. مخطط قسم متساوي الحرارة لمخطط الحالة لنظام Me-R-N

في التين. يوضح الشكل 6.1 مناطق استقرار الطور التالية:

أنا - و + N2،

الثاني - و،

ثالثا – و + RN،

رابعا – و + ر + ن 2.

تقاطع متساوي درجة حرارة تكوين النتريد (BCD) والخط (AB) المقابل لقابلية ذوبان النيتروجين في ذوبان Fe-R-N عند عائلة الخط:Symbol">- [R] مثلث التركيز عند النقطة المقابلة لمركب RN ، وخط BE عند النقطة المقابلة للنيتروجين النقي عند أجهزة الصراف الآلي.

7. إزالة الأكسدة من ذوبان المعادن

أثناء فترة الأكسدة لصهر الفولاذ في وحدة صهر الفولاذ، يتم استهلاك الأكسجين الذي يدخل المعدن (من خبث الأكسدة المنفوخ في حمام المعدن بواسطة نفث الغاز) بشكل أساسي لأكسدة الشوائب (C، S، P، Si ) وبعض مكونات السبائك ولكن يبقى بعضها في المعدن المنصهر.

يتم تقدير قابلية ذوبان الأكسجين في الحديد تحت خبث الحديدوز النقي بناءً على التفاعل

(الحديدO) = +. (7.1)

وجد تشيبمان ذلك بالنسبة للتفاعل (7..gif" width='176 height=47' height='47">.

عند T = 1600 درجة مئوية (1873K) تكون قابلية ذوبان الأكسجين في الحديد 0.21%.

ومع ذلك، في ظروف الصهر الحقيقية، تحتوي خبث الفولاذ، بالإضافة إلى FeO، على العديد من الأكاسيد والشوائب الأخرى. ولذلك فإن محتوى الأكسجين في الفولاذ السائل لا يصل إلى حد الذوبان ويكون عند مستوى 0.06...0.08. في هذه الحالة، عندما يحتوي المعدن المنصهر على أكثر من 0.05...0.06% C، يتم تحديد محتوى الأكسجين في المعدن من خلال تطور تفاعل أكسدة الكربون

+ = (كو ). (7.2)

عندما يصل ذوبان المعدن إلى حالة التوازن عند T = 1873 K، يجب تلبية العلاقة · = 0.0025، ومع ذلك، في الظروف الحقيقية لصهر الفولاذ في الوحدات الصناعية، لا يصل تفاعل أكسدة الكربون إلى التوازن - على وجه الخصوص، بسبب الظروف اللازمة لتكوين فقاعات ثاني أكسيد الكربون. في هذا الصدد، أثناء ذوبان الفولاذ تحت الخبث المؤكسد، يكون محتوى الأكسجين في المعدن أعلى من التوازن ويقترب منه بمحتوى كربون أقل من 0.15٪. في التين. يوضح الشكل 7.1 اعتماد محتوى الأكسجين في المعدن المصهور على محتوى الكربون.

أرز. 7.1 التغير في محتوى الأكسجين في ذوبان الحديد والكربون: 1 - منحنى التوازن؛ 2- مساحة التركيزات الفعلية لصهر الفولاذ

تقع تركيزات الأكسجين الفعلية في الفولاذ لجميع أنواع العمليات في منطقة واحدة. يشير هذا إلى أنه عند > 0.05...0.06، يكون لتفاعل أكسدة الكربون تأثير حاسم على محتوى الأكسجين في الفولاذ. في< 0,05…0,06 содержание кислорода в металле соответствует равновесному с углеродом и бывает ниже его. Следовательно, равновесное со шлаком содержание кислорода в Me достигает величин, соответствующих равновесию с углеродом или даже меньше их.

التفاعل (7.2) طارد للحرارة، وبالتالي، عند تبريد وتبلور المعدن المنصهر، تنخفض قيمة · عند P=const؛ وتبين أن تركيزات الأكسجين الزائدة أكبر، مما يؤدي إلى تكوين فقاعات غازية، وتقليل كثافة السبيكة، وإطلاق شوائب أكاسيد الحديد ومحاليلها مع الكبريتيدات على طول حدود حبيبات المعدن المتبلور. تضفي هذه الأوكسيسولفيدات هشاشة حمراء على المعدن بسبب نقاط انصهارها المنخفضة.

إن فصل العناصر، وخاصة الأكسجين، له أيضًا تأثير قوي: أثناء التبلور، يكون محتواه في المحلول الأولي في مقدمة البلورات المتنامية أعلى بكثير من متوسط حجم المعدن السائل، مما يسبب أكسدة شديدة للكربون.

وفي هذا الصدد، فإن إحدى المهام الرئيسية لفترة الصهر النهائية هي إزالة الأكسجين الزائد من المرحلة السائلة، والذي يتم تحقيقه من خلال إزالة الأكسدة من المعدن المصهور.

تُفهم عملية إزالة الأكسدة على أنها مجموعة من العمليات لتقليل محتوى الأكسجين في الفولاذ السائل.

المهام الرئيسية لإزالة الأكسدة هي:

- تقليل محتوى الأكسجين في الحديد السائل عن طريق إضافة عناصر ذات ألفة أكبر للأكسجين من الحديد إلى مستوى يضمن إنتاج معدن كثيف؛

– تهيئة الظروف لإزالة أكثر اكتمالا لمنتجات إزالة الأكسدة من الفولاذ السائل.

إذا تم النظر في المشكلة الأولى باستخدام قوانين الديناميكا الحرارية الكيميائية، فسيتم حل المشكلة الثانية باستخدام جهاز الحركية الكيميائية.

يتيح المنهج الديناميكي الحراري التعرف على العلاقة بين محتوى الأكسجين في الفولاذ السائل ومحتوى عنصر إزالة الأكسدة R، وتحديد درجة تأثير درجة الحرارة على طبيعة هذه العلاقة، وكذلك حساب الحد الأدنى لمحتوى الأكسجين في الفولاذ السائل. يذوب المعدن عند إزالة الأكسدة بواسطة العنصر R.

الطريقة الأكثر شيوعًا لإزالة الأكسدة هي طريقة الترسيب أو الطريقة العميقة، والتي بموجبها يتم إدخال العناصر ذات الألفة الأعلى للأكسجين (Si، Al، Ca) أكثر من الحديد في عمق المعدن. تربط هذه العناصر الأكسجين في شوائب غير معدنية متينة (عادةً أكاسيد)، وتكون قابلية ذوبانه في الحديد أقل بعدة مراتب من قابلية ذوبان FeO. يتم فصل هذه الشوائب إلى مرحلة منفصلة على شكل تعليق ناعم، والذي، ذو كثافة أقل مقارنة بالفولاذ، يطفو جزئيًا في الخبث، ويبقى جزئيًا في المعدن المتبلور على شكل شوائب غير معدنية، مما يؤدي إلى تدهورها جودة.

يمكن وصف عملية إزالة الأكسدة المترسبة (العميقة) من خلال تفاعل النموذج

. (7.3)

في ظل هذه الحالة، فإن ثابت التوازن لهذا التفاعل سوف يأخذ الشكل

(7.4)

حيث ai هو نشاط المكون i في الذوبان.

لحساب أنشطة مكونات الذوبان، عادة ما يتم أخذ محلول مخفف بنسبة 1٪ كحالة قياسية.

يتم تحقيق إزالة الأكسدة الانتشارية عند تحقيق التوازن في التفاعل

(الحديدO) = +[O]

تعتمد الطريقة على فكرة السعي إلى توزيع متوازن للمادة بين المراحل السائلة غير القابلة للامتزاج – أنا والخبث. وفي هذه الحالة تتحقق العلاقة

(7.5)

عندما ينخفض نشاط أكاسيد الحديد في الخبث، ينتشر الأكسجين في المعدن إلى حدود الطور ويمر إلى الخبث على شكل أزواج من أيونات Fe 2+ وO 2–.

ميزة هذه الطريقة هي عدم وجود أي منتجات تفاعل في المعدن بعد إزالة الأكسجين.

يتم تنفيذ هذه الطريقة في الألواح الخشبية التي تحتوي على كمية صغيرة من الخبث ومحتوى منخفض من الأكسجين في الطور الغازي. في وحدات صناعة الصلب الأخرى، لا يتم استخدام إزالة الأكسدة بالانتشار اليوم بسبب انخفاض سرعة العملية.

في أغلب الأحيان، يتم استخدام إزالة الأكسدة بالانتشار كعملية مصاحبة عند معالجة الفولاذ السائل في مغرفة مع خبث الألومينا الجيري الاصطناعي مع محتوى منخفض FeO (أقل من 1٪). عندما يتم سحق المعدن إلى قطرات صغيرة، يزداد سطح التلامس مع الخبث المعدني آلاف المرات، كما أن وجود تيارات الحمل الحراري لا يؤدي إلى تسريع عملية إزالة الأكسدة فحسب، بل أيضًا إزالة الكبريت من الفولاذ.

طريقة أخرى لإزالة الأكسدة هي إزالة الأكسدة الفراغية، والتي تعتمد على تفاعل إزالة الكربون C (7.2).

يؤدي انخفاض الضغط إلى تغيير توازن هذا التفاعل في الاتجاه الأمامي. ميزة هذه الطريقة هي عدم وجود منتجات إزالة الأكسدة في المعدن. يتم تطبيق هذه الطريقة أثناء معالجة الفولاذ خارج الفرن.

هناك عملية إزالة أكسدة معقدة تعتمد على استخدام مزيلات الأكسدة المعقدة - سبائك مكونة من مكونين أو أكثر (سيليكو كالسيوم، سيليكومنجنيز، إلخ). يتم تحديد مزايا استخدام مزيلات الأكسدة هذه مسبقًا من خلال التحسن الكبير في الظروف الديناميكية الحرارية لإزالة الأكسدة والظروف الحركية الأكثر ملاءمة للتنوي وتوسيع وإزالة الشوائب غير المعدنية.

وبالتالي، فإن إضافة Mn إلى Fe أثناء إزالة الأكسدة بواسطة السيليكون يؤدي إلى زيادة قدرة إزالة الأكسدة للأخير.

يتم تفسير تأثير زيادة قدرة إزالة الأكسدة تحت تأثير المكون الثاني من خلال انخفاض النشاط الديناميكي الحراري للأكسيد الناتج في منتجات إزالة الأكسدة المعقدة، والتي تختلف بشكل كبير عن المنتجات ذات إزالة الأكسدة المنفصلة.

تُفهم قدرة إزالة الأكسدة لعنصر ما على أنها التركيز المتوازن للأكسجين المذاب في الحديد (المعدن)، والذي يتوافق عند درجة حرارة معينة مع محتوى معين من هذا العنصر. من الواضح أنه كلما انخفض هذا التركيز لمحتوى معين من مزيل الأكسدة، زادت قدرة العنصر على إزالة الأكسدة.

M/n lg [R] - m/n lg fr - lg fO. (7.9)

وبمساواة الطرف الأيمن من المعادلة (7.10) بالصفر وحلها من أجل R، نجد تركيز مزيل الأكسدة R المطابق للحد الأدنى من محتوى الأكسجين في المعدن؛ وفي هذه الحالة يتم إيجاد قيم معاملات نشاط المكونات من العلاقات (7.7) و (7.8):

(7.11)

(7.12)

باستبدال القيمة [R] من العلاقة (7.12) في المعادلة (7.9)، نحدد الحد الأدنى لتركيز الأكسجين في المعدن المصهور منزوع الأكسدة بواسطة العنصر R:

(7.13)

في التين. يوضح الجدول 7.2 قدرات إزالة الأكسدة لبعض العناصر في الحديد السائل عند T = 1600 درجة مئوية.

يعتمد محتوى الأكسجين بشكل معقد على. عند التركيزات المنخفضة من مزيل الأكسدة، مع زيادة R، ينخفض محتوى الأكسجين. تؤدي الزيادة الإضافية إلى زيادة تركيز الأكسجين في المعدن. ومع ذلك، مع زيادة محتوى الأكسجين الناجم عن انخفاض معامل النشاط، ينخفض نشاط الأكسجين، وهو ما تؤكده البيانات التجريبية. تتكسر منحنيات محتوى الأكسجين في الحديد السائل في الشكل. 7.1 هي نتيجة لتكوين منتجات إزالة الأكسدة المختلفة عندما يتغير محتوى مزيل الأكسدة.

يمكن أن يحدث نواة منتجات إزالة الأكسدة في مرحلة متجانسة (ما يسمى بالتنوي التلقائي) أو على الأسطح النهائية (أسطح الجدران المجمعة، والخبث، والشوائب المعلقة، وأفلام الأكسيد على مزيلات الأكسدة).

في جميع الحالات، يحدث نواة المراحل الجديدة نتيجة للتقلبات - تراكم عشوائي للجزيئات (الذرات والأيونات) التي تختلف في تكوينها عن المحتوى المتوسط في المعدن. يمكن أن تختفي هذه التقلبات، اعتمادًا على حجمها وظروفها الخارجية، أو بعد التغلب على حاجز طاقة معين، تتطور وتتطور إلى شوائب.

أرز. 7.2 قدرة إزالة الأكسدة للعناصر في الحديد السائل عند T = 1600 درجة مئوية

لقد تم التأكيد تجريبيًا على أنه في النظام المتجانس، عندما تتشكل نوى مرحلة جديدة، فإن تلك التي لها تقارب متزايد للأكسجين وتسبب أكبر توتر سطحي عند السطح البيني بين "المعدن ونواة الطور الجديد" تمر فيها في البداية . مع النمو اللاحق للادراج، يتناقص تركيز المكونات النشطة المشاركة في تكوين مرحلة جديدة. إن مكونات الذوبان التي تساعد على تقليل النشاط الديناميكي الحراري للأكاسيد المنفصلة في التقلبات تسهل تكوين النوى، وتلك التي تساعد على تقليل نشاط مزيل الأكسدة والأكسجين في المعدن تجعل فصلها أكثر صعوبة.

في حالة نواة الشوائب على الأسطح الغازية، بالإضافة إلى تلك المذكورة أعلاه بالنسبة للمراحل المتجانسة، يكون تأثير ترطيب السطح مع مرحلة الفصل كبيرًا. كلما كانت زاوية التلامس أصغر، كلما أصبحت التقلبات نواة أصغر. يتم تسهيل تكوين النوى من خلال الفصل التفضيلي للمواد التي تكون نشطة في الشعيرات الدموية في واجهة الطور.

في حالة وجود انحراف كبير عن حالة التوازن، فإن النواة المتجانسة تكون حاسمة. مع انخفاض التشبع الفائق لمكون معين، يزداد دور الأسطح النهائية كمراكز النواة. يكون تأثير الأسطح النهائية، خاصة عند فصل الشوائب الصلبة، أكثر فعالية كلما كان الاتجاه والمراسلات الأبعادية لبلورات الشوائب المنفصلة والركيزة الموجودة أقرب.

تصبح الشوائب المنواة (حجمها الأولي حوالي 1 نانومتر) أكبر نتيجة لتخثر (اتحاد) الجزيئات عند الاصطدام وإطلاق المادة من المعدن المنصهر على هذه الجزيئات بسبب فرط تشبع المحلول. يتأثر معدل التخثر بتكرار وكفاءة تصادمات الجسيمات التي تحدث بسبب الحركة البراونية وكذلك بسبب اختلاف سرعات الحركة والتي تنتج عن عدم تساوي أحجام الجسيمات وكثافاتها ووجود تيارات الحمل الحراري.

تضمن تيارات الحمل الحراري توصيل منتجات إزالة الأكسدة من أعماق المعدن إلى واجهة الخبث المعدني. يتم تحديد حركة التضمين عند حدود الخبث المعدني من خلال اتجاه وحجم محصلة سلسلة من القوى: الطفو (الأرخميدي) F A ، الناتج عن الاختلاف في كثافات المعدن والخبث والموجه عموديًا إلى الأعلى؛ غطاء F الشعري، الناجم عن تدرج تركيز المواد الشعرية النشطة والموجه نحو تركيزها الأعلى؛ بالقصور الذاتي - الطرد المركزي F C، الناجم عن انحناء المسار وتوجيهه إلى عمق المعدن، لأن كثافة الشوائب أقل من كثافة الفولاذ، وقوة القصور الذاتي F واتجاهها يعتمد على اتجاه حركة الجسيمات: بالنسبة للشوائب العائمة بحرية، يتم توجيهها عموديًا إلى الأعلى، وبالنسبة لتلك التي يتم نقلها عن طريق التدفقات - تتزامن مع اتجاه التدفق.

اعتمادًا على حجم وشكل الشوائب، وإزالة الأكسدة من المعدن والخبث، والديناميكا المائية للتدفقات، يختلف تأثير كل من هذه القوى على السرعة التي يقترب بها الجسيم من سطح الخبث. تقترب الادراج الكبيرة من الحدود بشكل رئيسي تحت تأثير قوى الطفو، والأصغر - تحت تأثير القوى الشعرية، خاصة مع التدرج الكبير لتركيز الأكسجين.

ومع انخفاض المساحة السطحية التي تعمل عليها هذه القوى، يزداد الضغط وتخترق الطبقة المعدنية بشكل أسرع. من الأسهل التغلب على هذه المقاومة من خلال الشوائب الصلبة ذات الشكل غير المنتظم ذات الحواف الحادة، والأكثر صعوبة مع الشوائب المسطحة.

وبالتالي، كلما تمت إزالة الأكسدة من الفولاذ بشكل كامل وإزالة الشوائب منه، زادت جودة المعدن النهائي.

8. توزيع العناصر بين المعدن والخبث

يعتمد توزيع عناصر الشوائب من المعدن السائل أو أي معدن (عنصر) بين مرحلتي المعدن والخبث على الألفة الكيميائية للعناصر للأكسجين، وتركيبة الخبث، وتفاعل العناصر مع بعضها البعض في المعدن والخبث ، ودرجة الحرارة.

يرتبط تأثير التركيب الكيميائي للخبث بالخصائص الكيميائية للأكسيد المتكون أثناء أكسدة عنصر الشوائب.

يتجلى تأثير درجة الحرارة اعتمادًا على علامة التأثير الحراري لتفاعل أكسدة الشوائب وانتقال الأكسيد إلى خبث والذي عادة ما يكون موجبًا (ΔН< 0).

يمكن وصف توزيع العناصر التي تحدث نتيجة التفاعل الكيميائي بين المعدن والخبث باستخدام معامل توزيع المادة Li.

يمكن أن يكون هذا المؤشر، في ظل ظروف معينة، خاصية كمية لتوزيع الشوائب بسبب تفاعل مؤكسد مع تغير في الحالة الإلكترونية لهذه الشوائب أثناء الانتقال من مرحلة إلى أخرى.

يمكن التعبير عن مؤشر توزيع التوازن من ثابت التوازن لتفاعل أكسدة العنصر، والذي يحدث، على سبيل المثال، أثناء تفاعل مراحل التلامس بين ذوبان المعدن والخبث:

X [E] + y (FeO) = (Ex O y) + y; (8.1)

. (8.2)

ومع مراعاة (8.2) يتم التعبير عن معامل توزيع العنصر [E] على النحو التالي:

. (8.3)

يتيح لنا تحليل المعادلة (8.3) تحديد شروط انتقال العناصر من مرحلة إلى أخرى: من المعدن إلى الخبث أو العكس. فيما يلي أمثلة لتوزيع بعض العناصر بين المعدن والخبث.

بالنسبة للسيليكون، سيتم التعبير عن توازن تفاعل التوزيع السطحي كـ

2(FeO) = (SiO 2 ) + 2; (8.4)

. (8.5)

شروط الحد الأقصى لانتقال السيليكون من المعدن إلى الخبث المنصهر ستكون كما يلي:

1) خفض درجة الحرارة، مما يسمح بزيادة قيمة KSi، لأنه بالنسبة لتفاعل كيميائي معين ΔH< 0;

2) زيادة نشاط (FeO) في الخبث وأكسدة المعادن [%O]؛

3) انخفاض في معامل نشاط الجزيئات التي تحتوي على Si في الخبث؛

4) زيادة نشاط Si في المعدن المنصهر.

يتم استيفاء الشرطين 2 و 3 عند قاعدة معينة للخبث: زيادة في نسبة CaO تقلل من معامل نشاط الجسيمات المحتوية على Si بسبب تجمعاتها مع أيونات Ca 2+.

يتمتع السيليكون بقابلية عالية للأكسجين، لأنه EN-US"> 2[P] + 5(FeO) + 4(CaO) = (4(CaO) (P 2 O 5 )) + 5; (8.6)

(8.7)

يتناقص نشاط الجسيمات المحتوية على الفوسفور في الخبث مع زيادة محتوى CaO، والذي يرتبط بتكوين مجموعات مثل 4CaO · P 2O 5. ومن التحليل (8.6) و (8.7) يترتب على ذلك نقل أكثر اكتمالاً للفسفور من من المعدن إلى الخبث، من الضروري زيادة EN -US">FeO، وكذلك CaO. وفي هذه الحالة، يظهر التأثير الأكبر لإحدى هذه الكميات عند زيادة قيم الأخرى.

شروط الحد الأقصى لنقل الفوسفور من المعدن إلى الخبث هي:

1) زيادة نشاط FeO (Fe 2+ وO2- أيونات) في الخبث، مما يجعل من الممكن الحصول على شكل مؤكسد من الفوسفور (P 2O 5)؛

2) زيادة محتوى CaO وقاعدية الخبث، مما يجعل من الممكن تقليل نشاط الجزيئات الموجودة في ذوبان الأكسيد المحتوي على الفوسفور؛

3) خفض درجة الحرارة: يجب أن يؤخذ هذا العامل في الاعتبار، مع تساوي جميع الأشياء الأخرى، حيث أن زيادة درجة الحرارة في عمليات الأكسدة الحديثة لا تقلل من إمكانية إزالة الفسفور عند الحصول على المزيد من الخبث الأساسي قبل الفسفرة؛

4) وجود العناصر التي لها معاملات تفاعل إيجابية مع الفوسفور (الكربون والسيليكون والأكسجين) في المعدن المنصهر.

القائمة الببليوغرافية

1. نظرية العمليات المعدنية: كتاب مدرسي للجامعات / إلخ. - م: علم المعادن 1989. - 392 ص.

2. Popel والعمليات المعدنية: كتاب مدرسي للجامعات /،. – م: علم المعادن، 1986. – 463 ص.

3. باديرين، وحسابات النظم والعمليات المعدنية: كتاب مدرسي للجامعات /،. – م: ميسيس، 2002. – 334 ص.

4. غريغوريان، أساسيات عمليات صناعة الصلب الكهربائية: كتاب مدرسي للجامعات /،. – م: علم المعادن، 1989. – 288 ص.

5. كازاتشكوف، حول نظرية العمليات المعدنية: كتاب مدرسي للجامعات /. – م: علم المعادن، 1988. – 288 ص.

مقدمة …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 3
1. تكوين وخصائص الغلاف الجوي الغازي ذو درجة الحرارة العالية

1.1. الديناميكا الحرارية للأجواء الغازية ........................................... 3
1.2. عمليات الغازات المتجانسة ……………………………….. 7
2. تحليل عمليات احتراق الكربون الصلب ……………………………… 9
3. تقييم قوة المركبات الكيميائية ………………………………….. 11
3.1. تفكك الكربونات …………………………………………….. 12
3.2. تفكك أكاسيد الحديد ........................................... 13
3.3. آلية وحركية عمليات التفكك ........................... 15
3.4. أكسدة المعادن الصلبة ……………………………………………………………………………………… 18
4. عمليات استعادة المعادن

4.1. الخصائص الديناميكية الحرارية لعمليات الاختزال ........... 21
4.2. اختزال أكاسيد الحديد بالحالة الصلبة والغازية

عوامل الاختزال …………………………………………….. 21
4.3. آلية وحركية عمليات الاسترداد ........................... 23
5. يذوب المعادن

5.1. الخصائص العامة ……………………………………….. 26
5.2. يذوب المعدن. ……………………………………………………………………………. 27
5.3. الخواص الديناميكية الحرارية لمصهورات المعادن. خيارات

التفاعلات ………………………………………………………………………………………………………………… 28
5.4. يذوب الخبث. التركيب والهيكل والخصائص الديناميكية الحرارية...29
6. الغازات في الفولاذ. عمليات تكوين النتريد …………………………… 31
7. إزالة الأكسدة من ذوبان المعادن ……………………………. 34
8. توزيع العناصر بين المعدن والخبث ……………………… 40
قائمة المراجع …………………………………………………………………………………………… 43

لتضييق نطاق نتائج البحث، يمكنك تحسين الاستعلام الخاص بك عن طريق تحديد الحقول التي تريد البحث عنها. قائمة الحقول معروضة أعلاه. على سبيل المثال:

يمكنك البحث في عدة مجالات في نفس الوقت:

العوامل المنطقية

المشغل الافتراضي هو و.
المشغل أو العامل ويعني أن المستند يجب أن يتطابق مع جميع العناصر الموجودة في المجموعة:

البحث و التنمية

المشغل أو العامل أويعني أن المستند يجب أن يتطابق مع إحدى القيم الموجودة في المجموعة:

يذاكر أوتطوير

المشغل أو العامل لايستبعد المستندات التي تحتوي على هذا العنصر:

يذاكر لاتطوير

نوع البحث

عند كتابة استعلام، يمكنك تحديد الطريقة التي سيتم بها البحث عن العبارة. يتم دعم أربع طرق: البحث مع مراعاة الصرف، بدون الصرف، البحث عن البادئة، البحث عن العبارة.
بشكل افتراضي، يتم إجراء البحث مع الأخذ في الاعتبار التشكل.
للبحث بدون صرف ما عليك سوى وضع علامة "الدولار" أمام الكلمات في العبارة:

$ يذاكر $ تطوير

للبحث عن بادئة، عليك وضع علامة النجمة بعد الاستعلام:

يذاكر *

للبحث عن عبارة، يجب عليك وضع الاستعلام بين علامتي اقتباس مزدوجتين:

" البحث والتطوير "

البحث عن طريق المرادفات

لتضمين مرادفات كلمة ما في نتائج البحث، يجب عليك وضع علامة تجزئة " # "قبل الكلمة أو قبل التعبير الموجود بين قوسين.
عند تطبيقها على كلمة واحدة، سيتم العثور على ما يصل إلى ثلاثة مرادفات لها.
عند تطبيقه على التعبير بين قوسين، سيتم إضافة مرادف لكل كلمة إذا تم العثور على واحد.
غير متوافق مع البحث الخالي من الصرف، أو البحث عن البادئات، أو البحث عن العبارة.

# يذاكر

التجميع

لتجميع عبارات البحث، عليك استخدام الأقواس. يتيح لك ذلك التحكم في المنطق المنطقي للطلب.
على سبيل المثال، تحتاج إلى تقديم طلب: ابحث عن المستندات التي مؤلفها هو إيفانوف أو بيتروف، ويحتوي العنوان على الكلمات بحث أو تطوير:

البحث عن كلمة تقريبية

لإجراء بحث تقريبي، يلزمك وضع علامة التلدة " ~ " في نهاية الكلمة من العبارة. على سبيل المثال:

البروم ~

عند البحث، سيتم العثور على كلمات مثل "البروم"، "الروم"، "الصناعي"، وما إلى ذلك.
يمكنك أيضًا تحديد الحد الأقصى لعدد التعديلات الممكنة: 0 أو 1 أو 2. على سبيل المثال:

البروم ~1

بشكل افتراضي، يُسمح بتعديلين.

معيار القرب

للبحث حسب معيار القرب، تحتاج إلى وضع علامة التلدة " ~ " في نهاية العبارة. على سبيل المثال، للعثور على مستندات تحتوي على الكلمات "بحث وتطوير" ضمن كلمتين، استخدم الاستعلام التالي:

" البحث و التنمية "~2

أهمية التعبيرات

لتغيير مدى ملاءمة التعبيرات الفردية في البحث، استخدم العلامة " ^ " في نهاية التعبير، يليه مستوى ملاءمة هذا التعبير بالنسبة للآخرين.
كلما ارتفع المستوى، كلما كان التعبير أكثر صلة.
على سبيل المثال، في هذا التعبير، كلمة "البحث" أكثر صلة بأربع مرات من كلمة "التنمية":

يذاكر ^4 تطوير

بشكل افتراضي، المستوى هو 1. القيم الصالحة هي رقم حقيقي موجب.

البحث ضمن فترة زمنية

للإشارة إلى الفاصل الزمني الذي يجب أن توجد فيه قيمة الحقل، يجب الإشارة إلى قيم الحدود بين قوسين، مفصولة بعامل التشغيل ل.
سيتم إجراء الفرز المعجمي.

سيعرض مثل هذا الاستعلام نتائج مع مؤلف يبدأ من إيفانوف وينتهي ببيتروف، ولكن لن يتم تضمين إيفانوف وبيتروف في النتيجة.
لتضمين قيمة في نطاق، استخدم الأقواس المربعة. لاستبعاد قيمة، استخدم الأقواس المتعرجة.

من إعداد قسم “نظرية العمليات المعدنية”

مقدمة

1 تنظيم العمل في ورشة عمل معملية حول نظرية العمليات المعدنية

1.1 التحضير للعمل المختبري

1.2 توصيات لمعالجة نتائج القياس وإعداد التقارير

1.3.1 الرسوم البيانية

1.3.2 تجانس البيانات التجريبية

1.3.5 التمايز العددي لدالة محددة بمجموعة من النقاط المنفصلة

تقريب بعض مجموعة البيانات

1.3.7 عرض النتائج

2 وصف العمل المختبري

2.1 دراسة حركية أكسدة الحديد عند درجات الحرارة المرتفعة (العمل رقم 13)

2.1.1 الأنماط العامة لأكسدة الحديد

2.1.2 وصف التثبيت وإجراءات إجراء التجارب

2.1.3 معالجة وعرض نتائج القياس

إجراءات معالجة نتائج العمل

أسئلة التحكم

2.2 دراسة الاعتماد على درجة الحرارة للتوصيل الكهربائي المحدد لمصهورات الأكسيد (العمل رقم 14)

2.2.1 معلومات عامة عن طبيعة التوصيل الكهربائي للخبث

2.2.2 وصف إجراء التثبيت والقياس

2.2.3 أمر العمل

أ. التشغيل باستخدام نظام القياس في الوقت الحقيقي

2.2.4 معالجة وعرض نتائج القياس

أسئلة التحكم

2.3 دراسة حركية إزالة الكبريت من المعدن بالخبث على نموذج محاكاة (عمل رقم 15)

2.3.1 معلومات عامة عن حركية إزالة الكبريت من المعدن بواسطة الخبث

2.3.2 النموذج الرياضي للعملية

2.3.3 إجراءات العمل

2.3.4 معالجة وعرض نتائج القياس

إجراءات معالجة النتائج

أسئلة التحكم

2.4 الدراسة الحرارية لعمليات تفكك الكربونات الطبيعية (العمل رقم 16)

2.4.1 الأنماط العامة لتفكك الكربونات

2.4.2 مخطط التثبيت وإجراءات العمل

2.4.3 معالجة وعرض نتائج القياس

إجراءات معالجة النتائج

أسئلة التحكم

2.5 دراسة الاعتماد على درجة حرارة لزوجة ذوبان الأكسيد (العمل رقم 17)

2.5.1 طبيعة المقاومة اللزجة لمصهورات الأكسيد

2.5.2 وصف التثبيت وإجراءات قياس اللزوجة

2.5.3 إجراءات العمل

2.5.4 معالجة وعرض نتائج القياس

إجراءات معالجة النتائج

(العمل رقم 18)

2.6.1 المبادئ العامة للتفاعل الكهروكيميائي بين المعدن والخبث

2.6.2 نموذج العملية

2.6.3 إجراءات العمل

أسئلة التحكم

فهرس

الوكالة الفيدرالية للتعليم

جامعة ولاية جنوب الأورال

دار النشر جامعة جنوب الأورال

في هذه الحالة، يجب أن يكون تكوين نواة مرحلة جديدة في أعماق المرحلة القديمة مصحوبًا بانخفاض في طاقة جيبس ​​للنظام، محسوبة باستخدام المعادلة

العوامل المنطقية

نوع البحث

البحث عن طريق المرادفات

التجميع

البحث عن كلمة تقريبية

معيار القرب

أهمية التعبيرات

البحث ضمن فترة زمنية

اقرأ أيضا

في هذه الحالة، يجب أن يكون تكوين نواة مرحلة جديدة في أعماق المرحلة القديمة مصحوبًا بانخفاض في طاقة جيبس للنظام، محسوبة باستخدام المعادلة