Lý thuyết các quá trình luyện kim

375 2.5K 48
Lý thuyết các quá trình luyện kim

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

Lý thuyết các quá trình luyện kim phát triển học thuyết về nhiệt động học, động học của các quá trình, lý thuyết dung dịch, các hiện tượng bề mặt, lý thuyết cấu tạo chất.

GS.TSKH Bùi Văn Mu (Chủ biên)PGS.TS Nguyễn Văn Hiền. PGS.TS Nguyễn Kế Bính. PGS.TS Trơng Ngọc ThậnLý thuyết các quá trìnhluyện kimHà Nội, 9 - 2006 Nhà xuất bản khoa học kỹ thuậtLời nói đầu thuyết các quá trình luyện kim phát triển học thuyết về nhiệt động học, động học của các quá trình, thuyết dung dịch, các hiện tợng bề mặt, thuyết cấu tạo chất. Các giả thuyết kinh điển về thuyết cân bằng, ảnh hởng của nhiệt độ, nồng độ . đều đợc mô tả gắn liền với các phản ứng luyện kim cụ thể cuả sự cháy, sự khử cacbon, oxi, lu huỳnh, phôtpho, của sự hoà tan các khí trong kim loại và gắn liền với các quá trình khử khí, khử tạp chất phi kim.Giáo trình này bao gồm ngoài những phần truyền thống nh thuyết cháy, sự tạo thành và phân ly các hợp chất kim loại, thuyết về hoàn nguyên và oxi hoá, còn có những học thuyết hiện đại về cấu trúc các chất nóng chảy của xỉ và kim loại lỏng, tơng tác giữa chúng với môi trờng khí, sự kết tinh của các hợp kim lỏng, sự tinh luyện và những ứng dụng thuyết vào các lĩnh vực luyện kim ở nhiệt độ cao. thuyết các quá trình luyện kim là một khoa học cơ sở về "hoả luyện". Nó chuẩn bị để độc giả tiếp tục đi sâu vào các giáo trình chuyên ngành cụ thể nh công nghệ luyện gang, luyện thép, hợp kim, các kim loại màu và công nghệ đúc .Quyển sách này gồm 8 chơng: 1. Quá trình cháy nhiên liệu.2. Quá trình phân ly oxit, cacbonat và sulfua kim loại.3. Hoàn nguyên oxit kim loại.4. Cấu trúc, tính chất của xỉ và kim loại lỏng.5. Các qúa trình oxi hoá, khử oxi trong luyện kim.6. Tinh luyện thép ngoài lò.7.Phơng pháp tinh luyện bằng điện xỉ.8. Nấu luyện và tinh luyện bằng phơng pháp Plasma.Đây là giáo trình quan trọng để đào tạo kỹ s luyện kim, kỹ s khoa học và công nghệ vật liệu và là tài liệu tham khảo cho học viên sau và trên đại học, cho kỹ s, cán bộ nghiên cứu khoa học và cán bộ quản ngành luyện kimcác ngành khác có liên quan.Quyển sách của tập thể cán bộ giảng dạy đầu ngành Trờng đại học Bách Khoa Hà Nội biên soạn, do GS. TSKH Bùi Văn Mu chủ biên và phân công biên soạn nh sau:GS.TSKH Bùi Văn Mu : chơng 4,6,7 và 8.PGS.TS Nguyễn Văn Hiền: chơng 1 và 3.PGS.TS Trơng Ngọc Thận: chơng 2.PGS.TS Nguyễn Kế Bính : chơng 5.Mặc dù các tác giả đã có nhiều cố gắng, song cuốn sách khó tránh khỏi đợc thiếu sót. Rất mong đợc độc giả góp ý phê bình. Th góp ý xin gửi về Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật - 70 Trần H-ng Đạo - Hà Nội. Chúng tôi xin chân thành cảm ơn. C¸c t¸c gi¶.CHƯƠNG 1QUÁ TRÌNH CHÁY NHIÊN LIỆU1. 1. Mở đầu Các quá trình luyện kim phần lớn đều tiến hành ở nhiệt độ cao trong các thiết bị luyện kim bằng cách đốt nhiên liệu, tức là gây ra sự cháy. Tùy theo loại nhiên liệu (rắn, lỏng hay khí) và phương pháp đốt cháy mà ta được sản phẩm cháy có tính oxy hóa hay tính hoàn nguyên thích hợp với yêu cầu công nghệ của quá trình luyện kim.Do đó sự cháy chẳng những đảm bảo cho lò luyện kim có nhiệt độ cao mà còn tạo ra sản phẩm cháy có tính chất cần thiết để tham gia tích cực vào các phản ứng luyện kim trong lò. Ví dụ: Quá trình hoàn nguyên oxít kim loại yêu cầu sản phẩm cháy phải có tính khử để thực hiện phản ứng : MeO + CO = Me + CO2hay MeO + H2 = Me + H2ONếu quá trình đó là oxy hóa các tạp chất trong kim loại lỏng thì yêu cầu sản phẩm cháy phải có tính oxy hóa để thực hiện phản ứng :[X] + CO2 = (XO) + CO hay [X] + H2O = (XO) + H2Như vậy trong hỏa luyện, sự cháy của nhiên liệu chẳng những là nguồn cung cấp nhiệt mà còn tạo ra một trường cần thiết để tiến hành quá trình luyện kim. Vì vậy cường hóa quá trình cháy là một biện pháp chủ yếu để cường hóa quá trình luyện kim. Một trong nhng bin phỏp ú l dựng khớ giu oxy trong quỏ trỡnh ha luyn.Nhng phn ng chỏy khớ cú ý ngha quan trng i vi quỏ trỡnh ha luyn l phn ng chỏy CO, H2. Nhng phn ng chỏy nhiờn liu rn cú ý ngha quan trng i vi quỏ trỡnh ha luyn l phn ng chỏy cacbon. Nhiờn liu dựng trong luyn kim cn t nhng yờu cu sau õy:- Cú hiu ng nhit ln. - Giỏ thnh r. - Sn phm khi to thnh do quỏ trỡnh chỏy khụng cú hi n sn phm phn ng m tớch cc tham gia vo quỏ trỡnh luyn kim.1.2. Nhiệt động học của phản ứng cháy khí1.2.1. Cháy oxit cacbon (CO)Khí oxit cacbon là thành phần chủ yếu của nhiên liệu khí. Trong luyện kim CO có hai công dụng: Đốt cháy để cung cấp nhiệt và dùng làm chất hoàn nguyên oxít kim loại. Vì cháy CO tỏa nhiều nhiệt, đồng thời khí CO có ái lực mạnh với oxy nên có thể lấy oxy của nhiều oxit kim loại. Phản ứng cháy CO:2CO + O2 = 2CO2(1 - 1)H0298(1-1) = -566108J= -135300calTheo quy luật pha:C = k p + 2 = 2 1 + 2 = 3 Bậc tự do bằng 3, nh vậy có nghĩa là thành phần pha khí đợc xác định bởi ba yếu tố.%CO, %CO2, %O2 = f(T, P, C)Theo nguyên Lơsactơliê ảnh hởng của nhiệt độ và áp suất sẽ làm thay đổi thành phần cân bằng: khi áp suất tăng thì CO cháy mạnh và cho nhiều CO2 khi nhiệt độ tăng thì CO2 phân hóa mạnh, cho nhiều CO.Để làm cơ sở phân tích các quy luật nhiệt động học của phản ứng, chúng ta sẽ thiết lập phơng trình quan hệ giữa G và hằng số cân bằng KP của phản ứng với nhiệt độ.KP(1) = 222.22OCOCOPPP(1 - 2)G0T = HT0 - TS0T(1 - 3)Trong đó H0T và G0T là hàm số của nhiệt độH0T = H0298 - TPdTC298(1 4)S0T = S0298 - TPTdTC298(1 5)ở đây CP là biến thiên nhiệt dung đẳng áp của chất tham gia phản ứng và tạo thành phản ứng. CP cũng là hàm nhiệt độ. Cách tính nh sau: CP = 2CPCO2 - 2CPCO CP2oCP = 2.36,53 2.29,08 29,08 = -14,18J/mol0.kS0298 (1-1) = 2.213,72 2.148.00 205,15 = 174,71 J/mol0.k H0298(1-1) = -566108JThay giá trị H0298(1-1) và S0298 (1-1) vào công thức của Vanhốp.G0T = -RTlnkp. Ta có:lgkP(1-1) = + 1298298lg74,008,929574TTT (1-6)Trong công thức (1-6) đặt lg)(1298248TTT=+ ta có:lgkP(1-1) = )(74,008,929574TT(1-7)Nếu tính đơn giảnlgkP(1-1) = 575,4575,40)11(2980)11(298 +STHlgkP(1-1) = 08,929574.lg2222=TPPPOCOCO(1-8)Bảng 1 1 : Giá trị hằng số cân bằng kP(1-1)Nhiệt độ, oKTheo (1-7) Theo (1-8)100016002000260020,118 8,760 4,912 1,342 20,42 9,37 5,68 2,28 T bng 1-1 v th hỡnh 1-1 ta thy nhit cng tng thỡ hng s cõn bng ca phn ng chỏy CO cng gim, ngha l s chỏy CO cng khụng hon ton. Trong pha khớ cõn bng, ngoi CO2 v O2 cũn cú phn CO cha chỏy. Hay núi cỏch khỏc l nhit cao, khớ CO2 bi phõn ly mt phn, mc phõn ly cng tăng khi nhiệt độ càng cao. Từ đó đi đến kết luận rằng, ở nhiệt độ cao ái lực hóa học của CO và O2 giảm, nên khả năng hoàn nguyên của nó cũng giảm đi .G , K J )CO + HO = H + CO (I - 15)2222CO + O = H + 2CO (I - 1)2222H + O = 2HO (I - 11)222Sự phân ly của CO2 (hay sự cháy không hoàn toàn của CO) Ở nhiệt độ cao làm cho nhiệt độ cháy tính theo thuyết (là nhiệt độ của sản phẩm cháy khi giả thiết CO cháy hoàn toàn và không có sự mất mát nhiệt ra môi trường xung quanh) và nhiệt độ cháy thực tế có sự sai khác.Nhiệt độ cháy thuyết theo phương trình:∑=cyQT.Ở đây : y - trọng lượng của từng chất khí trong sàn phẩm cháy (gam)c - tỷ nhiệt trung bình của sản phẩm cháy (J/g.oK)Q - nhiệt lượng của phản ứng cháy CO (J)Nếu CO cháy hoàn toàn thì Q – nCO ∆H (J) nCO - số phân tử gam khí CO bị cháy∆H - hiệu ứng nhiệt của phản ứng 2CO + O2 = 2CO2(tức là nhiệt phát ra khi có 1 phân tử gam CO cháy hoàn toàn).Trong trường hợp CO cháy không hoàn toàn (hay CO2 bị phân ly một phần và mức độ phân ly của CO2 là α với giả thiết phản ứng viết cho một phần tử CO tham gia thì Q tính như sau:Q’ = nCO (1 - α) ∆H = (1 - α)QKhi đó nhiệt độ cháy là:T’ = TcyQ)1(.)1(αα−=−∑Vì bao giờ α cũng nhỏ hơn 1 nên T’ < T. Vậy sự phân ly của CO2 có thể tính theo hằng số cần bằng của phản ứng ( 1 - 1 ).Giả sử lúc đầu trong hệ thống có một phần tử gam CO2 nguyên chất. Nếu gọi độ phân ly của CO2 là α thì khi phản ứng cản bằng trong pha khí ta sẽ có: α - phân tử gam CO(1 - α) - phân tử gam CO2 0,5α - phân tử gam O2Vậy tổng số phân tử gam của các chất khí trong sản phẩm cháy là (l - α) + α + 0,5α = 1 + 0,5α [...]... cháy, các phản ứng cháy khí (H2 ,CO) đều tiến hành theo cơ cấu dây chuyền Các phản ứng dây chuyền phát triển được là nhờ các gốc tự do có hoạt tính cao (gốc tự do có thể là nguyên tử, hay ion ) thuyết phản ứng dây chuyền dựa trên hai nguyên tắc sau đây: - Các gốc tự do có hoạt tính rất lớn trong các phản ứng với phân tử bão hòa hóa trị - Khi tác dụng với các phân tử bão hòa hóa trị, hóa trị của các. .. tốc độ quá trình rất nhỏ, hầu như không quan sát được nên trên thực tế quá trình không tiến hành được - Ở nhiệt độ cao (τ2) lúc này đường b2 ở dưới đường a hay ở bất kỳ nhiệt độ nào trong bình đều có qtỏa > qthoát Quá trình tiến hành làm cho hiệu số (qtỏa - qthoát) tăng lên dẫn đến sự tích nhiệt trong hệ thống Sự chênh lệch này càng tăng khi nhiệt độ và tốc độ phản ứng càng tăng Lúc đầu quá trình tiến... để tăng tốc độ phản ứng là tăng áp suất riêng phần của hydro trong hỗn hợp khí, hay nói cách khác là tăng các phần tử hoạt tính làm cho phản ứng phát triển Một số nhà nghiên cứu khác trình bày cơ cấu phản ứng khí nước với chất xúc tác là oxit sắt CO + H2O = CO2 + H2 Quá trình rất phức tạp, có thể trình bày quá các khâu sau đây: Phân tử hơi H2O được hấp phụ trên bề mặt chất xúc tác biến dạng mạnh đến... bản của khí đốt thiên nhiên, được sử dụng rộng rãi trong luyện kim Khí thiên nhiên được sử dụng trong các loại lò nung , lò luyện thép, lò cao trong cácluỵên sắt trực tiếp từ quặng Phản ứng cháy khí Mêtan: (1) CH4 + O2 = 2CO + 4H2 (2) 1 1 CH 4 + O2 = CO2 + H 2O 2 2 ∆H0298(1) = -71300J ∆H0298(2) = -400700J Phản ứng (1) và (2) đều phát nhiệt các hằng số cân bằng của chúng được biểu diễn như sau: 2... ứng khí nước Phương trình phản ứng : CO2 + H2 → CO + H2O Phản ứng tiến triển được là nhờ chất xúc tác trải qua các giai đoạn hấp phụ và giải phụ các chất tham gia phản ứng Các phần tử khí H2 và CO tham gia phản ứng đều bị hấp phụ trên bề mặt chất xúc tác Khi đó chúng bị biến dạng rất nhiều ví dụ dùng chất xúc tác là Pt thì cơ cấu như sau : (1) H2(K) + Pt = Pt (H2)h.phụ Sau đó các phân tử CO2 trong... Khoảng nhiệt độ TM - TN có hai giới hạn bốc cháy: P > P1 Và P < P2 tạo nên một bán đảo bốc cháy mũi M Giới hạn thứ ba : P > P3 xẩy ra sự bốc cháy, quá trình tiến hành với tốc độ rất lớn Ở đây lượng khí thoát ra rất lớn và lượng nhiệt thoát ra cũng rất lớn Quá trình bốc cháy phụ thuộc vào áp suất được xác định bởi ba trường hợp sau đây: X X Va chạm bậc một: Đó là gốc tự do va chạm vào thành bình gây nên... chia nhánh dây chuyền (3) H + O2 → OH + O (4) O + H2 → OH + H Những phản ứng này là những phản ứng quan trọng trong quá trình cháy dây chuyền Ở đây một phần tử hoạt tính mất đi thì tạo thành hai chất điểm hoạt tính Cũng có nghĩa là tạo ra một đây chuyền phản ứng mới, làm cho tốc độ quá trình được gia tốc V(3) = K(3) (O2) (H) K(3) = 0,94.10-10 e − 7550 T Tốc độ phân ứng (4) cm3 / sec V(4) = K(4) → (H2)... thứ hai là khâu chuyển biến chậm nhất hạn chế toàn bộ quá trình 1− n  PH O   PH  v = K1 PCO  2  − K 2 PCO2  2   PH   PH O   2   2  n - bậc phản ứng Phương trình cho ta thấy tốc độ của phản ứng sẽ giảm đi khi cho thêm khí H2 vào và bậc của phản ứng theo sự tiêu hao của CO tiến tới 1 ảnh hưởng của nhiệt độ có thể đánh giá bằng phương trình hằng số tốc độ của phản ứng hạn chế như sau K... O2 Kết luận này phù hợp với kết luận khi xét quá trình cháy CO và H2 Từ hằng số cân bằng KP(1-15) ta có thể viết : Kp(1 - 15) = b a (1-20) Do đó ta có : b = a KP(1-15) (1-21) Ở một nhiệt độ không đổi thì KP(1- 15) = const và quan hệ giữa b và a là một đường thẳng, có nghĩa là ở nhiệt độ không đổi có vô số điểm cân bằng và chúng liên hệ với nhau bởi phương trình ( 1 21) 1.2.4 Sự cháy khí Mêtan Mêtan... đứt dây chuyền trên thành bình thành bình (5) 2H (6) 2OH thành H2 thành Gồm có các thành phần (H)khÝ KhuÕch t¸n (H)thµnh b×nh (H) thµnh b×nh (H) hÊp thô (H) hÊp thô + (H) khÝ (H2) hÊp thô (H2) hÊp thô (H2) khÝ H2O2 Ở áp suất thấp, các chất điểm hoạt tính H, O và OH khuếch tán đến thành bình, bị hấp phụ trên đó và tác đụng với các chất điểm hoạt tính khác từ thể tích của bình đi vào tạo thành những phân . ThậnLý thuyết các quá trìnhluyện kimHà Nội, 9 - 2006 Nhà xuất bản khoa học kỹ thuậtLời nói đầu Lý thuyết các quá trình luyện kim phát triển học thuyết. tinh luyện và những ứng dụng lý thuyết vào các lĩnh vực luyện kim ở nhiệt độ cao. Lý thuyết các quá trình luyện kim là một khoa học cơ sở về "hoả luyện& quot;.

Ngày đăng: 22/10/2012, 11:15

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

  • Đang cập nhật ...

Tài liệu liên quan