МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ РЕСПУБЛІКИ КАЗАХСТАН РДП «КАРАГАНДИНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ІНДУСТРІАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ» КАФЕДРА «МЕТАЛУРГІЯ І МАТЕРІАЛОВЕДЕННЯ9 Програм0 "Металургія" Теміртау, 2013 1. Основи теорії металургійних процесів. Розподіл металів на чорні та кольорові. Основні закони фізикохімічної рівноваги, що використовуються у виробництві металів та сплавів. Розрахункові показники рівноваги. 2. Вихідні матеріали металургійного виробництва та їх підготовка. Руди. Загальна характеристика руд. Паливо для металургійного виробництва, тверде, рідке та газоподібне Підготовка руд до плавки. Принципові схеми збагачення, дроблення та окускування руд. Процеси, що протікають при агломерації руд. Основні компоненти шихт 3. Виробництво чавуну. Загальна схема виробничого процесу. Профіль доменної печі. Основні елементи та їх призначення. Флюси та паливо доменної плавки. Відновлення оксидів заліза та розкладання вуглецевих сполук. Відновлення кремнію та марганцю. Процеси в горні доменної печі. Утворення шлаку та його фізичні властивості. Видалення сірки. Техніко-економічні показники. 4. Виробництво сталі. Класифікація сталей. Способи одержання. Шихтові матеріали сталеплавильного виробництва. Металева та неметалічна група. Термодинаміка та кінетика сталеплавильних процесів. Сталеплавильні шлаки. Джерела їхньої освіти. Фізико-хімічні властивості. Основні реакції сталеплавильних процесів. Поведінка кремнію, марганцю, сірки та фосфору. Гази та неметалічні включення в сталі. Методи видалення. Розкислення легування сталі. Способи розкислення. 5. Виробництво сталі у конверторах. 2 Загальні принципи та різновиди конвертерних процесів. Принципова схема LD-процесу. Основні елементи конструкції. Загальні засади ведення плавки LD-процесом. ТЕП процесу. 6. Подові процеси. Схема роботи мартенівської печі. Основні елементи печі Різновиди процесу. Окисний характер газової фази. Паливо. Періоди плавки. Окислення домішок. Хід плавки при основному скрап-рудному та скрап процесах. Взаємозв'язок теплової роботи печі та швидкості окислення вуглецю. Різновиди мартенівського процесу. Інтенсифікація плавки киснем. Двохванна печі. Якість сталі та техніко-економічні показники процесу. 7. Виплавлення сталі в електропечах. Конструктивні елементи ДСП. Електрична схема. Електроди. Технологічні особливості виплавки стали основною ДСП. Періоди плавлення. Різновиди технології плавки у великовантажних печах. 8. Виплавлення сталі у переплавних електропечах. Виплавлення сталі в індукційних печах. Позитивні якості технології в порівнянні з ДСП. Процеси ЕШП, ВДП. 9. Виробництво феросплавів. Основи технології виробництва малої групи феросплавів на основі Ti, V. Техніко-економічні показники процесів. 10. Виробництво кольорових металів. Загальні відомості. Способи одержання (піро-, гідро- та електрометалургійні). Металургія міді. Схема пірометалургійного способу отримання міді. Випалювання концентратів і плавка на штейн у відбивних та електричних печах. Конвертування мідних штейнів. Рафінування міді. 3 11. Металургія алюмінію. Металургія алюмінію. Сирі матеріали та засоби виробництва алюмінію. Схема одержання алюмінію. Виробництво глинозему. Рафінування алюмінію. 12. Виробництво тугоплавких металів. Виробництво тугоплавких металів. Хлоридні методи виробництва металів. Основи виробництва титану. Сировина. Одержання тетрохлориду титану. Йодидний спосіб одержання титану. Виробництво тугоплавких металів. Технологія одержання вольфраму. Збагачення руд. Схема переробки вольфрамового концентрату Одержання порошку металевого вольфраму з WO3. 13. Позадоменне одержання заліза. Загальна характеристика процесів позадоменного одержання заліза. 14.Шахтний відновлювально-плавильний процес. Виробництво губчастого заліза у шахтних печах. 15.Виробництво губчастого заліза в ретортах, що періодично діють. Принцип роботи агрегату, застосована сировина та паливо. Переваги та недоліки способу. 16. Отримання губчастого заліза в киплячому шарі Принцип роботи агрегату, застосовуване сировину та паливо. Переваги та недоліки способу. 17. Виробництво губчастого заліза в печі, що обертається Принцип роботи агрегату, застосовуване сировину і паливо. Переваги та недоліки способу. 4 18. Виробництво губчастого заліза у прохідних печах Принцип роботи агрегату, застосовуване сировину та паливо. Переваги та недоліки способу. 19. Порошкова металургія Класифікація виробів порошкової металургії та основні поняття. 20. Властивості металевих порошків. Технологічні, хімічні та фізичні властивості. 21. Одержання порошків. Методи механічної обробки та фізико-хімічні методи. 22. Підготовка порошкоподібних матеріалів до формування. Класифікація, усереднення, змішування та обладнання для проведення цих операцій. 23. Загальні уявлення та теоретичні основи процесу формування. Пластичні деформації, ущільнення, залежно від властивостей порошкових матеріалів. Дозування компонентів, змішування. Обладнання, що застосовується при формуванні. 24. Шлюб при пресуванні та фактори, що сприяють його появі. Причини виникнення шлюбу та методи усунення. 25. Прокатка порошків. Метод, який застосовується при отриманні певних виробів. 5 РЕКОМЕНДУЄМА ЛІТЕРАТУРА Основна література: 1. Воскобойніков В.Г., Кудрін В.А., Якушев А.м. Загальна металургiя. - М.: ІКЦ "Академкнига". 2002. - 786с. 2. Арсентьєв М.П., ​​Яковлєв В.В., Крашенінніков М.Г. та ін. Загальна металургія. - М: металургія. 1986.-360 с. 3. Явойський В.І., Кряковський Ю.В., Григор'єв ВП. та ін Металургія стали. М. "Металургія", 1983, 583 с. з ілл. 4. Бігєєв А.М, Бігєєв В.А., Металургія сталі. Магнітогорськ, МДТУ, 2000 - 542 с. 5. Кудрін В.А. Теорія та технологія виробництва сталі. - М.: Світ. 2003 – 528с. 6. Борнацький І.І., Міхневич В.Ф., Яргін С.А. Виробництво сталі. М: Металургія.1991. - 400 с. 7. Соколов Г.А. Виробництво сталі. М., "Металургія", 1982, 496с. з ілл. 8.Шишкін Ю.І., Торговець А.К., Григорова О.А. Теорія та технологія конвертерних процесів. Алмати. Гилим. 2006. - 192 с. 9. Борнацький І.І.,. Міхневич В.Ф,.Яргін С.А. Виробництво сталі. М., "Металургія", 1991, 400 с. 10. Шишкін Ю.І., Лукін Г.П. Металургійні розрахунки, Алмати РІК., 2002. - 115с. 11. Рис М.А. Виробництво феросплавів.-М: Металургія. 1985-344с. 12. Попель С.І., Сотников А.І., Бороненков В.М. Теорія металургійних процесів.-М: Металургія, 1986.-464с. 13. Агєєнков В.Г., Міхін Я.Я. Металургійні розрахунки. М: Металургія.1962-208с. 14. Еднерал Ф.П., Філіппов А.Ф. Розрахунки з електрометалургії сталі та феросплавів. -М.: Металургіздат, 1978.-230 с. 6 15. Крамаров А.Д., Соколов О.М. Електрометалургія сталі та феросплавів. -М.: Металургія, 1976.-375с. 16. Торговець А.К., Шишкін Ю.І. Артикбаєв О.А. Теорія, технологія та обладнання позапічної обробки металів.-Алмати.: Гилим, 2004.-273с. 17. Севрюков Н.М., Кузьмін Б.А., Челіщев Є.В. Загальна металургія.М.: Металургія, 1976.-568с. 18. Загальна металургія (металургія чорних та кольорових металів). За редакцією Є.В.Челіщева. - М: Металургія, 1971.-480с. 19. Князєв В.Ф. Безкоксова металургія заліза. М: Металургія, 1972 20. Тлеугабулов С.М. Теоретичні основи отримання металів, сплавів та перспективних матеріалів. Алмати: видання РІК з навчальної та методичної літератури, 2001, 332 стор. 21. Кіпарисов С.С., Лібенсон Г. Порошкова металургія. Підручник М. "Металургія", 1997. Додаткова література 1. Ішмухамедов Н.К. Чорна металургія Казахстану. Алмати.: НДЦ. "Гилим", 2002.-50с. 2. Електрометалургія сталі та феросплавів. За редакцією ДоволоцькогоД.Я. М: Металургія, 1984.-438с. 3. Гасік М.І., Лякішев Н.П. Емлін Б.І. Теорія та технологія виробництва феросплавів. -М.: Металургія, 1988.-784с. 4. Шишкін Ю.І., Польшиков Г.В., Богомяков В.І. Ефективність використання вапна при переділі фосфористих чавунів у великовантажних конвертерах.-Караганда.: Союз наукових та інженерних товариств СРСР, 1991.-43с. 5. Явойський В.І., Левін С.Л., Баптизманський В.І. та ін Металургія стали.М.: Металургія 1973.-816с. з ілл. 6. Меджибозький М.Я. Основи термодинаміки та кінетики сталеплавильних процесів. Київ, "Виша школа", 1979, 276 с. з ілл. 7 7. Лінчевський Б.В., Соболевський А.Л., Кальменєв А.А. Металургія чорний метал. - М.: Металургія, 1986. - 360с. 8. Пономарьова К.С. Збірник завдань з фізичної хімії.- М.: Металургіздат, 1962.-232с. 9. Арсентьєв М.П., ​​Яковлєв В.В., Крашенінніков М.Г. та ін. Загальна металургія. - М: Металургія. 1986.-360 с. 10. Тлеугабулов С.М. Теорія та технологія твердофазного відновлення заліза вуглецем. Алмати: Гилим, 1992. 311 с. 11. Кіпаріс С.С., Лібенсон Г. Порошкова металургія. Підручник М. "Металургія", 1972, 528 с. 8

Щоб звузити результати пошукової видачі, можна уточнити запит, вказавши поля, за якими здійснювати пошук. Список полів наведено вище. Наприклад:

Можна шукати по кількох полях одночасно:

Логічно оператори

За промовчанням використовується оператор AND.
Оператор ANDозначає, що документ повинен відповідати всім елементам групи:

дослідження розробка

Оператор ORозначає, що документ повинен відповідати одному з значень групи:

дослідження ORрозробка

Оператор NOTвиключає документи, що містять цей елемент:

дослідження NOTрозробка

Тип пошуку

При написанні запиту можна вказувати спосіб, яким фраза шукатиметься. Підтримується чотири методи: пошук з урахуванням морфології, без морфології, пошук префіксу, пошук фрази.
За замовчуванням пошук проводиться з урахуванням морфології.
Для пошуку без морфології перед словами у фразі достатньо поставити знак "долар":

$ дослідження $ розвитку

Для пошуку префікса потрібно поставити зірочку після запиту:

дослідження *

Для пошуку фрази потрібно укласти запит у подвійні лапки:

" дослідження та розробка "

Пошук по синонімах

Для включення в результати пошуку синонімів слова потрібно поставити ґрати # перед словом або перед виразом у дужках.
У застосуванні одного слова йому буде знайдено до трьох синонімів.
У застосуванні до виразу у дужках до кожного слова буде додано синонім, якщо його знайшли.
Не поєднується з пошуком без морфології, пошуком за префіксом чи пошуком за фразою.

# дослідження

Угруповання

Для того, щоб згрупувати пошукові фрази, потрібно використовувати дужки. Це дозволяє керувати булевою логікою запиту.
Наприклад, необхідно скласти запит: знайти документи у яких автор Іванов чи Петров, і назва містить слова дослідження чи розробка:

Приблизний пошук слова

Для приблизного пошуку потрібно поставити тильду. ~ " в кінці слова з фрази. Наприклад:

бром ~

Під час пошуку будуть знайдені такі слова, як "бром", "ром", "пром" і т.д.
Можна додатково вказати максимальну кількість можливих правок: 0, 1 або 2. Наприклад:

бром ~1

За замовчуванням допускається 2 редагування.

Критерій близькості

Для пошуку за критерієм близькості потрібно поставити тільду. ~ " в кінці фрази. Наприклад, для того, щоб знайти документи зі словами дослідження та розробка в межах 2 слів, використовуйте наступний запит:

" дослідження розробка "~2

Релевантність виразів

Для зміни релевантності окремих виразів у пошуку використовуйте знак " ^ " наприкінці висловлювання, після чого вкажіть рівень релевантності цього виразу стосовно іншим.
Чим вище рівень, тим більш релевантним є цей вираз.
Наприклад, у даному виразі слово "дослідження" вчетверо релевантніше слова "розробка":

дослідження ^4 розробка

За умовчанням рівень дорівнює 1. Допустимі значення - позитивне речове число.

Пошук в інтервалі

Для вказівки інтервалу, в якому має бути значення якогось поля, слід вказати в дужках граничні значення, розділені оператором TO.
Буде проведено лексикографічне сортування.

Такий запит поверне результати з автором, починаючи від Іванова і закінчуючи Петровим, але Іванов і Петров нічого очікувати включені у результат.
Для того, щоб увімкнути значення в інтервал, використовуйте квадратні дужки. Для виключення значення використовуйте фігурні дужки.

Міністерство освіти та науки Російської Федерації

Федеральне агентство з освіти

Південно-Уральський державний університет

Філія у м. Златоусті

Кафедра «Загальна металургія»

669. 02/ . 09 (07)

Д463

ТЕОРІЯ МЕТАЛУРГІЙНИХ ПРОЦЕСІВ

Навчальний посібник

Челябінськ

Видавництво ЮУрДУ

ВСТУП

Металургійні процеси – це сукупність фізичних явищ та фізико-хімічних перетворень (рух газів, рідких та твердих матеріалів, тепло- та масообмін, фазові переходи, окислення та відновлення матеріалів тощо), що відбуваються в металургійних агрегатах (доменна піч, агломераційна машина) , сталеплавильна та нагрівальна печі, конвертер) при високих температурах. Предметом вивчення курсу «Теорія металургійних процесів» є реакції, які у зазначених металургійних агрегатах.

Курс ТМП займає особливе становище серед усіх металургійних дисциплін, по суті він є прикладною фізичною хімією стосовно аналізу явищ, що відбуваються при виробництві чавуну, сталі та феросплавів.

Теоретичні основи металургійних процесів розглядаються у певній послідовності: спочатку на основі законів термодинаміки аналізуються умови рівноваги хімічних процесів, потім – кінетика та особливості механізму процесів. Ці питання є основними завданнями, вирішуваними щодо курсу ТМП.

1. СКЛАД І ВЛАСТИВОСТІ ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНОЇ ГАЗОВОЇ АТМОСФЕРИ

1.1. Термодинаміка газових атмосфер

Пірометаллургічні процеси виробництва металургійних розплавів (чавун, сталь, сплав) протікають за участю газових атмосфер, які можуть бути нейтральними, окислювальними та відновними.

Склад, тиск та температура газової фази залежать від характеру її взаємодії з іншими фазами, що утворюються при отриманні металів та сплавів. При цьому як проміжний, так і повний склад газової фази дуже однотипний:

продукти повної взаємодії елементів із киснем – CO2, H2O(пар), SO3;

продукти неповної взаємодії з киснем, дисоціації оксидів та дегазації металів – CO, SO2, H2, O2, N2, CH4; інертні гази - Ar, Kr.

Рівноважний склад газової фази можна розрахувати на основі термодинамічного аналізу хімічних реакцій, найважливішими з яких є реакції взаємодії з киснем водню, окису вуглецю, метану та сірчистого ангідриду.

Дані оборотні реакції описуються наступними хімічними рівняннями (на 1 моль О2):

2H2 + O2 = 2H2O(пар) ,	Дж;
2СО + O2 = 2СО2,	Дж;
2СH4 + O2 = 2СО + 4H2O,	Дж;
1/2СH4 + O2 = 1/2СО2 + Н2О,	Дж;	(1.4)
2SO2 + O2 = 2SO3,	Дж.

Термодинамічний аналіз даних оборотних реакцій дозволяє встановити рівноважні вмісти та парціальні тиски молекулярного кисню, а також охарактеризувати окисно-відновні властивості газової фази у зазначених реакціях.

Однак більш важливою термодинамічною характеристикою, яка визначає напрямок протікання хімічних реакцій, є зміна енергії Гіббса D GТ, стандартна зміна якої D G° Т, залежно від температури для реакцій (1.1)–(1.5) має вигляд, Дж:

D G ° (1.1) = - + 108 Т;

D G ° (1.2) = - + 175 Т;

D G ° (1.3) = - + 370 Т;

D G ° (1.4) = - + 2 Т;

D G ° (1.5) = - + 196 Т.

На рис. 1.1 представлені графіки цих залежностей.

Мал. 1.1. Стандартна енергія Гіббса для реакцій горіння

Зазначені залежності справедливі при температурі до 2500 До та загальному тиску в системі Р=1 атм., тобто до процесів дисоціації H2О, O2, Н2 на атоми, їх іонізації та утворення плазми.

З аналізу наведених залежностей та графіків виду D G° Т = f(Т) на рис. 1.1 слід, що з підвищенням тиску рівновага реакцій (1.1), (1.2) та (1.5) зміщується у прямому напрямку, а з підвищенням температури повнота перебігу цих реакцій зменшується. Зміна тиску впливає рівновагу реакції (1.4), а прямий хід реакції (1.3) зі збільшенням тиску уповільнюється. З підвищенням температури реакції (1.3) та (1.4) характеризуються більшою повнотою протікання.

Рівноважний склад атмосфери, що утворилася, і парціальні тиски її складових компонентів дозволять визначити і розрахувати окислювально-відновлювальні властивості (ОВС) газової фази, що впливає на здатні до окислення або відновлення матеріали гетерогенної системи.

Найпростішою кількісною характеристикою ОВС будь-якої газової суміші є рівноважний парціальний тиск кисню. Однак більш точною оцінкою ОВС газової атмосфери є її кисневий потенціал p О, що є величиною хімічного потенціалу молекулярного кисню при відліку його від стандартного стану, при якому DIV_ADBLOCK144">

Величина p залежить від температури і від складу газової фази, який виражається через відношення парціальних тисків реагентів, що впливають на .

У металургійних агрегатах газові атмосфери складаються з багатьох компонентів, які постійно беруть участь у фізико-хімічних перетвореннях. Термодинамічний аналіз таких систем ґрунтується на твердженні, що складна хімічна рівновага досягається внаслідок одночасного встановлення у системі всіх можливих приватних рівноваг.

Так, при одночасному перебігу в газовій фазі реакцій (1.1)–(1.5) при T=const тиску зазначених компонентів приймуть значення, що відповідають константам рівноваги КР(1.1)–КР(1.5), а кисневий потенціал газової суміші

може бути розрахований за даними будь-якої з цих рівноваг, наприклад, за рівнянням

У восьмикомпонентній газовій суміші, що розглядається, крім реакцій (1.1)–(1.5) можливі й інші хімічні взаємодії між реагентами. Найбільший інтерес представляє так звана реакція водяного газу (водяним газом називають суміш чотирьох газів Н2 – Н2О – СО – СО2):

Н2 + СО2 = Н2О + СО, D G ° (1.5) = - 33,5T Дж. (1.8)

Аналіз цієї реакції виключно важливий у металургії для оцінки рівноваг у газових атмосферах при використанні природного газу або зволоженого дуття у доменній печі, інших металургійних агрегатах.

Для визначення рівноважного складу системи реакції (1.8) потрібно задаватися не лише значенням константи рівноваги

(1.9)

та загальним тиском

(1.10)

але ще двома якимись умовами, що випливає з аналізу кількості ступенів свободи:

З = p + 2 – Ф = 3 + 2 – 1 = 4.

На практиці найчастіше задають вихідний склад системи або парціальний тиск парів у вихідній суміші. У нашому випадку крім Р і Т в якості двох змінних можна вибрати числа молей вуглецю і водню, що не змінюються, або не змінюються суми парціальних тисків водню і вуглецевмісних газів:

(1.11)

(1.12)

Спільне розв'язання рівнянь (1.9)–(1.12) дозволяє знайти рівноважний склад газової суміші. Результати розрахунків можна представити графічно, причому вихідними даними є співвідношення:

(1.13)

З графіка (рис. 1..gif" width="69" height="28"> і навпаки. Після обчислення рівноважного значення %СО / %СО2 (або %Н2 / %Н2О) можна визначити кисневий потенціал системи СО - СО2 - Н2 – Н2О та нанести на рис. 1.2 лінії постійних значень p О.

Мал. 1.2. Співвідношення між %СО/% СО2 та %Н2/%Н2О.

1.2. Гомогенні газові процеси

Термодинамічний аналіз реакцій, що протікають у складних газових атмосферах, дозволяє лише судити про можливість протікання реакції у прямому або зворотному напрямках та розрахувати склад газової фази. Однак при цьому неможливо розглянути механізм взаємодії і провести їх кінетичний аналіз.

Механізм взаємодії валентно насичених молекул має включати розрив чи ослаблення валентних зв'язків. Це потребує великих енергетичних витрат, що може бути компенсовано лише енергією теплового руху молекул. Як показують експериментальні дані, всі реакції горіння мають ланцюговий механізм, що характеризується участю активних центрів (часток) – атомів та радикалів із вільними валентностями. Найпростіші акти багатостадійного процесу окислення починаються після утворення активних центрів і протікають як хімічні реакції між ними та молекулами з невеликою енергією активності. Особливістю таких реакцій є відтворення активних центрів. За характером свого протікання ланцюгові реакції поділяються на нерозгалужені, розгалужені та з виродженим розгалуженням.

Взагалі ж модельної в теорії ланцюгових реакцій є найбільш вивчена реакція горіння водню, для якої характерна мала кількість проміжних продуктів і елементарні акти, що добре виділяються. Ними є:

1) реакції утворення активних центрів в об'ємі суміші та на стінці судини:

Е1.14 = 198,55 кДж/моль; (1.14)

Е1.15 = 180,7 кДж/моль; (1.15)

Надс + О2 = НО2; (1.16)

2) реакція продовження ланцюга:

https://pandia.ru/text/79/398/images/image020_45.gif" width="172" Е1.17=41,9кДж/моль; (1.17)

3) реакції розгалуження ланцюгів:

Е1.18 = 63,27 кДж/моль; (1.18)

Е1.19 = 25,14 кДж/моль; (1.19)

4) реакція обриву ланцюгів (дезактивації) на стінці

; (1.20)

5) реакція обриву ланцюгів обсягом газової фази (М – нейтральна молекула):

Е(1.21)» 0; D Н1.20 = - 197 кДж/моль. (1.21)

Швидкість кожної із зазначених реакцій визначається парціальним тиском Р та порядком реакції n та у загальному вигляді може бути представлена ​​у вигляді

V = const × width="411 height=267" height="267">

Мал. 1.3. Умови займання газової суміші (Н2+О2)

2. АНАЛІЗ ПРОЦЕСІВ ГОРЕННЯ ТВЕРДОГО ВУГЛЕЦЮ

З можливих взаємодій вуглецю з окислювачами розглянемо найважливіші.

1. Реакція неповного згоряння вуглецю

2С + О2 = 2СО, DG ° Т (2.1) = - - 180Т Дж/моль. (2.1)

2. Реакція повного згоряння

З + О2 = СО2, D G ° Т (2.2) = - - 2,3 Т Дж/моль. (2.2)

3. Реакція газифікації вуглецю парою Н2О до ЗІ

2С + 2Н2О = 2СО + 2Н2, DG ° Т(2.3) = - 288Т Дж/моль. (2.3)

4. Реакція газифікації вуглецю парою Н2О до СО2

З + 2Н2О = СО2 + 2Н2, DG ° Т(2.4) = - 110,6Т Дж/моль. (2.4)

5. Реакція газифікації вуглецю

З + СО2 = 2СО, DG ° Т(2.5) = - 177,7Т Дж/моль. (2.5)

Найбільший інтерес представляє реакція (2.5), що є ендотермічною: D Н ° = 172,6 кДж.

По відношенню , яке встановлюється реакцією газифікації вуглецю, можна будувати висновки про вплив твердого вуглецю на склад газової фази системи З - СО - СО2 в широкому температурному інтервалі. Рівноважний склад цієї газової атмосфери подано на рис. 2.1.

Відповідно до принципу Ле Шательє підвищення тиску зміщує рівновагу реакції газифікації вуглецю вліво, тобто при незмінній температурі рівноважна газова суміш збагачується двоокисом СО2. При зниженні тиску концентрація у газовій фазі збільшується.

Гетерогенний процес взаємодії вуглецю з окислювачем складається з низки стадій:

2) молекулярна дифузія через гідродинамічний шар товщиною d Р, де зберігається ламінарний перебіг;

3) адсорбція окисника на поверхні вуглецю;

4) хімічна взаємодія з утворенням адсорбованих продуктів (СО2 за низьких температур і СО за високих);

5) десорбція продуктів реакції;

6) дифузія (молекулярна та турбулентна) продуктів реакції в газовий потік.

Мал. 2.1. Склад газової атмосфери (СО- СО2) у рівновазі з твердим вуглецем

Лімітує в процесі окислення вуглецю є адсорбційно-кінетична стадія, що об'єднує в собі стадії 3, 4 і 5. Лімітує може бути молекулярна дифузія.

Швидкість дифузії з розрахунку на одиницю поверхні можна розрахувати за формулою

(2.6)

де D - коефіцієнт дифузії, b - коефіцієнт масопереносу, С і Спов - концентрація окислювача в обсязі газової фази та на поверхні вуглецю, відповідно.

Швидкість хімічної взаємодії визначається концентрацією адсорбованого реагенту Спов:

(2.7)

де К – константа швидкості реакції, що залежить експоненційно від температури енергії активації процесу, n – порядок реакції (у разі n = 1).

Якщо процес взаємодії вуглецю з газовою фазою відбувається в стаціонарному режимі, тобто без зміни швидкості в часі, то швидкість цього процесу Vпроц визначається як

Vпроц = V х. р = VD. (2.8)

Підставляючи в (2.8) співвідношення (2.6) і (2.7), в результаті отримуємо швидкість процесу окислення вуглецю, що спостерігається:

(2.9)

Залежно від співвідношення величин і b можливі такі режими окислення:

- Кінетичний при b >>K;

- Дифузійний при К>> b;

- Дифузійно-кінетичний при К » b .

Термодинамічний аналіз реакції (2.5) дозволяє виявити умови розпаду монооксиду вуглецю. Це можливо в газових атмосферах з великим ставленням і зниження температури. Розмір D G° Т для реакції

2СО = СО2 + С

зменшується зі зниженням температури, але кінетично без каталізатора здійснити цю реакцію, використовувану, наприклад, у процесі цементації, важко.

Для окислення зв'язку «С - О» в молекулі СО потрібна тверда каталітична поверхня, найбільш сильним каталізатором є залізо. При цьому основними стадіями процесу розпаду з утворенням твердого дрібнодисперсного вуглецю будуть наступні:

1) адсорбція молекули ЗІ на поверхні каталізатора, що призводить до ослаблення зв'язку «С - О»;

2) процес розпаду при ударі активної молекули СО газової фази об адсорбовану по реакції

СО+Соадс=СО2+С.

3. ОЦІНКА МІЦНОСТІ ХІМІЧНИХ СПОЛУК

Процеси дисоціації найважливіших для металургії сполук – оксидів, нітридів, карбонатів – є дуже важливими, оскільки є прямим способом одержання металів. Дані процеси дуже однотипні, і в залежності від температури їх можна уявити рівняннями виду:

АВтв = Атв + Вгаз;

АВтв = Аж + Вгаз;

АВж = Атв + Вгаз;

АВж = Аж + Вгаз.

Розмір рівноважного парціального тиску газоподібного продукту цих реакцій називається пружністю дисоціаціїз'єднання АВ та характеризує міцність даної сполуки. Реакції дисоціації є ендотермічними, тобто з підвищенням температури рівновага зміщується у бік продуктів реакції. Зменшення тиску при збереженні складу газової фази має аналогічну дію.

Відповідно до правила фаз Гіббса, число ступенів свободи для реакцій дисоціації визначається як

С = К + 2 - Ф = 2 + 2 - 3 = 1,

тобто для кількісної характеристики достатньо лише одного незалежного параметра – температури, від якої залежить константа рівноваги процесу:

Кр = РВ = | (Т).

Мал. 3.1. Залежність пружності дисоціації сполуки АВ від температури

На рис. 3.1 подано залежність РВ від температури для зазначених реакцій.

3.1. Дисоціація карбонатів

У чорній металургії найбільший практичний інтерес представляє аналіз реакції дисоціації карбонатів кальцію СаСО3, магнію MgCO3, марганцю MnCO3, заліза FeCO3 (сидерит) та доломіту CaMg(CO3)2. Процеси дисоціації цих сполук однотипні та протікають за рівнянням:

MeCO 3 = MeO + CO 2,

Розмір є пружністю дисоціації карбонату і характеризує міру хімічної міцності сполуки.

Найбільший інтерес представляє реакція дисоціації карбонату кальцію, що входить до складу шихтових матеріалів доменного та сталеплавильного виробництва, а також використовується для одержання СаО через випалювання вапняку.

Реакція дисоціації СаСО3 описується рівнянням виду

СаCO3 = СаOтв + CO2, = Дж; (3.1)

D G ° Т = - 150 Т; Kp(3.1) =

p align="justify"> Залежність пружності дисоціації карбонату від температури представлена ​​на рис. 3.2.

Мал. 3.2. Пружність дисоціації СаСО3

Аналіз даної графічної залежності з використанням ізотерми хімічної реакції показує, що дисоціація карбонату можлива, коли фактичне значення менше рівноважного і при цьому D G° Т< 0. Температура, при которой возможен этот процесс, является температурой начала диссоциации ТНД.

Будь-яка фігуративна точка 1 вище за рівноважну лінію на рис. 3.2 відповідає стійкому існуванню карбонату СаСО3. Будь-яка фігуративна точка 2 нижче за лінію відповідає стійкому існуванню оксиду СаО.

Процес дисоціації карбонату протікає з високою швидкістю при температурах вище за температуру хімічного кипіння ТХК, при якій пружність дисоціації стає рівною загальному зовнішньому тиску газової фази.

3.2. Дисоціація оксидів заліза

Термодинаміка процесів дисоціації оксидів аналогічна процесу дисоціації карбонатів, особливості пов'язані лише з наявністю деяких металів різного ступеня валентності – зокрема, в оксидів заліза.

Відповідно до принципу Байкова, дисоціація оксидів заліза відбувається послідовно, від вищого до нижчого до утворення металу. Реакції дисоціації мають такий вигляд:

6Fe2O3 = 4Fe3O4 + O2, DG ° Т = - 281,3 Т Дж; (3.2)

2Fe3O4 = 6FeO + O2, DG ° Т = - 250,2 Т Дж; (3.3)

2FeO = Fe + O2, DG ° Т = - 130,7 Т Дж; (3.4)

1/2Fe 3O 4 = 3/2Fe + O 2 , D G ° Т = - 160,2 Т Дж. (3.5)

Зазначені оксиди існують у певних температурних інтервалах. На рис. 3.3 представлені графіки залежностей DG°Т від температури реакцій (1)–(4).

Мал. 3.3. Стандартна енергія Гіббса реакцій дисоціації оксидів заліза

За розрахованими величинами пружностей дисоціації побудовані залежності представлені на рис. 3.4.

Мал. 3.4. Області сталого існування

заліза та його оксидів

На даній діаграмі вказані сфери стійкого існування чистого заліза та його оксидів у широкому температурному інтервалі. Точка O відповідає нонваріантному рівновазі з параметрами Т = 575 ° С і » - 26 (у рівновазі знаходяться чотири фази - тверді Fe, FeO, Fe3O4 і О2). На інших лініях реалізується нонваріантна рівновага. Будь-яка точка між лініями відповідає фіксованому стану біваріантної системи, що дозволяє визначити умови сталого існування цієї конденсованої фази.

3.3. Механізм та кінетика процесів дисоціації

Відмінними рисами процесів дисоціації, що протікають по реакції виду

АВтв ® Атв + Вгаз,

є:

- Наявність процесу зародження нової твердої фази;

– локалізація процесу на межі розділу «старої» та «нової» твердих фаз;

- Залежність швидкості процесу від ступеня перетворення.

Як характеристику такого процесу застосовують ступінь перетворення a:

де mAB (p ) , mAB (вих) рівноважне та вихідне значення сполуки АВ.

Ступінь перетворення a залежить від часу процесу, що підтверджено численними експериментальними даними (рис. 3.5).

Мал. 3.5. Ізотермічні залежності ступеня перетворення a від часу
та швидкості перетворення від ступеня перетворення

При цьому можна виділити три етапи:

I – індукційний період, характерний невисокими швидкостями процесу через труднощі зародження нової фази;

II – автокаталіз, пов'язаний із прискоренням реакції дисоціації;

III – період завершення процесу, що пов'язано зі зменшенням кількості старої фази та поверхні розділу.

Експериментальні дослідження процесів дисоціації свідчать про перебіг такого процесу за схемою

АВтв ® Атв× Вгаз(адс) ® Атв + Вгаз.

При цьому утворення зародка нової фази в надрах старої має супроводжуватися зменшенням енергії Гіббса системи, що розраховується за рівнянням

D G = D GV + D GW,

де D GV та D GW – об'ємна та поверхнева складові загальної зміни енергії Гіббса.

Значення D GV та D GW визначаються як

D GV =

D GW = S × s ,

де V і S – об'єм та поверхня зародка нової фази, r та М – щільність та молекулярна маса нової фази, s – поверхневий натяг, m 2 та m 1 – хімічні потенціали сполуки АВ у новій та старій фазі.

З аналізу цього співвідношення випливає, що мимоволі процес утворення нової фази можливий при певному співвідношенні m2 і m1.

При Т £ Тнд m 2 ³ m 1 і в цьому випадку поява зародка будь-якого розміру термодинамічно неможлива.

Якщо ж Т > Тнд, то m 2 >m 1 і складові у формулі для D G мають різний знак, оскільки зі зростанням r перший доданок росте по абсолютній величині швидше, то і крива D G = f (r ) має максимум, положення якого визначає величину критичного зародка, зростання якого супроводжується зменшенням енергії системи. За деяких умов зародок нової фази стає термодинамічно стійким. Ступінь перегріву сполуки АВтв визначає як радіус критичного зародка, і його стабільність. Для визначення розміру критичного зародка необхідно досліджувати функцію D G = f (r) на екстремум, після чого отримаємо

Розмір D m = m 1 – m 2 називається хімічним пересиченням і є рушійною силою процесу дисоціації.

На рис. 3.6 показано умову виникнення та зростання зародка нової фази.

З аналізу залежностей випливає, що за інших рівних умов, що більше перегрів, то менше критичний зародок і легше (швидше) йде процес дисоціації сполук.

Мал. 3.6. Умови зростання зародка нової фази

Таким чином, зростання зародка нового середовища залежить від температури, часу та рухливості частинок, що утворюють нове середовище. Вивчення механізму конкретного перетворення дозволяє визначити аналітичні залежності, проте вони прийнятні, як правило, лише для випадку, що аналізується. При цьому необхідно враховувати природні труднощі зростання, пов'язані з «перекриттям» зародка нової фази та лімітування процесу якоюсь елементарною його стадією.

Реальні системи суттєво можуть відрізнятись від створюваних моделей дисоціації, при створенні яких слід звертати увагу на такі особливості: у початковий момент часу можливі повільніше зростання зародків; поверхнева швидкість просування межі розділу фаз може відрізнятися від швидкості проникнення обсягом; реакційна спроможність кордону змінюється у часі; обсяг продуктів та реагентів можуть не збігатися; при оборотних реакціях можлива адсорбція летких продуктів реакції; можливий прояв дифузійного гальмування; кінетичні характеристики, зазвичай, залежить від розмірів частинок; можливі складнощі при передачі тепла через продукти реакції.

Деякі з перерахованих особливостей процесів дисоціації можуть бути ланками, що лімітують, до яких відносяться:

1) швидкість хімічного перетворення (так званий кінетичний режим);

2) швидкість дифузії газу через покривний шар (дифузійний режим);

3) змішаний режим (порівняльність швидкостей хімічного перетворення та дифузії);

4) швидкість перенесення тепла реакції через покривний шар.

Кожна із зазначених стадій може бути виражена аналітично стосовно процесу дисоціації тієї чи іншої сполуки з урахуванням її особливостей.

3.4. Окислення твердих металів

При поміщенні Ме в атмосферу, що містить О2 або інші окислювальні гази (СО2, Н2О), поверхня його покривається окислами, окалиною, Товщина якої збільшується з часом. При високих температурах цей процес – високотемпературна корозія- Розвивається дуже швидко і призводить до втрати Ме при його нагріванні перед прокаткою, куванням.

Усього через окислення Ме щорічно втрачається 18...20 млн т Ме. Окислення Ме – процес мимовільний, але залежить від низки чинників.

Процес окислення складається з наступних стадій:

1) зовнішня дифузія окисного газу до поверхні окис;

2) внутрішня дифузія у шарі окалини;

3) хімічний акт (реакція) межі розділу фаз.

Окалина (МеО) товщиною знаходиться між двома середовищами - між Ме і газом; у межах концентрація О2 падає від межі поділу газ/МеО до межі МеО/Ме, а зміст Ме зменшується у протилежному напрямі. Завдяки цьому можлива дифузія речовин у шарі оксиду, що представлено на рис. 3.7.

Мал. 3.7. Схема окиснення металу

Коефіцієнт дифузії у твердій окаліні залежить від її кристалічної будови, що визначається співвідношенням мольних часток оксиду (VMeO) і Me (VMe).

При VM > VMeO утворюється пористийшар оксиду, крізь нього окисний газ легко проникає до Ме. Такими властивостями мають такі Ме.

MenOn		Na2O

Якщо VMе< 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

У разі реального окислення металу зовнішня дифузія газу протікає порівняно швидко, тому процес окислення будь-якого металу можна як двох стадій:

1) дифузія О2 (іншого окислювача) через оксидну плівку;

2) безпосередньо акт хімічної взаємодії межі розділу фаз.

Виведемо рівняння залежності товщини шару оксиду від часу окислення t при T = const.

Спостерігається швидкість процесу

Vнабл = dy/dt.

Швидкість внутрішньої дифузії визначається як

де "-" - градієнт концентрацій;

Спов, Соб - концентрації окислювача на реакційній поверхні та в обсязі газу;

Швидкість хімічної реакції визначається як

при n = 1, https://pandia.ru/text/79/398/images/image057_8.gif" width="115

При режимі швидкості послідовних ланок До і загальна швидкість рівні між собою:

при цьому Спов підставляємо в рівняння дифузії:

y = f (t) - Диференціальне рівняння.

Перенесемо та розділимо змінні:

Початкові умови: t=0, y=0.

Шукана залежність товщини окисленого дифузійного шару від часу:

(*)

Ця функція є параболічною.

При t = 0 та y ® 0 , y2<< y, поэтому величиной y2/2 пренебрегаем:

y = Kx C про × t. (3.6)

Ця залежність лінійна.

Звідси випливає:

1) товщина шару окалини ~ t, тобто окислення йде з постійною швидкістю;

2) швидкість окислення визначається особливостями величини Кх, тобто реакція знаходиться у кінетичній ділянці.

Це відноситься до металів першої групи.

Для металів другої групи D< R; при этом t – велико. В этом случае слагаемым пренебрегаем и получаем:

. (3.7)

1) товщина шару окалини пропорційна, тобто швидкість окислення з часом зменшується;

2) процес протікає у дифузійній області.

Графічно це показано на рис. 3.8.

Таким чином, у Ме з щільною окалиною реакція окислення спочатку знаходиться в кінетичної галузіта шар оксиду наростає за лінійною залежністю (на рис. 3.8 – зона 1).

При значній товщині шару залежність стає параболічною і процес лімітується внутрішньою дифузією(Зона 2). Між цими крайніми випадками лежить перехідна зона – 3, де y та t пов'язані диференціальним рівнянням (*), яке враховує особливості хімічного перетворення та дифузії.

Мал. 3.8. Залежність товщини окалини часу процесу: 1 – кінетична область;

2 - дифузійна область; 3 – перехідна зона

4. ПРОЦЕСИ ВІДНОВЛЕННЯ МЕТАЛІВ

4.1. Термодинамічна характеристика процесів відновлення

Отримання чистих металів рахунок дисоціації їх оксидів термодинамічно малоймовірно через дуже низьких значень пружності дисоціації сполук.

Найбільш доцільним є процес отримання металів із їх оксидів шляхом відновлення. Такий процес, по суті, є окислювально-відновним (окислений метал відновлюється, а відновник окислюється) і може бути в загальному вигляді описаний реакцією

МеО + В = Ме + ВО, D G Т (4.1), (4.1)

де як відновник може використовуватися як тверде, так і газоподібна речовина (елемент).

Реакція (4.1) по суті є сумою реакцій утворення виду

У = = ВО, D G Т(4.2); (4.2)

Ме = = МеО, DG Т(4.3), (4.3)

які є екзотермічними.

Мимовільне перебіг реакції (4.1) можливе, якщо D G Т(4.2)< D G Т(4.3).

4.2. Відновлення оксидів заліза твердими та газоподібними

відновниками

Універсальним відновником оксидів заліза є твердий вуглець; при відновленні газоподібними часто застосовують СО та Н2.

Термодинаміка процесів відновлення оксидів заліза твердими та газоподібними відновниками в принципі однакова.

При використанні окису вуглецю ЗІ слід розглядати рівноваги в системі FemOn - CO - CO 2, які описуються наступними реакціями:

(4.4)

EN-US">EN-US">position:absolute; z-index:5;left:0px;margin-left:234px;margin-top:12px;width:11px;height:88px"> (4.8)

Мал. 4.1. Рівноважний склад газової фази системи FemOn – CO – CO 2

На діаграмі відсутня зона стабільного існування фази Fe 2O 3, оскільки, згідно з розрахунками, дана фаза є в інтервалі температур, що розглядається, нестійкою вже при вмісті СО > 0,01%.

Точка є точкою нонваріантної рівноваги з газовою фазою трьох твердих фаз.

При використанні як відновник водню або будь-якого іншого відновника криві рівноважного складу газу будуть розраховуватися аналогічно.

При використанні як відновник оксидів заліза вуглецю процес можна описати реакціями, що відповідають рівновазі в системі
Fe 2O 3 - Fe 3O 4 - FeO - Fe - C - CO - CO 2, що містить сім компонентів.

Однак з урахуванням нестабільності Fe 2O 3 доцільно проаналізувати наступні хімічні рівноваги:

Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2;

FeO + CO = Fe + CO2;

2CO = C + CO2.

Крім приватних рівноваг, відповідно до правила фаз можлива одночасна рівновага п'яти фаз - чотирьох твердих і газоподібної (суміші СО і СО2).

Криві рівноваги вказаних реакцій наведено на рис. 4.2.

Рис. 4.1. Рівноважні вмісту моноксиду

вуглецю при непрямому відновленні оксидів

заліза та реакції газифікації твердого вуглецю

Кількісні характеристики рівноваг в системі можна отримати, вирішивши спільно рівняння, що виражають залежність констант від складу газової фази. З розв'язання системи цих рівнянь випливає, що зі збільшенням тиску в системі температури початку відновлення оксидів заліза зростають, а зі зниженням тиску – навпаки.

Таким чином, фазові рівноваги в системі Fe –O у присутності твердого вуглецю визначаються температурою та загальним тиском газової фази
(ЗІ + СО2).

4.3. Механізм та кінетика процесів відновлення

Механізми відновлення оксидів металу газами та твердими відновниками відмінні та мають свої особливості.

При відновленні газами цей процес протікає щонайменше у три стадії:

1) адсорбція відновлення на реакційній поверхні;

2) перехід кисню від ґрат оксиду та його сполуки з адсорбуючими молекулами відновника з одночасним утворенням нової твердої фази.

3) десорбція газоподібних продуктів відновлення.

Ця теорія отримала назву адсорбційно-автокаталітичної, а сам механізм можна представити схемою:

МеО(тв) + В(газ) = МеО(тв) × В(адс),

МеО(тв) × В(адс) = Ме(тв) × ВО(адс),

Ме(тв) × ВО(адс) = Ме(тв) × ВО(газ)

МеО(тв) + В(газ) = Ме(тв) × ВО(газ).

Існує і двостадійна схема, що складається з етапу дисоціації оксиду з утворенням молекулярного кисню та етапу з'єднання із відновником у газовій фазі.

Згідно з адсорбційно-автокаталітичною теорією, процес відновлення є автокаталітичним – утворення твердого продукту реакції прискорює процес його утворення. У цьому адсорбція молекул газу-відновника розвивається по-різному – залежно від структури, будови. На певному етапі відновлення спостерігається характерний для автокаталізу максимум, що відповідає кінетичному режиму відновлення.

Взагалі ж кінетично процес відновлення оксидів металів газами є гетерогенним, що складається з наступних стадій:

1) зовнішня дифузія відновника з газового потоку до поверхні оксиду, що відновлюється;

2) внутрішня дифузія відновника до реакційної частки через пори та дефекти ґрат шару твердого продукту відновника;

3) хімічна реакція з подальшим кристалохімічним перетворенням оксиду металу на нижчий, аж до металу;

4) відведення газоподібних продуктів відновлення в газовий потік за рахунок внутрішньої та зовнішньої дифузії.

Будь-яка із зазначених стадій може бути в принципі лімітує, тобто визначати швидкість процесу відновлення. Залежно від швидкості дифузії та хімічного перетворення можливо ступінчасте чи зональне відновлення, що відповідає принципу послідовності.

Ступінчастий тип процесу спостерігається при кінетичному режимі, зональний – при дифузійному. При порівнянних швидкостях дифузії та хімічної реакції процес відновлення протікатиме у змішаному, або дифузійно-кінетичному режимі, що є найбільш складним.

На швидкість відновлення газами впливають різні фактори, основними є такі: розміри шматків оксидного матеріалу, пористість руд, швидкість руху потоку відновлювача газу, склад газу, тиск і температура.

Реакції прямого відновлення оксидів металів є складнішими проти відновленням газами.

Відновлення оксидів твердим вуглецем можна оцінити за реакцією

МеО(тв) + С(тв) = Ме(тв) + СО2.

Однак це рівняння не відображає дійсного механізму процесу, що протікає в кілька етапів за участю як проміжні продукти, гази.

Існує кілька схем вуглетермічного відновлення оксидів

Двостадійна схема розроблена та представлена ​​рівняннями

МеО + СО = Ме + СО2

З + СОг = 2СО

МеО + С = Ме + СО.

Згідно з наведеною схемою взаємодія оксиду металу з твердим вуглецем зводиться до відновлення газом СО. Це дозволяє застосувати адсобційно-каталітичну теорію для пояснення процесів прямого відновлення, а роль твердого вуглецю зводиться до регенерації з реакції газифікації. Кінетично за такою схемою можливе відновлення тих металів, які легко відновлюються газами (Fe, Ni, Cu тощо). Нижня температурна межа взаємодії за цією схемою пов'язана з малою швидкістю реакції газифікації вуглецю при знижених температурах, і така стадія часто лімітує. Тому вирішальними процесу прямого відновлення оксидів металів є чинники, що впливають швидкість реакції газифікації – температура, активність вуглецю, наявність каталізаторів.

Існує дисоціативна схема, згідно з якою можливий процес дисоціації оксиду з подальшою взаємодією кисню з вуглецем за схемою

Ме = Ме + 1/2О2

З + 1/2Ог = СО

МеО + С = Ме + СО.

Така схема прийнятна для оксидів з високою пружністю дисоціації (Mn О2, Pb О2, Cu, Сo 3О4).

Оксид – сублімаційна схема була розроблена, згідно з цією гіпотезою відновлення ряду оксидів може проходити через сублімацію (сублімацію) оксиду з наступною конденсацією (адсорбцією) його парів на поверхню вуглецю:

МеО (тв) = МеО (газ)

МеО (газ) + С (тв) = МеО (адс) · С (тв)

МеО (адс) · С (тв) = Ме (тв) · СО (адс)

Ме (тв) · СО (адс) = Ме (тв) + СО (газ)

МеО (тв) + З (тв) = Ме (тв) + СО (газ).

Дана схема характерна як для летких оксидів (Mo О3, W О3, Cr 2О3) і пояснює їх відновлення при 630 ... 870К, коли взаємодія за іншими схемами через малі швидкості реакції газифікації вуглецю і термічної дисоціації оксиду неможлива, так і для міцних оксидів (Al 2О3, Mg О, Zn О2), сублімація яких супроводжується утворенням парів оксидів і нижчих газоподібних оксидів (Al 2О, Si О).

Відповідно до контактної схеми відновлення, взаємодія відбувається у точках контакту твердих фаз – оксиду та вуглецю. Після безпосереднього контакту формується розділяючий прошарок продукту, і відновлення йде з дифузією реагентів через цей шар.

Ряд закономірностей карботермічного відновлення пояснюється в рамках газокарбідної схеми: вплив СО на швидкість процесу, присутність вуглецю в продуктах конденсації в зонах, віддалених від суміші, що реагує, ефект розбухання рудно-вугільних котунів, автокаталіз.

Таким чином, різні оксиди можуть взаємодіяти з вуглецем за різними схемами, при цьому одночасно з основним механізмом можуть реалізовуватися інші. Частка кожного механізму у процесі відновлення змінюється залежно від умов – температури, тиску, ступеня змішування реагентів та ступеня відновлення інших факторів.

5 . МЕТАЛУРГІЙНІ РОЗПЛАВИ

5.1. Загальна характеристика

Високотемпературні металургійні процеси протікають за участю рідких фаз: металевої, оксидної (шлакової), сульфідної (штейнової), сольової. Взаємодія між рідкими фазами та з обов'язковою участю газової залежить від структури (будови) та властивостей металургійних розплавів.

З урахуванням природи та будови всі рідини класифікуються таким чином:

1) із водневими зв'язками (вода, спирти, органічні кислоти);

2) із молекулярними зв'язками (бензол, парафін);

3) з іонними зв'язками (оксидні та сульфідні розплави, водні та інші розчини солей, лугів, кислот);

4) з металевими зв'язками (взаємодія катіонів із вільними електронами).

оксидні та сульфідні розплави, що беруть участь у металургійних процесах, є багатокомпонентними рідинами і мають складну будову. У розплавах солей, що належать до іонних рідин, спостерігається сильна міжчасткова взаємодія та висока концентрація частинок в одиниці об'єму. Промислові металеві розплави є багатокомпонентними рідинами, що містять металеві та металоїдні складові.

При отриманні металевого розплаву заданого складу прагнуть зменшити втрати легуючих елементів зі шлаком та газовою фазою. Це полегшується при знанні закономірностей перерозподілу елементів між фазами, що контактують, вмінні розрахувати термодинамічну активність компонентів у металургійних розплавах.

Для вирішення подібних завдань необхідно знати структуру (будову) розплавів та природу сил, що діють між структурними одиницями розплаву. Для оцінки швидкості протікають у системі процесів необхідне знання низки фізико-хімічних властивостей розплавів.

Під структурою або будовою розплаву розуміють кількісний опис взаємного розташування в просторі частинок, що їх складають. Структура розплаву взаємопов'язана з електронною природою частинок, величиною сил взаємодії між частинками та його фізико-хімічними властивостями, які часто називають структурно-чутливими властивостями.

5.2. Металеві розплави

Чисті рідкі метали зазвичай відносять до званих простих рідин, якими є зріджені інертні гази з вандерваальськими силами взаємодії. У рідких металах міжчастковий зв'язок здійснюється колективізованими електронами; їх наявністю пояснюється електропровідність, теплопровідність, а також в'язкість та адсорбція поряд з іншими властивостями металів.

При температурах, близьких до температури кристалізації, будова рідких металів близька до будови твердих кристалічних тіл. Ця подібність полягає в сумісності характеру міжчасткової взаємодії та термодинамічних властивостей. У рідкому стані атоми (іони) знаходяться на близьких відстанях, але не утворюють строго періодичної регулярної структури, тобто далекого порядку, характерного для твердих кристалічних тіл.

Введення в метал різних домішкових елементів (у тому числі легуючих) змінює електронну будову розплавів, причому залежно від природи домішки форма його існування в розплаві відрізняється від форми існування розчинника.

Так, такі елементи, як марганець, хром, нікель, інші метали, мало відмінні від заліза за електронною будовою, мають необмежену розчинність у рідкому залозі і високу – у твердому. Вони утворюють із залізом тверді розчини заміщення, при цьому займають частину вузлів у кристалічній решітці.

Такі елементи, як вуглець, азот і водень, із залізом утворюють розчини впровадження, при цьому розташовуючись у міжвузлях кристалічних ґрат заліза.

Кремній та фосфор у рідкому залозі розчиняються необмежено, а у твердому – їх розчинність обмежена. У розплавах заліза вони утворюють відокремлені угруповання атомів заліза з кремнієм і фосфором, з переважанням ковалентного зв'язку.

Розчинені в рідкому залозі (чи іншому розчиннику) домішки змінюють властивості металевих розплавів і впливають характер протікання сталеплавильних процесів. До таких властивостей слід віднести в'язкість, поверхневі властивості, щільність, електропровідність та теплопровідність.

5.3. Термодинамічні властивості металевих розплавів.

Параметри взаємодії

Для металевих розплавів, які є розчинами, характерна складна фізико-хімічна взаємодія між частинками, з яких вони складаються. Надійність термодинамічного опису металургійних систем визначається ступенем розробки тієї чи іншої термодинамічної теорії. При цьому залежно від характеру прийнятих тих чи інших припущень статистичні теорії поділяються на суворі теорії (наприклад, квантово-механічні); побудовані на чисельному експерименті теорії; модельні теорії

Останні набули досить широкого поширення – це теорія досконалих розчинів, теорія ідеальних розбавлених розчинів, теорія регулярних розчинів та інші. Однією з причин введення таких теорій є відсутність загальної термодинамічної моделі розчинів.

При описі термодинамічних властивостей металевих розплавів з моделей найбільш часто використовується метод параметрів взаємодії.

Даний метод використовується для обліку впливу всіх компонентів розчину на активність компонента, що розглядається (наприклад, компонент А - розчинник, компоненти В, С і Д - додані домішки). Параметри взаємодії визначаються внаслідок розкладання до ряду Тейлора надмірної вільної енергії для компонента біля точки, що відповідає чистому розчиннику:

https://pandia.ru/text/79/398/images/image083_4.gif" width="39" height="25"> за мольними частками елементів домішок називають молярними параметрами взаємодії першого порядку , другі - другого порядку https:/ /pandia.ru/text/79/398/images/image086_4.gif" width="28" height="28">.

З огляду на це вираз (5.1) для розчинів з невисокими значеннями розчинених компонентів (В, С, Д, …) можна записати у вигляді

Або для i-го компонента

. (5.2)

Для багатокомпонентних розчинів за стандартний стан речовини зазвичай приймають 1% розведений розчин. В цьому випадку замість (5.2) записують

або у загальному вигляді (5.3)

тут

5.4. Шлакові розплави. Склад, будова, термодинамічні властивості

Металургійний шлак є багатокомпонентним (переважно оксидним) розчином, що вступає у взаємодію з металевим розплавом та газовою фазою металургійного агрегату. До складу шлаку можуть входити сульфіди, фториди та інші неметалеві включення. По ходу плавки металу шлак виконує найважливіші технологічні функції (наприклад, такі як захист металу від атмосфери агрегату; поглинання шкідливих домішок з металу; участь в окислювальних процесах; дифузійне розкислення металу).

Будова шлакового розплаву визначається природою структурних одиниць та його розподілом у просторі. Комплексне вивчення основних фізико-хімічних властивостей шлакових розплавів – в'язкості, дифузії, адсорбції, проведене, у тому числі за допомогою рентгеноструктурних досліджень твердих та рідких шлаків, показало, що у розплавленому стані шлаковий розплав складається з іонів – катіонів та аніонів.

Склад шлаків істотно впливає з їхньої основні властивості, серед яких слід виділити основність – відношення концентрації оксидів з яскраво вираженими основними властивостями, і оксидів, які мають кислотними властивостями. Далі, залежно від складу шлаки поділяються на основні (в них переважають основні оксиди - CaO, MgO, MnO та ін) і кислі (SiO2, Al2O3, TiO2).

Склад шлаку та його структура впливає на фізико-хімічні властивості: щільність, поверхневі властивості, в'язкість, дифузія.

Щільність та мольний обсяг є структурно-чутливими властивостями, дані характеристики використовуються для розрахунків кінетичних властивостей іонних розплавів. Вплив складу визначається зміною координаційного числа та характеризується зміною вільного обсягу. Залежність від температури пов'язана із зміною міжатомної відстані через збільшення амплітуди коливання атомів.

При аналізі поверхневих властивостей встановлено, що з більшості подвійних систем поверхневе натяг лінійно змінюється зі зміною складу.

Інший найважливішою характеристикою шлакових розплавів є в'язкість, що змінюється не більше 0,1…1,0 Па·с (через наявність у яких великих структурних одиниць типу кремнекислородных комплексів), що від порівняння з металевими расплавами.

Динамічна в'язкість η та кінематичне ν пов'язані співвідношенням η = 1/ν.

Залежність в'язкості від температури виражається рівнянням

η = Аехр(Еη/RT ),

де Еη – енергія активації в'язкісної течії.

Термодинамічні властивості шлакових розплавів описуються за допомогою різних теорій - молекулярних та іонних, які засновані на результатах досліджень мінералогічного складу шлаку, що закристалізувався, і узагальненні експериментальних даних.

Варіант молекулярної теорії будови рідких шлаків, розроблений Г. Шенком, відрізняється простотою і ґрунтується на твердженні, що як поодинокі структури шлаку вважаються молекули вільних оксидів (СаО, SiO 2 , FeO …) та їх сполук.

З різноманіття сполук оксидів обрані 5: 2FeO · SiO 2, 3СаО · Fe 3O 4, 2MnO · SiO 2, СаО · SiO 2, 4 СаО · Р2О5. Ці сполуки задовільно описують широкий діапазон властивостей шлаків, зокрема розподіл елементів між металом і шлаком на основі констант рівноваги реакцій дисоціацій наведених сполук.

Однак головна особливість та нестача молекулярної теорії шлакових розплавів полягає у відсутності обліку реальної будови шлакових розплавів. Тим не менш, накопичений матеріал дозволяє оцінювати деякі термодинамічні характеристики - наприклад, активність компонентів аi.

Теорія досконалих іонних розчинів (автор) ґрунтується на твердженні, що шлаковий розчин повністю дисоціює на іони (катіони та аніони); іони одного знака енергетично рівні; найближчими сусідами кожен іон є іони протилежного знака; розчин утворюється без зміни об'єму; при тепловому русі можливі перестановки між іонами одного знака. Активність компонентів такого розплаву розраховується як добуток іонних часток катіонів та аніонів.

Наприклад, активність сульфіду кальцію СаS буде визначена за співвідношенням

де хСа, хS – іонні частки катіону кальцію та аніони сірки відповідно.

Теорія досконалих іонних розчинів може використовуватися для визначення активностей компонентів в основних шлаках, проте збільшення частки SiO 2 і Al 2O 3 до 20% дає сильне розходження між теорією і досвідом, тому в практичних розрахунках рівноваг дана теорія не використовується.

Однак основні статичні положення цієї моделі застосовуються в теорії регулярних іонних розчинів, розробленої та випробуваної.

До особливостей цієї теорії відносяться такі положення: ентропія розчину не вважається ідеальною і розраховується як за теорією досконалих іонних розчинів; розчин складається з найпростіших атомних іонів (катіонів – іонів металу Са2+, Fe 2+, Al 3+, та аніонів – іонів металоїдів О2–, F –, S 2–); найближчими сусідами іонів є іони протилежного знака; розчин утворюється без зміни обсягу, з виділенням чи поглинанням тепла.

При розрахунках хімічних потенціалів компонентів розчину – як і щодо активності компонентів; в даній теорії необхідно враховувати енергію змішування компонентів Qij, яка знаходиться на підставі результатів експериментальних досліджень розчинів із сполук, що містять катіони i та j. Для цієї теорії характерно те, що зв'язок між складом і термодинамічні функції встановлюється більш строго і обґрунтовано, тому точність і надійність розрахунків вище.

У полімеризації теорії шлакових розплавів прийнято, що утворюють розчини іони енергетично нерівноцінні, при цьому утворюються полімеризовані комплекси, в яких енергія зв'язку комплексів з іншими структурними одиницями розчину.

Згідно з теорією розчинів як фаз з колективною системою електронів (основні положення розроблені) як компонент шлакового розчину вибираються не хімічні сполуки, а елементи періодичної системи, тому склад розчину виражається в атомних частках. У цьому електрони всіх атомів розчину утворюють єдину квантово-механическую систему. Активність сполуки Аm Вn у шлаковому розчині визначається як

,

де активності елементів А і В. де активні елементи А і Ст.

Активність елемента сорту i визначається атомною часткою цього компонента та енергією взаємодії з компонентом j. При цьому енергії взаємодії Еij визначається як

Еij =1/2(χ1/2 – χ1/2)2,

де χi та χj – атомні параметри атомів i та j, що визначаються з величин стандартних ентальпій утворення різних сполук.

6. ГАЗИ У СТАЛЯХ. ПРОЦЕСИ НИТРИДООСВІТИ

Для високотемпературних металургійних процесів характерна взаємодія металевого розплаву зі шлаковою та газовою фазами. Повнота та швидкість взаємодії газів насамперед із рідкими металами визначає якість металопродукції.

Розчинення двоатомних газів (кисню, водню та азоту) у рідкому металі однотипно, підпорядковується закону А. Сівертса (відомого як закон квадратного кореня) і відбувається за реакцією

Константа рівноваги реакції (6.1) має вигляд

, (6.2) де

Рівноважна концентрація газу [Г] у металі при =1 атм називається розчинністю і чисельно дорівнює константі рівноваги реакції (6.1) для двокомпонентної системи «метал-газ».

При температурі 1600 °С гранична розчинність кисню в рідкому залозі становить 0,22%, азоту – 0,044%, водню – 0,0026%.

Процеси розчинення газів у більшості металів (залізі, нікелі та ін) є ендотермічними, тому зі збільшенням температури розчинність газів зростає. Виняток становить розчинність азоту в -Fe , яка зменшується зі зростанням температури в точках фазових переходах заліза з однієї модифікації в іншу (-Fe -Fe , -Fe). " width="13" height="20 src=">-Fe ) і при плавленні (-Fe EN-US">Fe -ж) рівноважні концентрації газів у розчині змінюються стрибкоподібно.

Відповідно (6.2) на розчинність газів впливає і тиск. З підвищенням тиску рівновага реакції (6.1) зміщується у бік меншого числа газових молей, тобто праворуч. Виконаність закону Сівертса вказує на ідеальність розчину, що утворюється. У присутності інших компонентів, розчинених у металі, рівноважні концентрації газів стають іншими. Цей вплив можна врахувати за допомогою параметрів взаємодії компонента з розчиненим газом.

У випадку, коли<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).

Майже у такій послідовності впливають зазначені компоненти на коефіцієнт активності азоту та його розчинність.

Сильне зниження розчинності водню та азоту при кристалізації заліза та його сплавів супроводжується низкою небажаних явищ. Водень у молекулярному вигляді відокремлюється в дефектних місцях (мікропустотах) металу, що закристалізувався. Зі зменшенням розмірів цих мікродефектів при подальшій пластичній обробці він створює високі тиски, внаслідок чого в металі виникають напруги, що ведуть до зниження пластичності, а також порушення суцільності.

Вплив легуючих елементів на розчинність азоту в розплавах на основі заліза або нікелю можна оцінити за допомогою експериментально встановлених.

При взаємодії азоту з розплавами, легованими нітридоутворюючими елементами, можливе утворення розчину Fe-R-N, рівноважного з газовою фазою, причому зі збільшенням вмісту R збільшується розчинність азоту.

При певних вмістах компонента R з розплаву може виділитися тугоплавке з'єднання – нітрид RN. Найбільшою спорідненістю до азоту мають елементи Iva підгрупи Ti, Zr, Hf, які використовуються в основному для зв'язування азоту в рідкому металі.

Дисперсні карбіди, що виділяються з розчину, викликають сильне зниження пластичності металу і підвищують його твердість.

Особливості взаємодії азоту з металевими розплавами відображає діаграма стану Me-R-N, фрагмент ізотермічного перерізу якої в областях, багатих на метал, представлений на рис. 6.1.

Лінії, що обмежують сфери стабільності фаз, описуються відповідними рівняннями рівноважної термодинаміки.

Як видно з діаграми, при невеликих кількостях нітридоутворюючого елемента існує двофазна область стабільності рідкої фази з газоподібним азотом. Координати лінії АВ, що розділяє цю область (I) та область стабільності рідини (II), можна визначити, проаналізувавши рівняння:

При атм активність азоту дорівнює константі рівноваги реакції (1). Концентрація азоту в точці А дорівнює його розчинності у бінарній системі Me-N.

Рис.6.1. Схема ізотермічного перерізу діаграми стану системи Me-R-N

На рис. 6.1 показані такі сфери стабільності фаз:

I - ж + N2,

II – ж,

III - ж + RN,

IV - ж + RN + N2.

Перетин ізотерми нітридоутворення (ВCD) і лінії (АВ), відповідної розчинності азоту в розплаві Fe-R-N при концентраційного трикутника в точці, що відповідає з'єднанню RN, а лінія BЕ - у точці, що відповідає чистому азоту при атм.

7. РОЗКЛАСАННЯ МЕТАЛЕВИХ РОЗПЛАВІВ

У процесі окисного періоду плавки сталі в сталеплавильному агрегаті кисень, що надходить в метал (з окисного шлаку, що вдувається в металеву ванну газовим струменем) витрачається переважно на окислення домішок (C , S , P , Si ) і деяких легуючих компонентів, проте частина його залишається в металевому розплаву.

Розчинність кисню в залозі під чистим залізистим шлаком оцінюють на основі реакції

(FeO) = +. (7.1)

.

Чіпман встановив, що для реакції (7..gif" width="176 height=47" height="47">.

При Т = 1600 ° С (1873К) гранична розчинність кисню в залозі становить 0,21%.

Однак у реальних умовах плавки сталеплавильні шлаки крім FeO містять численні оксиди та інші включення, тому . Тому вміст кисню в рідкій сталі не досягає межі розчинності і становить 0,06 ... 0,08. При цьому при вмісті в металевому розплаві більше 0,05...0,06% З вмісту кисню в металі визначається розвитком реакції окиснення вуглецю

+ = (CO). (7.2)

При досягненні металевим розплавом рівноважного стану при Т = 1873 До повинно виконуватися співвідношення = 0,0025, проте в реальних умовах плавки сталі в промислових агрегатах реакція окислення вуглецю не досягає рівноваги - зокрема, через умови утворення бульбашок СО. У зв'язку з цим по ходу плавки стали під окисним шлаком вміст кисню в металі вище рівноважного і наближається до нього при вмісті вуглецю менше 0,15%. На рис. 7.1 представлена ​​залежність вмісту кисню у металевому розплаві від вмісту вуглецю.

Мал. 7.1 Зміна вмісту кисню в залізовуглецевих розплавах: 1 – рівноважна крива; 2 – область фактичних концентрацій плавки сталі

Фактичні концентрації кисню сталі для всіх типів процесів укладається в одну область. Це свідчить, що за > 0,05…0,06 реакція окислення вуглецю надає вирішальний вплив зміст кисню у сталі. При< 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.

Реакція (7.2) є екзотермічною, тому при охолодженні та кристалізації металевого розплаву величина · при Р=const зменшується; надлишкові концентрації кисню виявляються ще більшими, що призводить до утворення газових бульбашок, що знижують щільність зливка, і виділення включень оксидів заліза та його розчинів з сульфідами по межах зерен металу, що кристалізується. Ці оксисульфіди надають металу червоноламкості через низькі температури плавлення.

Сильне впливають і лікування елементів, особливо кисню: у процесі кристалізації його вміст у вихідному розчині у фронту кристалів, що ростуть, значно вище середнього в обсязі рідкого металу, що викликає інтенсивне окислення вуглецю.

У зв'язку з цим однією з основних завдань заключного періоду плавки є видалення рідкої стадії надлишкового кисню, що досягається за допомогою розкислення металевого розплаву.

Під розкисленням розуміють комплекс операцій зі зниження вмісту кисню у рідкій сталі.

Основними завданнями розкислення є:

- зниження вмісту кисню в рідкому залозі присадками елементів з більшим спорідненістю до кисню, ніж у заліза, рівня, що забезпечує отримання щільного металу;

- Створення умов для більш повного видалення з рідкої сталі продуктів розкислення.

Якщо перше завдання розглядається з використанням законів хімічної термодинаміки, друге вирішується за допомогою апарату хімічної кінетики.

Термодинамічний підхід дозволяє виявити зв'язок між вмістом кисню в рідкій сталі та вмістом елемента – розкислювача R, визначити ступінь впливу температури на характер зв'язку, а також розрахувати мінімальний вміст кисню в металевому розплаві при розкисленні його елементом R.

Найбільш поширеним способом розкислення є осаджуючий, або глибинний метод, згідно з яким вглиб металу вводять елементи з більш високою спорідненістю до кисню (Si, Al, Ca), ніж залізо. Ці елементи зв'язують кисень у міцні неметалеві включення (зазвичай оксиди), розчинність яких у залозі на кілька порядків нижче розчинності FeO. Ці включення відокремлюються в окрему фазу у вигляді дрібної суспензії, яка, маючи меншу щільність порівняно зі сталлю, частково спливає в шлак, а частково залишається в металі, що закристалізувався, у вигляді неметалевих включень, погіршуючи його якість.

Осаджувальне (глибинне) розкислення можна описати реакцією виду

. (7.3)

За умови константа рівноваги даної реакції набуде вигляду

(7.4)

де аi - активність i-го компонента в розплаві.

Для розрахунку активностей компонентів розплаву за стандартний стан зазвичай приймають 1% розведений розчин.

Дифузійне розкислення досягається при встановленні рівноваги реакції

(FeO) = + [O]

В основі методу закладено уявлення про прагнення до рівноважного розподілу речовини між рідкими фазами, що не змішуються, - Me і шлаками. При цьому виконується співвідношення

(7.5)

При зменшенні активності оксидів заліза в шлаку кисень дифундує в металі до межі розділу фаз і у вигляді пар іонів Fe 2+ і O 2 переходить у шлак.

Перевагою методу є відсутність у металі будь-яких продуктів реакції після видалення кисню.

Даний спосіб реалізується в ДСП з невеликою кількістю шлаку та низьким вмістом кисню в газовій фазі. В інших сталеплавильних агрегатах дифузійне розкислення сьогодні не застосовують через малі швидкості процесу.

Найчастіше дифузійне розкислення використовують як супутній процес при обробці рідкої сталі в ковші синтетичними вапняно-глиноземистими шлаками з низьким вмістом FeO (менше 1%). При дробленні металу на дрібні краплі поверхня контакту «метал-шлак» збільшується у тисячі разів, наявність конвективних струмів прискорюють процес не лише розкислення, а й десульфурацію сталі.

Іншим способом розкислення є розкислення вакуумом , в основі якого реакція обезуглерожування (7.2).

Зниження тиску зміщує рівновагу цієї реакції у напрямі. Перевагою такого методу є відсутність у металі продуктів розкислення. Цей спосіб реалізується при позапічній обробці сталі.

Існує комплексне розкислення, засноване на застосуванні комплексних розкислювачів – сплавів двох або кількох компонентів (силікокальцій, силікомарганець та ін.). Переваги використання таких розкислювачів зумовлені суттєвим покращенням термодинамічних умов розкислення та більш сприятливими кінетичними умовами зародження, укрупнення та видалення неметалевих включень.

Так, добавка Mn Fe при розкисленні його кремнієм призводить до підвищення розкислювальної здатності останнього.

Ефект збільшення розкислювальної здатності під впливом другого компонента пояснюється зменшенням термодинамічної активності оксиду, що утворюється, в складних продуктах розкислення, які істотно відрізняються від продуктів при роздільному розкисленні.

Під розкислювальною здатністю елемента розуміють рівноважну концентрацію кисню, розчиненого в залозі (металі), що відповідає при даній температурі певного вмісту цього елемента. Очевидно, що чим менша ця концентрація при даному вмісті розкислювача, тим вища розкислювальна здатність елемента.

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

Прирівнюючи праву частину рівняння (7.10) до нуля і вирішуючи його щодо R, знаходимо концентрацію розкислювача R, що відповідає мінімальному вмісту кисню в металі; при цьому значення коефіцієнтів активності компонентів знаходимо за співвідношенням (7.7) та (7.8):

(7.11)

(7.12)

Підставляючи значення [R] із співвідношення (7.12) рівняння (7.9), визначаємо мінімальну концентрацію кисню в металевому розплаві, що розкислюється елементом R:

(7.13)

На рис. 7.2 представлені розкислювальні здібності деяких елементів у рідкому залозі за Т = 1600 °С.

Зміст кисню складно залежить від . При невеликих концентраціях розкислювача із збільшенням R вміст кисню знижується. Подальше збільшення призводить до зростання концентрації кисню у металі. Однак при зростанні вмісту кисню, викликаного зменшенням коефіцієнта активності, знижується активність кисню, що підтверджується експериментальними даними. Переломи на кривих залежностях вмісту кисню у рідкому залозі на рис. 7.1 є наслідком утворення різних продуктів розкислення за зміни вмісту розкислювача.

Зародження продуктів розкислення може здійснюватися в гомогенній фазі (так зване спонтанне зародки) або на готових поверхнях (поверхні стінок агрегату, шлаку, зважені включення, оксидні плівки на розкислювачах).

У всіх випадках зародження нових фаз здійснюється в результаті флюктуацій - випадкового накопичення частинок (атом, іонів), що відрізняються за складом від середнього вмісту в металі. Ці флюктуації залежно від їхньої величини та зовнішніх умов можуть зникати або, подолавши деякий енергетичний бар'єр, розвиватися, переростаючи у включення.

Мал. 7.2 Розкислювальна здатність елементів у рідкому залозі при Т = 1600°С

Експериментально підтверджено, що в гомогенній системі при формуванні зародків нової фази в них спочатку переходять ті, що мають підвищену спорідненість до кисню і викликають найбільше поверхневе натяг на межі розділу фаз "метал - зародок нової фази". При подальшому зростанні включень концентрація активних компонентів, що у процесі формування нової фази, знижується. Ті компоненти розплаву, які сприяють зниженню термодинамічної активності оксидів, що відокремлюються у флюктуації, полегшують формування зародків, а сприяють зниженню активності розкислювача та кисню в металі, ускладнюють їх відокремлення.

У разі зародження включень на газових поверхнях істотним, крім зазначених вище для гомогенних фаз, є ефект змочування поверхні фазою, що відокремлюється. Що менше кут змочування, то дрібніші флюктуації стають зародками. Формування зародків полегшується за переважного відокремлення речовин, капілярно-активних межі розділу фаз.

У разі істотного відхилення від рівноважного стану гомогенне зародок є визначальним. При зниженні перенасичень того чи іншого компонента зростає роль готових поверхонь як центрів зародка освіти. Вплив готових поверхонь, особливо при виділенні твердих включень, тим ефективніше, чим ближче орієнтаційна і розмірна відповідність кристалів включення, що відокремлюється, і наявної підкладки.

Зародження включення (їх вихідний розмір порядку 1 нм) укрупнюються в результаті коагуляції (з'єднання) частинок при зіткненні та виділення на цих частинках речовини з металевого розплаву у зв'язку з перенасичення розчину. На швидкість коагуляції впливає частота та ефективність зіткнення частинок, що відбувається внаслідок броунівського руху, а також через відмінність швидкостей руху, що викликається неоднаковими розмірами та щільністю частинок та наявністю конвективних струмів

Конвективні струми забезпечують доставку продуктів розкислення з глибини металу до розділу «метал – шлак». Переміщення включення біля межі металу зі шлаком визначається напрямом і величиною рівнодіючої низки сил: виштовхує (архімедової) F A , обумовленої різницею щільностей металу і шлаку і спрямованої вертикально вгору; капілярної F кап, викликаної градієнтом концентрації капілярно-активних речовин і спрямованої у бік більш високої концентрації; інерційних - відцентрової F Ц, викликаної викривленням траєкторії і спрямованої в глиб металу, так як щільність включень менше щільності сталі, і сили інерції F і напрямок якої залежить від напрямку руху частинок: для вільно спливаючих включень вона спрямована вертикально вгору, а для переносимих потоками - Збігається з напрямком потоку.

Залежно від розміру та форми включень, розкисленості металу та шлаку, гідродинаміки потоків, вплив кожної із зазначених сил на швидкість підходу частинки до поверхні шлаку виявляється різним. Великі включення підходять до кордону переважно під дією сили, що виштовхує, дрібніші – під дією капілярних, особливо при великому градієнті концентрації кисню.

Зі зменшенням поверхні, на яку діють ці сили, зростає тиск і швидше реалізується прорив металевого прошарку. Легше долається такий опір твердими включеннями неправильної форми із гострими гранями, складніше – із плоскими.

Таким чином, чим повніше розкислена сталь і видалені з неї включення, тим вища якість готового металу.

8. РОЗПОДІЛ ЕЛЕМЕНТІВ МІЖ МЕТАЛОМ І ШЛАКОМ

Розподіл елементів-домішок рідкого металу або будь-якого металу (елемента) між металевою та шлаковою фазами залежить від хімічної спорідненості елементів до кисню, складу шлаку, взаємодія елементів між собою в металі та шлаку, температури.

Вплив хімічного складу шлаку пов'язане з хімічними властивостями оксиду, що утворюється при окисленні домішки елемента.

Вплив температури проявляється в залежності від знака теплового ефекту реакції окислення домішки та переходу оксиду в шлак, який, як правило, позитивний (ΔН< 0).

Охарактеризувати розподіл елементів, що відбувається внаслідок хімічної реакції між металом та шлаком, можна за допомогою коефіцієнта розподілу речовини L i .

Цей показник за певних умов може бути кількісною характеристикою розподілу домішки внаслідок окислювальної реакції зі зміною електронного стану цієї домішки під час переходу з однієї фази до іншої.

Виразити рівноважний показник розподілу можна з константи рівноваги реакції окислення елемента, що відбувається, наприклад, при взаємодії контактуючих фаз металевого та шлакового розплавів:

X [Е] + y (FeO) = (Еx O y) + y; (8.1)

. (8.2)

З урахуванням (8.2) коефіцієнт розподілу елемента [Е] виразиться у вигляді:

. (8.3)

Аналіз рівняння (8.3) дозволяє виявити умови переведення елементів з однієї фази в іншу: з металу в шлак чи навпаки. Нижче розглянуто приклади розподілу деяких елементів між металом та шлаком.

Для кремнію рівновага реакції міжфазного розподілу виразиться як

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

. (8.5)

Умови максимального переходу кремнію з металевого в шлаковий розплав будуть такі:

1) зниження температури, що дозволяє збільшити величину КSi, так як для даної хімічної реакції ΔН< 0;

2) збільшення активності (FeO) у шлаку та окисленості металу [% O];

3) зменшення коефіцієнта активності частинок, що містять Si у шлаку;

4) збільшення активності Si у металевому розплаві.

Умови 2 і 3 виконуються за певної основності шлаку: підвищення % CaO знижує коефіцієнт активності частинок, що містять Si за рахунок їх угруповань з іонами Ca 2+.

Кремній має високу спорідненість до кисню, для нього EN-US"> 2[P] + 5(FeO) + 4(CaO) = (4(CaO)·(P 2 O 5 )) + 5; (8.6)

(8.7)

Активність частинок, що містять фосфор у шлаку, зменшується при підвищенні вмісту CaO , що пов'язано з утворенням угруповань типу 4CaO · P 2O 5. З аналізу (8.6) та (8.7) випливає, що для більш повного переведення фосфору з металу в шлак необхідно підвищити EN -US">FeO, а також CaO. При цьому найбільший вплив однієї з цих величин проявляється при підвищених значеннях іншої.

Умовами максимального переведення фосфору з металу в шлак є:

1) збільшення активності FeO (іонів Fe 2+ та О2-) у шлаку, що дозволяє отримати окислену форму фосфору (P 2O 5);

2) підвищення вмісту CaO та основності шлаку, що дозволяє знизити активність частинок в оксидному розплаві, що містять фосфор;

3) зниження температури: даний фактор слід враховувати за інших рівних умов, оскільки підвищення температури в сучасних окислювальних процесах не знижує можливості видалення фосфору при отриманні більш основних дофосфоруючих шлаків;

4) присутність у металевому розплаві елементів, що мають позитивні параметри взаємодії з фосфором (вуглець, кремній, кисень).

БІБЛІОГРАФІЧНИЙ СПИСОК

1. Теорія металургійних процесів: навчальний посібник для вузів / , та ін - М.: Металургія, 1989. - 392 с.

2. Попель, металургійних процесів: навчальний посібник для вузів / , . - М.: Металургія, 1986. - 463 с.

3. Падерин, та розрахунки металургійних систем та процесів: навчальний посібник для вузів / , . - М.: МІСІС, 2002. - 334 с.

4. Григорян, основи електросталеплавильних процесів: підручник для вузів / . - М.: Металургія, 1989. - 288 с.

5. Козачков, з теорії металургійних процесів: навчальний посібник для вузів / . - М.: Металургія, 1988. - 288 с.

Вступ ………………………………………………………...…………......…… 3
1. Склад та властивості високотемпературної газової атмосфери

1.1. Термодинаміка газових атмосфер ………………………………………… 3
1.2. Гомогенні газові процеси …………………………………………….. 7
2. Аналіз процесів горіння твердого вуглецю ………………………………… 9
3. Оцінка міцності хімічних сполук ………………………………….. 11
3.1. Дисоціація карбонатів ………………………………………………….. 12
3.2. Дисоціація оксидів заліза ……………………………………………... 13
3.3. Механізм та кінетика процесів дисоціації ………………………….. 15
3.4. Окислення твердих металів ……………………………………………... 18
4. Процеси відновлення металів

4.1. Термодинамічна характеристика процесів відновлення …….... 21
4.2. Відновлення оксидів заліза твердими та газоподібними

відновниками ………………………………………………………….. 21
4.3. Механізм та кінетика процесів відновлення ……………………….. 23
5. Металургійні розплави

5.1. Загальна характеристика …………………………………………………….. 26
5.2. Металеві розплави. …………………………………………………. 27
5.3. Термодинамічні властивості металевих розплавів. Параметри

взаємодії ……………………………..……………………………… 28
5.4. Шлакові розплави. Склад, будова, термодинамічні властивості …29
6. Гази у сталях. Процеси нітридоутворення ……………………….……… 31
7. Розкислення металевих розплавів ………………………………………. 34
8. Розподіл елементів між металом і шлаком ………………..…… 40
Бібліографічний список ……………………………………………………… 43

Козачков Є.А. Розрахунки з теорії металургійних процесів (Документ)

Гольдштейн Н.Л. Короткий курс теорії металургійних процесів

Дільдін А.М., Соколова О.В. Теорія металургійних процесів (Документ)

Кривандін В.А. Філімонов Ю.П. Теорія конструкції та розрахунки металургійних печей Том1 (Документ)

Дудников І.А. Основи теорії металургійних процесів

Шароглазов Б.А., Фарафонтов М.Ф., Клементьєв В.В. ДВС: Теорія, моделювання та розрахунок робочих процесів (Документ)

Луканін В.М., Морозов К. А., Хачіян А.С. та ін. Теорія робочих процесів (Документ)

Глінков Г.М., Маковський В.А. АСУ ТП у чорній металургії (Документ)

Гіхман І.І., Скороход А.В. Вступ до теорії випадкових процесів (Документ)

Коновалов А.В., Нерівний В.М., Куркін А.С., Теорія зварювальних процесів. Підручник для вузів (Документ)

n1.doc

ФГОУ ВПО

СИБІРСЬКИЙ УНІВЕРСИТЕТ ФЕДЕРАЛЬНИЙ

ІНСТИТУТ КОЛЬОРОВИХ МЕТАЛІВ

І МАТЕРІАЛОВЕДЕННЯ

ТЕОРІЯ МЕТАЛУРГІЙНИХ ПРОЦЕСІВ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ ДЛЯ СТУДЕНТІВ СПЕЦІАЛЬНОСТІ

ІНЖЕНЕР-ФІЗИК

КРАСНОЯРСЬК 2008

УДК 669.541

ББК 24.5

Рецензент
Затверджено як навчальний посібник
І.І.Копач
До 55 Теорія металургійних процесів:Навч. Посібник спеціальності «Інженер-фізик»/СФУ. Красноярськ, 2008. - 46 с.

ISBN 5-8150-0043-4
У посібнику викладено теоретичні положення основних процесів металургійного виробництва, як то: дисоціація, окислювально-відновлювальні процеси, хімічні та фізичні методи рафінування, шлаки металургійного виробництва та металургія сульфідів.
Сибірський федеральний університет, 2008

Вступ

1. 
   ДИСОЦІАЦІЯ ХІМІЧНИХ СПОЛУК
2. 
   СКЛАД І ВЛАСТИВОСТІ ГАЗОВОЇ ФАЗИ ПРИ ВИСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ.
3. 
   ОКИСЛЮВАЛЬНО-ПОСТАНОВЧІ ПРОЦЕСИ.
   1. 
      Відновлення воднем
   2. 
      Відновлення твердим вуглецем
   3. 
      Відновлення газом СО
   4. 
      Відновлення металами

4. РАФНУВАННЯ МЕТАЛІВ

4.1. Пірометаллургічні методи рафінування

4.2. Фізичні методи рафінування

1. 
   Відстоювання
2. 
   Кристалізація
3. 
   Вакуумне рафінування

5. ПЕРЕРОБКА СУЛЬФІДНИХ МАТЕРІАЛІВ.

1. 
   Роздільна плавка.
2. 
   Конвертування штейнів.

6. МЕТАЛУРГІЙНІ ШЛАКИ.

1. 
   Будова шлакових розплавів

ВСТУП

Теорія металургійних процесів – це фізична хімія, що описує поведінку хімічно реагуючих систем за високих температур, не більше від 800 до 2500 До більше.

Прискорений прогрес людства почався після того, як люди навчилися використовувати метали. Рівень розвитку країни і в даний час значною мірою визначається рівнем розвитку металургійної, хімічної та видобувних галузей. В даний час шляхи екстенсивного розвитку практично вичерпані і на перше місце постало питання про інтенсивний розвиток усіх галузей виробництва, у тому числі і металургії. Останні десятиліття характеризуються якісно новими підходами до всіх виробничих процесів, це:

1. 
   енерго – та ресурсозбереження,
2. 
   глибока переробка сировини та техногенних відходів,
3. 
   використання нових досягнень науки у виробництві,
4. 
   використання мікро- та нанотехнологій,
5. 
   автоматизація та комп'ютеризація виробничих процесів,
6. 
   мінімізація шкідливих воєдій на довкілля.

Перелічені (і багато інших) вимоги висувають високі вимоги до рівня фундаментальної та спеціальної підготовки сучасного інженера.

Пропонований навчальний посібник з теорії металургійних процесів є спробою викладу дисципліни першому, найнижчому рівні складності, тобто. без математичних доказів, з мінімальним обґрунтуванням вихідних положень та аналізом отримуваних результатів. Посібник складається з 6-ти розділів, що охоплюють практично весь процес одержання металів із руд та концентратів.

Спочатку згадаємо відомий зі шкільного курсу хімії доменний процес виплавки чавуну із залізняку або залізорудних концентратів. У доменній печі існують три фази:

1. 
   газова фаза, що складається з газів СО, СО 2 парів металів і оксидів,
2. 
   шлакова фаза, що складається з розплавлених оксидів CaO, SiO 2 Al 2 O 3 FeO, MnO та ін.
3. 
   металева фаза, що складається з рідкого заліза та розчинених у ньому домішок, таких як вуглець, марганець, кремній, фосфор, сірка та ін.

Усі три фази взаємодіють між собою хімічно та фізично. Оксид заліза відновлюється в шлаковій фазі і переходить у металеву фазу. Кисень, розчинений у шлаковій фазі, перетворюється на металеву фазу і окислює у ній домішки. Краплі оксидів спливають у металевій фазі, а краплі металу осідають у шлаковій фазі. Перехід компонентів з однієї фази в іншу пов'язаний з перенесенням їх через межі розділу фаз, отже інженер – металург працює з багатокомпонентними, гетерогенними, хімічно реагуючими системами.

В даний час металургія отримує близько 70 металів, які прийнято поділяти на кольорові та чорні. До останніх відносять всього 4 метали: залізо, марганець, ванадій і хром. Група кольорових металів більш численна, тому поділяється на такі підгрупи.

1. 
   Тяжкі: мідь, свинець, цинк, нікель, олово, ртуть, всього 18 елементів.
2. 
   Легкі метали: алюміній, магній, титан, кремній, лужні та лужноземельні метали, всього 12 елементів.
3. 
   Шляхетні: золото, срібло, платина та ін. всього 8 елементів, свою назву вони отримали через відсутність спорідненості до кисню, тому в природі знаходяться у вільному (неокисленому) стані.
4. 
   Рідкісні метали: тугоплавкі – 5 елементів, рідкісноземельні – 16 елементів та радіоактивні – 16 елементів.

За способом виробництва процеси отримання металів поділяються на три групи:

пірометаллургічні,

гідрометалургійні та

електрометалургійні процеси.

Перші з них протікають при температурах порядку 1000 - 2500 До при цьому компоненти знаходяться в розплавленому та розчиненому станах.

Другі протікають у водних, рідше в органічних розчинниках, при температурах 300 - 600 К. Багато гідрометалургійних процесів протікають також і при підвищених тисках, тобто. у автоклавах.

Електрометалургійні процеси протікають на електродах як у водних розчинах, так і в сольових розплавах за різних температур. Наприклад, електроліз глинозему в кріоліт-глиноземному розплаві протекат при 1230 К, а електроліз платини з водного електроліту - при 330 К.

Сировиною для багатьох металів є, передусім, окислені руди, їх отримують алюміній, залізо, хром, марганець, титан, частково мідь, нікель, свинець. З менш поширених сульфідних руд отримують такі метали як мідь, свинець, нікель, кобальт і шляхетні метали. З хлоридних руд (з вод морів та озер) отримують магній, кальцій та лужні метали.

Металургійні виробництва шкідливо впливають на навколишнє середовище, а саме:

1. 
   викиди реакційних газів, таких як CO, SO 2 , SO 3 , Cl, CS 2 і багато інших газів,
2. 
   плевиді та рідкі частинки різної крупності та складу,
3. 
   злив великих обсягів промислових вод, що забруднюють водні об'єкти, у тому числі й питного водопостачання.
4. 
   велике скидання надлишкової, малоцінної енергії, яка може бути використана для обігріву теплиць та ін.

Зазначені чинники негативно впливають. Насамперед, на працівників підприємств, а також на прилеглі міста та населені пункти. Тому одним із найважливіших завдань інженера є організація та планування виробництва таким чином, щоб мінімізувати шкідливі впливи на навколишнє середовище. Екологічні проблеми мають бути першому місці у суспільному виробництві, а й у особистому самообмеженні кожної людини, у вигляді повного чи часткового відмовитися від особистого транспорту, від надмірного споживання енергоресурсів та інших.

Наближена оцінка показує, що людина, яка добирається на роботу в громадському транспорті, витрачає приблизно на порядок менше пального та кисню, порівняно з аматорами комфорту, що йдуть на самоті в автомобілі з робочим об'ємом двигуна кілька літрів. Майбутнє людства, як мислячої спільноти, перебуває на шляху свідомого самозміцнення у сфері споживання товарів, послуг та, зрештою – енергоресурсів.

Металургія чорних металів

Завантажити книгу у форматі «djvu» ви можете наприкінці опису.

Розділ перший. МЕТАЛУРГІЯ чавуну

Глава I. Сирі матеріали доменної плавки

§1. Вимоги до шихтових матеріалів
§ 2. Залізні руди
§ 3. Марганцеві руди
§ 4. Флюси
§ 5. Відходи виробництва
§ 6. Паливо доменної плавки

Розділ II. Підготовка залізняку

§1. Дроблення та подрібнення руди
§ 2. Сортування руди
§ 3. Збагачення руди
§ 4. Окускування залізняку і концентратів
§ 5. Виробництво котунів

Розділ III. Влаштування доменної печі

§ 1. Шахта та горн доменної печі
§ 2. Колошникове пристрій
§ 3. Подання шихти в доменну піч
§ 4. Автоматизація доменної печі
§ 5. Розливання чавуну та шлаку
§ 6. Розливні машини
§ 7. Подача повітряного дуття в піч та його нагрівання
§ 8. Очищення доменного газу

Розділ IV. Доменний процес

§ 1. Рух матеріалів у доменній печі
§ 2. Нагрів шихти
§ 3. Видалення вологи та летких
§ 4. Розкладання вуглекислих сполук
§ 5. Відновлення оксидів заліза
§ 6. Відновлення кремнію та виплавлення крем'янистих чавунів
§ 7. Відновлення марганцю та виплавка марганцовистих чавунів
§ 8. Утворення чавуну та шлаку в доменній печі
§ 9. Поведінка фосфору
§ 10. Поведінка сірки
§ 11. Процеси згоряння палива в горні доменної печі
§ 12. Методи інтенсифікації доменного процесу
§ 13. Продукти доменної плавки
§ 14. Техніко-економічні показники доменного процесу

Глава V. Пряме отримання заліза

§ 1. Відновлення газом у товстому шарі
§ 2. Відновлення твердим вуглецем

Розділ другий. МЕТАЛУРГІЯ СТАЛИ

§1. Класифікація сталі

Розділ VI. Фізико-хімічні основи виробництва сталі

§ 1. Загальні відомості з фізичної хімії, що використовуються для вивчення металургії сталі
§ 2. Шлаки сталеплавильних процесів
§ 3. Основні реакції сталеплавильних процесів

Розділ VII. Виробництво сталі в конвертерах

§ 1. Коротка характеристика безсемерівського та томасівського виробництва сталі
§ 2. Сутність киснево-конвертерного процесу
§ 3. Киснево-конвертерний процес з верхнім продуванням
§ 4. Киснево-конвертерний процес з дійним продуванням
§ 5. Конвертерний процес з комбінованим продуванням
§ 6. Конвертерний переділ високофосфористих чавунів
§ 7. Очищення киснево-конвертерних газів
§ 8. Контроль плавки та автоматизація процесу
§ 9. Якість сталі та техніко-економічні показники киснево-конвертерного процесу
§ 10. Влаштування киснево-конвертерних цехів

Також вас може зацікавити:

Розділ VIII. Виробництво сталі в мартенівських печах

§ 1. Історія розвитку мартенівського процесу
§ 2. Сутність мартенівського процесу
§ 3. Влаштування мартенівської печі
§ 4. Теплова робота та паливо мартенівської печі
§ 5. Різновиди мартенівського процесу
§ 6. Основний мартенівський процес та його різновиди
§ 7. Кислий мартенівський процес
§ 8. Техніко-економічні показники мартенівського процесу
§ 9. Двованні сталеплавильні печі

Розділ IX. Виробництво сталі в електричних печах

§ 1. Влаштування дугових електропечей
§ 2. Плавка стали в основній дуговій електропечі
§ 3. Плавка у кислій електропечі
§ 4. Індукційні печі та плавка в них

Глава X. Застосування вакууму у виробництві сталі та сплавів

§ 1. Виплавлення сталі у вакуумних печах
§ 2. Обробка рідкої сталі у вакуумі
§ 3. Спеціальні методи електрометалургії

Розділ XI. Розливання сталі

§ 1. Розливання стали зверху
§ 2. Розливання стали сифоном
§ 3. Устаткування для розливання сталі
§ 4. Технологія розливання
§ 5. Розливання сталі на УНРС
§ 6. Поняття про киплячу, спокійну і напівспокійну сталь
§ 7. Будова сталевих зливків
§ 8. Хімічна неоднорідність та вади сталевих зливків

Розділ XII. Виробництво феросплавів

§1. Влаштування феросплавних печей
§2. Технологія виробництва феросиліція
§3. Виробництво вуглецевого феромарганцю
§4. Виробництво вуглецевого ферохрому
§5. Металотермічний спосіб виробництва феротитану

Розділ третій. ОБРОБКА МЕТАЛІВ ТИСКОМ

Розділ XIII. Пластична деформація та основи теорії прокатки

§1. Сили та напруги
§2. Схеми напруженого стану та схеми деформації
§3. Рівняння пластичності
§4. Пластична деформація металів та сплавів у гарячому та холодному стані
§5. Пластична зміна форми кристалічних тіл
§6. Нерівномірність деформації
§7. Постійність обсягу металу та коефіцієнти деформації
§8. Дислокації
§9. Закон найменшого опору
§10. Основи теорії прокатки
§11. Умови захоплення металу валками
§12. Роль тертя під час прокатування. коефіцієнт тертя при пластичній деформації
§13. Залежність робочого діаметра валків від ступеня деформації та коефіцієнта тертя
§14. Розширення при прокатці
§15. Випередження під час прокатування
§16. Зусилля прокатки
§17. Напрямок сил, що діють на валки, та момент прокатки
§18. Експериментальне визначення зусилля прокатки

Розділ XIV. Нагрівання металу перед прокаткою та нагрівальні пристрої

§1. Температура нагрівання стали перед прокаткою
§2. Швидкість нагріву металу
§3. Температура металу наприкінці прокатки
§4. Охолодження стали після прокатки
§5. Нагрівання злитків
§6. Нагрівання заготовок

Розділ XV. Основне та допоміжне обладнання прокатних станів

§1. Головна лінія прокатного табору
§2. Класифікація прокатних станів
§3. Класифікація робочих клітей прокатних станів
§4. Устаткування головної лінії прокатного табору
§5. Допоміжне обладнання прокатних станів

Розділ XVI. Технологія прокатки

§1. Підготовка злитків та заготовок до прокатки
§ 2. Калібрування валків
§ 3. Контроль технологічного процесу
§ 4. Технологічні схеми прокатного виробництва на металургійному заводі
§ 5. Виробництво блюмів
§ 6. Виробництво заготовок
§ 7. Виробництво великосортної сталі
§ 8. Виробництво середньосортної сталі
§ 9. Виробництво дрібносортної сталі
§ 10. Виробництво катанки
§ 11. Виробництво рейок та балок
§ 12. Стани спеціального призначення
§ 13. Техніко-економічні показники роботи сортових прокатних станів
§ 14. Виробництво товстолистової сталі
§ 15. Виробництво широкосмугової сталі
§ 16. Виробництво холоднокатаних листів та стрічок
§ 17. Виробництво прокату із металевих порошків
§ 18. Техніко-економічні показники роботи листових прокатних станів

Розділ XVII. Виробництво безшовних та зварних труб

§ 1. Виробництво безшовних труб
§ 2. Виробництво труб на автоматичному стані
§ 3. Виробництво труб на безперервному стані
§4. Виробництво холоднокатаних труб
§ 5. Виробництво труб методом безперервного пічного зварювання
§ 6. Виробництво електрозварних труб

Розділ XVIII. Волочильне виробництво

§ 1. Основи теорії волочіння
§ 2. Волоки
§ 3. Змащення при волочении
§ 4. Технологічний процес виробництва дроту
§ 5. Машини для волочіння дроту