Термодинамические расчеты металлургических процессов

Термодинамический анализ в металлургическом производстве используется для изучения путей совершенствования существующих и разработки новых технологических процессов. Он позволяет определить оптимальные условия (температура, давление, состав реагирующих фаз), при которых будет получен нужный результат. Химическое равновесие в металлургических системах обычно не достигается, но как показывает практика работы металлургических агрегатов, в определенных условиях протекающие в них процессы обеспечивают состояние, близкое к нему.

Например: в доменной печи концентрация примесей в чугуне на выпуске постоянно близка к равновесной со шлаком, а содержание углерода в металле зависит от предела насыщения железа при данной температуре и содержания других примесей. В сталеплавильных агрегатах концентрация отдельных примесей в стали также приближается к равновесной. Для исследования такого равновесия в лабораторных условиях используют длительную выдержку при постоянной температуре.

Результаты термодинамического анализа не зависят от масштабного фактора. Это значит, что сведения о термодинамике процесса, полученные в лабораторных условиях с определенной корректировкой можно использовать для расчета равновесий реакций, протекающих в промышленных агрегатах. При помощи термодинамических расчетов находят направление физико-химических процессов, содержание веществ в реагирующих фазах в состоянии равновесия, оптимальные условия, обеспечивающие получение продукта с заданными свойствами.

Для многокомпонентных систем этим путем можно установить порядок и степень преимущественного восстановления или окисления различных элементов.

Направление реакции определяется химическим потенциалом веществ (µ_i), участвующих в ней:

, (1.1)

где G - энергия Гиббса; n_i - число молей i - го компонента.

Химический потенциал связан с активностью (a_i):

(1.2)

Рассчитывая ∆µ_i для физико-химического процесса, находят его направление.

Стандартное изменение энергии Гиббса ∆G⁰ связано с константой равновесия химической реакции К зависимостью:

(1.3)

Отсюда константу равновесия в определенном интервале температур можно рассчитать по величине ∆G⁰ или изменению Энтальпии ∆H⁰ и энтропии ∆S⁰ в этом интервале.

Значение изменения энергии Гиббса, энтальпии и энтропии при температуре до 1500-2000К для большинства веществ имеются в справочниках.

Для многих химических реакций в специальной литературе приводятся данные коэффициентов уравнения

(1.4)

где А и В - постоянные коэффициенты

В соответствии с законом действующих масс константа равновесия реакции в реальных растворах выражается соотношением между активностями веществ - продуктов реакции и реагентов.

Для металлических расплавов коэффициенты активности γ_i^j и f_i^j рассчитывают по приводимым в справочной литературе параметрам взаимодействия e_i^j, ε_i^j:

(1.5)

Коэффициенты активности вещества в многокомпонентной системе на основании правила аддитивности описываются формулой

(1.6)

где x_j,c_i,1,2…j - концентрация примесей в металле.