Контрольні питання
1. Металургійні шлаки: класифікація і технологічні функції.
2. Поняття активності компонентів у розчинах.
3. Закон Рауля.
4. Що таке коефіцієнт активності компонента в розчині.
5. Розподіл компонентів між металом і шлаком: константа і коефіцієнт розподілу.
6. Закон розподілу компонента між двома фазами Нернста-Шилова.
7. Умови десульфурації рідкого металу.
Лабораторна робота № 4 розчинність азоту в розплавах заліза
Ціль роботи: експериментально визначити рівноважні концентрації азоту в розплаві заліза залежно від температури і складу металу, а також парціального тиску азоту.
Теоретичні відомості
Метали у твердому і рідкому стані поглинають гази з навколишньої атмосфери. Невелика розчинність газів і її різка зміна при плавленні та затвердінні є причинами різних дефектів металу і зниження його міцності. Розчинення азоту в розплаві заліза описується реакцією:
N2↔2[N].
Константа рівноваги для цієї реакції:
,
де а[N] = fN·[N] – активність азоту; fN – коефіцієнт активності азоту в розплаві, що враховує вплив на розчинність азоту інших розчинених хімічних елементів. Для розплаву чистого заліза можна допустити рівність активності і концентрації. Тоді:
.
З цього рівняння видно, що розчинність азоту в рідкому залізі (і його розчинах) пропорційна кореню квадратному з парціального тиску азоту в атмосфері.
Зміст роботи
Робота виконується під керівництвом викладача на комп'ютерному тренажері, схема якого наведена на рис. 4.1.
Рисунок 4.1 – Схема комп’ютерного тренажера
Модель установки складається з ковша, поміщеного в герметичну піч, у якій можна регулювати температуру (встановлюючи потрібне значення у віконці температури). З печі можна відкачувати газ вакуумним насосом (включаючи і відключаючи його кнопками "Пуск" і "Стоп") або додавати його з балона (відкриваючи й закриваючи вентиль). Для визначення рівноважної кількості азоту в металі при встановлених параметрах необхідно натиснути на кнопку “[N]=”.
Порядок роботи
1. Дослідити вплив температури на рівноважний вміст азоту в металі. Встановити один з рекомендованих викладачем тисків у камері установки (працюючи з вакуумним насосом або балоном). Змінювати температуру в заданих межах і визначати рівноважний вміст азоту в металі.
2. Дослідити вплив тиску на рівноважний вміст азоту в металі. Повторити дослідження, описані в п. 1, встановивши рекомендовану викладачем температуру і змінюючи тиск.
3. Дослідити вплив розчинених у залізі елементів на рівноважний вміст азоту в металі. Встановивши рекомендовані викладачем температуру і тиск азоту, змінювати вміст заданого елемента.
Розрахунки
Перед початком роботи варто підготувати відповідну таблицю, а при проведенні дослідів її заповнювати і представити у звіті.
Таблиця 4.1 - Дослідження впливу температури металу на розчинність азоту і константу рівноваги
№ з/п |
… |
Kp |
|
T,K |
[N] |
||
|
|
|
|
Після таблиці у звіті необхідно побудувати графік залежності і представити висновок про вплив температури на розчинність азоту в металі і константу рівноваги реакції розчинення.
Таблиця 4.2 - Дослідження впливу тиску азоту на розчинність азоту в металі
№ з/п |
T1 = … |
T2 = … |
||
|
[N] |
|
[N] |
|
|
|
|
|
|
Після проведення експериментів за даними таблиці необхідно побудувати графік залежності , наприклад, як показано на рис. 4.2.
Рисунок 4.2 – Графік залежності
Після таблиці і графіка у звіті необхідно представити висновок про зв'язок між парціальним тиском азоту в атмосфері і його розчинності в металі.
Таблиця 4.3 - Дослідження впливу розчинених у залізі елементів на розчинність азоту (наприклад, вуглецю і хрому)
№ з/п |
Концентрації |
|||
[C] |
[N] |
[Cr] |
[N] |
|
|
|
|
|
|
Після проведення експериментів, за даними таблиці побудувати графік залежності і зробити висновок про зв'язок між концентрацією розчинених у залізі елементів і розчинністю азоту.
У звіті також необхідно представити розрахунок константи рівноваги реакції розчинення азоту і коефіцієнта активності.