1 19.12.2012 J. Leitner - Ústav inženýrství pevn ých látek, VŠCHT Praha Chemické rovnováhy (část 2.4.) Stavové chování a termodynamické vlastnosti pevných látek Rovnováhy reakcí za účasti čistých pevných látek Termodynamické vlastnosti pevných roztoků a tavenin Rovnováhy v mnohosložkových heterogenních systémech – příklad systému Fe-O-S-Ce (termodynamický rozbor rafinace a modifikace oceli)
Chemické rovnováhy (část 2.4.). Stavové chování a termodynamické vlastnosti pevných látek Rovnováhy reakcí za účasti čistý ch pevný ch lát e k Termodynamické vlastnosti pevných roztoků a tavenin - PowerPoint PPT Presentation
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
119.12.2012 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
Chemické rovnováhy(část 2.4.)
Stavové chování a termodynamické vlastnosti pevných látek
Rovnováhy reakcí za účasti čistých pevných látek
Termodynamické vlastnosti pevných roztoků a tavenin
Rovnováhy v mnohosložkových heterogenních systémech – příklad systému Fe-O-S-Ce (termodynamický rozbor rafinace a modifikace oceli)
219.12.2012 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
Oceli Surové železo, litiny
OceliMultikomponentní systémy na bázi Fe s obsahem uhlíku
pod cca 2 hm. %.
319.12.2012 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
Výroba oceliVýroba oceli
World Steel in Figures 2012http://www.worldsteel.org/
20111517,9 – World683,9 China (1.- 45.1%)5,6 CR (28. - 0,37%)
419.12.2012 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
Výroba oceliVýroba oceli
519.12.2012 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
Výroba oceliZe surového železa a železného (kovového) šrotu v kyslíkových konvertorech
(BOV, BOF) nebo v elektrických obloukových pecích (EAF). Podstatou je rafinace kyslíkem – oxidace přítomných nežádoucích prvků, které jsou ve
formě oxidů převedeny do strusky.
www.me.gatech.edujonathan.colton/
me4210/flowline1.gif
619.12.2012 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
Rafinace a modifikace ocelíPro zvýšení čistoty ocelí se provádí tzv. mimopecní zpracování (Ladle Metallurgy). Spočívá ve snížení obsahu rozpuštěných prvků O, S a H.
719.12.2012 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
Systém Fe-OSystém Fe-O
FeO(liq)Fe+[O]Fe(liq)
819.12.2012 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
Systém Fe-OSystém Fe-O
Při teplotě 1873 K je stabilní pouze tavenina, která vykazuje omezenou mísitelnost.
Výpočet rozpustnosti O v tavenině Fe-O
FeO(l2) = Fe(l1) + [O]Fe(l1) (R1)
Fe [O]1 [O] [O] [O]
FeO
a aK a x
a
Látka o1873(kJ/mol)
Fe(l) -114,456
FeO(l) -492,514
O2(g) -445,335
[O]Fe(l) -293,168
O[O] O [O]ln x
31 4,29 10K
O1 [O] O [O]ln lnK x x
OO 12,5
[O] [O]ln 12,5 5,451 0x x
Fe-OFe-O
919.12.2012 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
Výpočet rozpustnosti O v tavenině Fe-O
3[O] 4,54 10x
Systém Fe-OSystém Fe-O
[O] [O]ln 12,5 5,451 0x x
1E-4 1E-3 0,01 0,1 1-8
-6
-4
-2
0
2
4
x[O]
= 0,353
x[O]
= 4,54.10-3
F(x
[O])
x[0]
Řešení x[O] = 0,353 není reálné, protože podle fázového diagramu není tavenina o tomto složení termodynamicky stabilní
1019.12.2012 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
Systém Fe-SSystém Fe-S
1119.12.2012 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
Systém Fe-OSystém Fe-O-S-S
Při teplotě 1873 K je stabilní pouze tavenina, která vykazuje omezenou mísitelnost.
Výpočet rozpustnosti O v tavenině Fe-O-S(-C)
FeO(l2) = Fe(l1) + [O]Fe(l1) (R1)
Fe [O]1 [O] [O] [O]
FeO
a aK a x
a
O S C[O] O [O] O [S] O [C]ln x x x
31 4,29 10K
O S C1 [O] O [O] O [S] O [C]ln lnK x x x x
OO
SO
CO
12,5
17,1
22,0
[O] [O] [S] [C]ln 12,5 17,1 22,0 5,451 0x x x x
1219.12.2012 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
Výpočet rozpustnosti O v tavenině Fe-O-S(-C)
Vliv přítomnosti síry
Vliv přítomnosti uhlíku
Systém Fe-O-SSystém Fe-O-S
3[S] [O]0,01: 5,28 10x x
3[S] [C] [O]0,01, 0,02 : 8,83 10x x x
[O] [O]ln 12,5 5,280 0x x
[O] [O]ln 12,5 4,84 0x x
[O] [O] [S] [C]ln 12,5 17,1 22,0 5,451 0x x x x
1319.12.2012 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
Systém Fe-CeSystém Fe-Ce
1419.12.2012 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
Systém Ce-SSystém Ce-S
Látka Ttání(K) o1873(kJ/mol)
Ce(l) 1072 -195,980
[Ce]Fe(l) -230,0
S2(g) -365,321
[S]Fe(l) -211,0
CeS(s) 2723 -743,142
Ce3S4(s) 2323 -2493,248
Ce2S3(s) 2163 -1775,059
1519.12.2012 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
Systém Fe-Ce-SSystém Fe-Ce-S
Výpočet rozpustnosti S v tavenině Fe-Ce-S
CeS (s) = [Ce]Fe(l) + [S]Fe(l) (R2)
Ce3S4(s) = 3[Ce]Fe(l) + 4[S]Fe(l) (R3)
Ce2S3(s) = 2[Ce]Fe(l) + 3[S]Fe(l) (R4)
[Ce] [S]2 [Ce] [S]
CeS
a aK a a
a
2 3
2 3[Ce] [S] 2 3
4 [Ce] [S]Ce S
a aK a a
a
3 4
3 4[Ce] [S] 3 4
3 [Ce] [S]Ce S
a aK a a
a
1619.12.2012 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
Systém Fe-Ce-SSystém Fe-Ce-S
Výpočet rozpustnosti S v tavenině Fe-Ce-S
CeS (s) = [Ce]Fe(l) + [S]Fe(l) (R2)
[Ce] [S]2 [Ce] [S] [Ce] [Ce] [S] [S]
CeS
a aK a a x x
a
Ce S[Ce] Ce [Ce] Ce [S]ln x x
92 3,745 10K
Ce S S Ce2 [Ce] Ce [Ce] Ce [S] [S] S [S] S [Ce]ln ln lnK x x x x x x
Ce S Ce SCe S S Ce4,3 5,0 1040
S Ce[S] S [S] S [Ce]ln x x
Ce Ce S S[Ce] Ce S [Ce] [S] S Ce [S] 2ln ln ln 0x x x x K
1719.12.2012 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
-6 -5 -4 -3 -2-7
-6
-5
-4
-3
-2
CeS(s) + tavenina
Tavenina
log
x [S]
log x[Ce]
Systém Fe-Ce-SSystém Fe-Ce-S
Ce Ce S S[Ce] Ce S [Ce] [S] S Ce [S] 2ln ln ln 0x x x x K
Řešení za předpokladu ideálního chování
[S] [Ce]log 8,4248 logx x
1819.12.2012 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
Systém Fe-Ce-SSystém Fe-Ce-S
Ce Ce S S[Ce] Ce S [Ce] [S] S Ce [S] 2ln ln ln 0x x x x K
[Ce] [Ce] [S] [S]ln 1035,7 ln 1045,0 19,4034 0x x x x
Pro jaký obsah rozpuštěného Ce je obsah síry minimální ?
[Ce][S] [S]
[S] [Ce] [Ce] [Ce]
[S]
0
Fxx xF F
x x x x Fx
Ce Ce opt 4Ce S [Ce] Ce Ce
[Ce] [Ce] Ce S
1 10 9,655 10
Fx
x x
1919.12.2012 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
Systém Fe-Ce-SSystém Fe-Ce-S
[S] Sln 1045,0 11,4606 0x x
Řešení Newtonovou metodou, existují dvě řešení
min 5[S] 1,0655 10x
1E-6 1E-5 1E-4 1E-3 0,01-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
x[S]
= 6,08.10-3x[S]
= 1,07.10-5
F(x
[S])
x[S]
1 5[S] exp 11,4606 1,0537 10x
Řešení x[S] = 6,08.10-3 není reálné, protože pro vyšší obsah síry je při výpočtu třeba užít i interakční koeficienty 2. řádu.
3[S] 6,0848 10x
2019.12.2012 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
Systém Fe-Ce-SSystém Fe-Ce-S
-6 -5 -4 -3 -2-7
-6
-5
-4
-3
-2
CeS(s) + tavenina
Tavenina
log
x [S]
log x[Ce]
2119.12.2012 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha