А.М. Панфилов, Н.С. Семенова, А.В. Климов

А.М. Панфилов, Н.С. Семенова, А.В. Климов

Версия одиннадцатая

Теория металлургических процессов

Учебное электронное текстовое издание

Подготовлено кафедрой «Теория металлургических процессов»

Научный редактор: проф., докт. хим. наук М.А. Спиридонов

Методические указания к лабораторным работам по дисциплинам «Физико-химия металлургических систем и процессов», «Теория металлургических процессов» для студентов всех форм обучения металлургических специальностей.

Регламентированы правила организации работ в практикумах «Теория металлургических процессов» кафедры ТМП (специализированная аудитория Мт-431 им. О.А. Есина УрФУ и ауд. 404 УрФУ-УГМК). Описаны методика и порядок выполнения лабораторных работ, приведены требования к содержанию и оформлению отчетов по лабораторным работам согласно действующим ГОСТам и рекомендации по их выполнению.

© ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2008

Екатеринбург

Оглавление

Оглавление 2

Введение 4

1 Организация работ в лабораторном практикуме по теории металлургических процессов 4

1.1 Общие сведения 4

1.2 Оценка результатов лабораторных работ в системе БРС 5

1.3 Рекомендации по обработке результатов измерений и оформлению отчета 6

1.2.1 Построение графиков 6

1.2.2 Сглаживание экспериментальных данных 7

1.2.3 Численное дифференцирование функции, заданной набором дискретных точек 8

1.2.4 Расчет скоростей химических реакций 9

1.2.5 Численное интегрирование экспериментальных данных. Вычисление тепловых эффектов 9

1.2.6 Определение методом наименьших квадратов коэффициентов полинома, аппроксимирующего некоторый набор данных 10

1.2.7 Представление результатов 11

2 Описание лабораторных работ 12

2.1 Изучение кинетики высокотемпературного окисления железа (Работа № 13) 13

2.1.1 Общие закономерности окисления железа 13

2.1.2 Описание установки и порядок проведения опытов 15

2.1.3 Обработка и представление результатов измерений 16

Контрольные вопросы 19

2.2 Изучение температурной зависимости удельной электропроводности оксидных расплавов (Работа № 14) 20

2.2.1 Общие сведения о природе электрической проводимости шлаков 20

2.2.2 Описание установки и методики измерений 22

2.2.3 Порядок выполнения работы 24

2.2.4 Обработка и представление результатов измерений 24

Контрольные вопросы 25

2.3 Исследование кинетики десульфурации металла шлаком на имитационной модели (Работа № 15) 26

2.3.1 Общие сведения о кинетике десульфурации металла шлаком 26

2.3.2 Порядок проведения работы 29

2.3.3 Обработка и представление результатов измерений 31

Контрольные вопросы 33

2.4 Термографическое изучение процессов диссоциации природных карбонатов (Работа № 16) 34

2.4.1 Общие закономерности диссоциации карбонатов 34

2.4.2 Схема установки и методика проведения работы 38

2.4.3 Обработка и представление результатов измерений 39

Контрольные вопросы 41

2.5 Изучение температурной зависимости вязкости оксидных расплавов (Работа № 17) 42

2.5.1 Природа вязкого сопротивления оксидных расплавов 42

2.5.2 Описание установки и методика измерений вязкости 43

2.5.3 Порядок проведения работы 45

2.5.4 Обработка и представление результатов измерений 45

Контрольные вопросы 46

2.6 Восстановление марганца из оксидного расплава в сталь (Работа №18) 47

2.6.1 Общие закономерности электрохимического взаимодействия металла и шлака 47

2.6.2 Модель процесса – алгоритм работы программы имитационного моделирования 50

2.6.3 Порядок проведения работы 51

2.6.4 Обработка и представление результатов измерений 52

Контрольные вопросы 54

2.7 Изучение диссоциации доломита методом дифференциального термического анализа (Работа № 21) 55

2.7.1 Особенности процесса диссоциации доломита 55

2.7.2 Схема установки и методика проведения работы 57

2.7.3 Обработка и представление результатов измерений 58

Контрольные вопросы 60

2.8 Исследование сплавов свинец-олово методом ДТА (Работа № 22) 61

2.8.1 Особенности процесса плавления кристаллического раствора 61

2.8.2 Схема установки и методика проведения работы 63

2.8.3 Обработка и представление результатов измерений 64

Контрольные вопросы 68

Список литературы 68

Нормативные ссылки

В методических указаниях использованы ссылки на следующие стандарты:

СТП УГТУ-УПИ 1-96	Стандарт предприятия. Общие требования и правила оформления дипломных и курсовых проектов (работ).
ГОСТ Р 1.5-2002	ГСС. Стандарты. Общие требования к построению, изложению, оформлению, содержанию и обозначению.
ГОСТ 2.105-95	ЕСКД. Общие требования к текстовым документам.
ГОСТ 2.106-96	ЕСКД. Текстовые документы.
ГОСТ 6.30 2003	УСД. Унифицированная система организационно-распорядительной документации. Требования к оформлению документов.
ГОСТ 7.32-2001	СИБИД. Отчет о научно-исследовательской работе.
ГОСТ 7.54-88	СИБИД. Представление численных данных о свойствах веществ и материалов в научно-технических документах. Общие требования.
ГОСТ 8.417-2002	ГСОЕИ. Единицы величин

Обозначения и сокращения

ГОСТ	Государственный стандарт бывшего СССР или межгосударственный стандарт (в настоящее время).
ГОСТ Р	Стандарт, принятый Государственным комитетом Российской Федерации по стандартизации и метрологии (Госстандарт России) или Государственным комитетом Российской Федерации по жилищной и строительной политике (Госстрой России).
ГСС	Государственная система стандартизации.
ГСОЕИ	Государственная система обеспечения единства измерений.
ИТ	Информационные технологии
МНК	Метод наименьших квадратов
ПК, ПЭВМ	Персональный компьютер
СТП	Стандарт предприятия
ТМП	Теория металлургических процессов

 

Введение

Выполнение лабораторных работ по изучению свойств оксидных расплавов и характеристик ряда процессов в системе металл-шлак, происходящих в металлургических агрегатах, позволяет лучше понять возможности физико-химического метода анализа и получить навыки его практического применения. Дополнительно студент знакомится с реализацией некоторых методов экспериментального и модельного исследования отдельных физико-химических свойств и металлургических процессов в целом, приобретает опыт обработки, представления и анализа экспериментальной информации.

 

Общие сведения

Организация работы в лабораторном практикуме по теории металлургических процессов характеризуется следующими моментами:

v Перед началом работы студент проходит индивидуальное компьютерное тестирование, результаты которого учитываются в Балльно-Рейтинговой Системе (БРС) оценок по лабораторному практикуму и всему курсу.

v Каждый студент получает индивидуальное задание, бригадная работа не допускается. В некоторых случаях студенты могут обмениваться результатами для получения углубленной информации и расширения выводов.

v Обработка результатов измерений выполняется в электронных таблицах LibreOffice.Calc либо, как исключение, Microsoft.Excel. В этих же файлах приводятся необходимые графики и выводы по работе. Файл отчета предъявляется ведущему занятия преподавателю не позже момента окончания занятия, даже, если отчет не завершен. Доделка отчета вне практикума не допускается. Перенос файлов с компьютеров практикума на студенческие носители, как и обратный перенос, запрещены.

v Отчеты подвергаются программной проверке, результаты которой учитываются в системе БРС. Для ее реализации необходимо аккуратно сохранять файлы данных строго в указанных в руководстве местах (в тех работах, где это требуется) и штатно завершать работу используемых программ.

v При проверке отчета преподаватель может добавлять некоторое количество баллов в системе БРС за корректное оформление отчета и качество выводов по работе. Если работа предъявляется до окончания занятия, студент может попытаться учесть замечания и пояснения преподавателя и улучшить свою оценку в системе БРС.

v Лабораторное занятие включает элементы практических занятий, например, в отношении термодинамических расчетов с использованием базы данных и встроенных в электронные таблицы термодинамических функций.

Основными источниками при подготовке к занятию являются настоящее руководство, учебники и учебные пособия, рекомендованные лектором, конспекты лекций.

Готовясь к лабораторной работе, студент в течение недели, предшествующей занятию, должен прочитать и понять материал, относящийся к изучаемому явлению, разобраться по приведенным в руководстве схемам в конструкции установки и методике измерений и обработке их результатов. При возникновении затруднений необходимо использовать рекомендованную литературу и консультации лектора и преподавателей, ведущих лабораторные занятия.

К выполнению лабораторных работ допускаются только студенты, прошедшие вводный инструктаж по мерам безопасной работы в лабораторном практикуме и расписавшиеся в листке по учету инструктажа.

Работа с нагревательными и измерительными электрическими приборами, с химической посудой и реактивами проводится согласно инструкции по технике безопасности в лаборатории.

После выполнения работы студент приводит в порядок рабочее место и сдает его лаборанту.

Описание лабораторных работ

В первой части каждого из разделов, посвященных конкретным лабораторным работам, приводятся сведения о составе и строении фаз, механизме процессов, протекающих внутри фазы или на границах ее раздела с соседними фазами, минимально необходимые для понимания существа изучаемого в работе явления. Если приведенной информации оказывается недостаточно, следует обращаться к конспекту лекций и к рекомендуемой литературе. Без понимания первой части раздела невозможно представить, что происходит в изучаемой системе по ходу выполнения работы, сформулировать и осмыслить выводы по полученным результатам.

Следующая часть каждого раздела посвящена аппаратной, либо программной реализации реальной установки, либо компьютерной модели. Здесь приводятся сведения об используемом оборудовании и применяемых алгоритмах. Без понимания этого раздела невозможно оценить источники погрешностей и какие действия следует предпринимать для минимизации их влияния.

В последней части описывается порядок выполнения измерений и обработки их результатов. Все эти вопросы выносятся на коллоквиум, предшествующий работе, или компьютерное тестирование.

Порядок выполнения работы

Сначала выполняют измерения сопротивления эталонного раствора. Их повторяют 10 – 15 раз для более точного определения постоянной установки и оценки погрешности измерений. При этом переключатель «раствор-расплав» на панели печи должен находиться в положении «раствор». При появлении информационного сообщения на демонстрационном экране его следует переключить в положение «расплав». С этого момента включается нагрев печи. Каждые 5 секунд следует записывать значения температуры и сопротивления ячейки. Необходимое количество значений определяет управляющая программа.

Порядок проведения работы

Изображение, генерируемое имитационной программой, представлено на рис. 15.1. В верхней части панели приводятся выборочные числовые значения измеряемых величин, на графике отображены все значения, полученные в ходе моделирования процесса. В обозначениях компонентов металлического и шлакового расплавов использованы принятые в литературе металлургической тематики дополнительные знаки. Квадратные скобки обозначают принадлежность компонента металлическому расплаву, а круглые – к шлаковому. Множители при обозначениях компонентов используются только для построения графика, их не следует учитывать при интерпретации значений. Во время работы модели в каждый данный момент отображается значение только одной из измеряемых величин. Через 6 секунд оно исчезает и появляется значение следующей величины. За этот промежуток времени надо успеть записать очередное значение. Для экономии времени рекомендуется неизменные цифры не записывать, например, ведущую единицу в значении температуры.

Рис. 15.1 – Типичный вид экранов программы имитационной модели процессов десульфурации

 

Сразу после включения процесса запишите скорость конвективных потоков в металле и шлаке. Это значение обозначено буквой «w», оно находится прямо над графиком. Примерно через пять минут после начала измерений (по часам в правом верхнем углу панели установки) интенсифицируйте скорость перемешивания фаз одновременным нажатием клавиш [Alt] и [№], где № – номер установки. При этом на установке включается система автоматической регулировки температуры. Через несколько циклов вывода информации скорость конвективных потоков примет установившееся значение, которое следует записать.

Порядок проведения работы

Для знакомства с вязкостными свойствами металлургических шлаков в данной лабораторной работе изучается расплав Na₂O∙2B₂O₃. Измерения проводят в интервале температур 850–750 °С. После достижения первоначальной температуры (850 °С) стрелку вискозиметра устанавливают на нулевой отметке. Затем включают электромотор и фиксируют стационарный угол закручивания струны ∆φ. He выключая вискозиметра, повторяют измерение ∆φ при других температурах. Опыт прекращают, когда угол закручивания струны начнет превышать 720°.

 

Порядок проведения работы

Изображение, генерируемое имитационной программой, представлено на рис. 18.2 (правая панель). В верхней части панели приводятся выборочные числовые значения измеряемых величин, на графике отображены все значения, полученные в ходе моделирования процесса. В обозначениях компонентов металлического и шлакового расплавов использованы принятые литературе металлургической тематики дополнительные знаки. Квадратные скобки обозначают принадлежность компонента металлическому расплаву, а круглые – шлаковому. Множители при обозначениях компонентов используются только для построения графика, их не следует учитывать при интерпретации значений. Во время работы модели в каждый данный момент отображается только значение одной из измеряемых величин. Через 6 секунд оно исчезает и появляется значение следующей величины. За этот промежуток времени надо успеть записать очередное значение. Для экономии времени рекомендуется неизменные цифры не записывать, например, ведущую единицу в значении температуры.

Рисунок 18.2 – Изображение экрана монитора при выполнении работы № 18 на разных стадиях процессов

 

Через пять-шесть минут после начала работы установки необходимо произвести добавку предварительно прогретого оксида марганца в шлак, что реализуется при одновременном нажатии клавиши Alt и цифровой клавиши на основной клавиатуре с номером Вашей установки.

 

Список литературы

1. Линчевский, Б.В. Техника металлургического эксперимента [Текст] / Б.В. Линчевский. – М.: Металлургия, 1992. – 240 с.

2. Арсентьев, П.П. Физико-химические методы исследования металлургических процессов [Текст]: учебник для вузов / П.П. Арсентьев, В.В. Яковлев, М.Г. Крашенинников, Л.А. Пронин и др. – М.: Металлургия, 1988. – 511 с.

3. Попель, С.И. Взаимодействие расплавленного металла с газом и шлаком [Текст]: учебное пособие / С.И. Попель, Ю.П. Никитин, Л.А. Бармин и др. – Свердловск: изд. УПИ им. С.М. Кирова, 1975, – 184 с.

4. Попель, С.И. Теория металлургических процессов [Текст]: учебное пособие / С.И. Попель, А.И. Сотников, В.Н. Бороненков. – М.: Металлургия, 1986. – 463 с.

5. Лепинских, Б.М. Транспортные свойства металлических и шлаковых расплавов [Текст]: Справочник / Б.М. Лепинских, А.А. Белоусов / Под. ред. Ватолина Н.А. – М.: Металлургия, 1995. – 649 с.

6. Белай, Г.Е. Организация металлургического эксперимента [Текст]: учебное пособие / Г.Е. Белай, В.В. Дембовский, О.В. Соценко. – М.: Химия, 1982. – 228 с.

7. Панфилов, А.М. Расчет термодинамических свойств при высоких температурах [Электронный ресурс]: учебно-методическое пособие для студентов металлургического и физико-технического факультетов всех форм обучения / А.М. Панфилов, Н.С. Семенова – Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2009. – 33 c.

8. Панфилов, А.М. Термодинамические расчеты в электронных таблицах Excel [Электронный ресурс]: методические указания для студентов металлургического и физико-технического факультетов всех форм обучения / А.М.Панфилов, Н.С. Семенова – Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2009. – 31 с.

А.М. Панфилов, Н.С. Семенова, А.В. Климов

Версия одиннадцатая