Курсовая работа: Термодинамическая диссоциация оксидов железа

Анализ многообразия превращений в той или иной системе удобно проводить при помощи диаграмм состояния. В зависимости отцели исследования применяют чаще всего диаграммы и реже ( где — температура, — давление, — состав).

Рис. 4

Диаграмма состояния системы , общий вид

Анализ диаграммы (см. рис. 4) показывает, что система содержит несколько фаз постоянного и переменного составов. Однофазные области конденсированных фаз IX, VI, IVявляются ненасыщенными твердыми растворами кислорода в и . Растворимость кислорода для всех модификаций железа незначительна и несколько уменьшается с температурой. Так в [О]= 0,005 %, а в оказывается несколько ниже. При 900°С предельное содержание кислорода в составляет 0,03 %. Температурная зависимость концентрации кислорода в может быть описана уравнением:

На растворимость кислорода в железе влияет содержание примесей: в чистом железе [О] меньше.

Однофазная область I представляет собой ненасыщенный раствор кислорода в жидком железе. Температура ликвидус в начале несколько снижается, до 0,16 % [О], а затем повышается; максимальную растворимость кислорода в жидком железе на этом участке (линия АВ)можно представить уравнением:

Однофазная область I — область жидких оксидных расплавов, имеющих переменную концентрацию кислорода, минимальная концентрация которого определяется условиями контакта с расплавом железа, насыщенным кислородом. Максимальная концентрация кислорода определяется линией UL, за пределами которой, жидкий оксидный расплав (однофазная область VI),который имеет при постоянный состав. Введение избытка кислорода в этом случае в виде приводит к диссоциации оксида и выделению избыточного кислорода в газовую фазу.

В области XIIсуществует типичное нестехиометрическое соединение вюстит , который неустойчив при 50 % (ат) и 50 % (ат) [О] и обычно содержит избыток кислорода. При 1200°С содержание кислорода в (), находящемся в равновесии с железом, составляет 51,2 % (ат), в равновесии с , концентрация кислорода равна 54 % (ат). Ниже 843 К вюстит является термодинамически неустойчивой фазой. Поскольку кристаллическая структура инвариантна в однофазной области, единственный способ достижения нестехиометрии — образование дефектов. Активность кислорода и, следовательно, его содержание можно оценить используя уравнение , т. е. в вюстите равно.

Экспериментально показано, что на фазовой границе равновесия () с железом при Т = 1473 К . Это минимальное давление кислорода, необходимое для окисления железа. На другой межфазовой границе равновесия () с при Т = 1473 К .

Таким образом, варьируя давление , в пределах можно получить различные составы вюстита /4/.

Для реакций диссоциации оксидов железа эти зависимости представлены на рис. 5, из которого видно, что наименее прочным в этой системе является оксид железа , оксиды и () более прочные, причем изменение их прочности происходит в соответствии со схемой, отмеченной выше: при термодинамически устойчив () (наиболее прочный оксид), при Т < 843 К — - При Т = 843 К система нонвариантна, так как в равновесии находятся четыре фазы (, (), и газообразный кислород), поэтому число степеней свободы равно нулю.

Рис.6

Зависимость стандартной энергии Гиббса от температуры для вюстита при фазовых превращениях железа и вюстита: А — температура плавления; В — температура плавления железа

Рис. 7.

Зависимость упругости диссоциации от температуры для оксидов железа (обозначения те же, что и на рис. 5).

Диссоциация оксидов железа происходит с поглощением тепла () и характеризуется следующими величинами:

Реакция
	119,240	- 67,24	298-1460
	149,240	- 59,80	298-1642
	126,620	-31,24	298-1642
	111,240	-21,66	1808-2000
	132,275	-38,38	до 843

Фазовые превращения в системе, например, и существенно отражаются на зависимости (рис.6), Температурная зависимость (или рис. 7) может быть использована для непосредственного сравнения (упругости диссоциации) и , (давления в системе).

По приведенным температурным зависимостям можно установить области температур и давлений кислорода, для которых характерно существование тех или иных конденсированных фаз. Так, в области I парциальное давление кислорода выше упругости диссоциации высшего оксида железа, поэтому , (),, внесенные в эту среду, будут окисляться до . Область Iтаким образом, характеризуется как область устойчивого существования . Аналогичные рассуждения показывают, что область II— область устойчивого существования , область III— () и область IV— железа. Штриховые линии характеризуют формальную зависимость упругости диссоциации при изменении за пределами температурных пределов устойчивости оксида железа () /5/.

Заключение

Диссоциация является одним из способов выделения чистого компонента из соединения, в рассматриваемом случае оксида. На практике устойчивые соединения железа, как правило, сложные и требуется несколько стадий для выделения чистого железа. Получение чистых металлов за счёт диссоциации их оксидов термодинамически маловероятен из–за весьма низких значений упругости диссоциации, поэтому наиболее целесообразным является процесс получения металлов из оксидов путем восстановления.

Большое будущее в применении плазменной металлургии. В металлургии под влиянием плазмы происходит термическая диссоциация руды, реагирующие вещества быстро образуют гомогенную систему. Под воздействием не только интенсифицируется восстановление железа, но и сокращается металлургический цикл. Плазменная металлургия дает возможность перерабатывать руды комплексно, а это способ решения проблемы безотходного производства в металлургии./6/.

Библиографический список

1. Рыжонков Д. И. и другие: «Теория металлургических процессов», Москва, «Металлургия», 1989; 392 стр

2. Куликов И. С., Ростовцев С. Т., Григорьев Э. Н. «Физико – химические основы процессов восстановления», Москва, «Наука»,1978; 136 стр

3. Третьяков Ю. Д. «Твёрдофазные реакции», Москва, «Химия»,1978; 357 стр

4. Третьяков Ю. Д., Лепис Х., «Химия и технология твёрдофазных материалов», Москва, МГУ, 1985; 249 стр

5. Ванюков А. В., Зайцев В. Я. «Теория пирометаллургических процессов», Москва, «Металлургия», 1973; 504 стр