Procesy metalurgiczne i odlewnicze stopów żelaza. Podstawy fizykochemiczne

procesy_metalurgiczne_i_odlewnicze_stopow_zelaza_podstawy_fizykochemiczne

Mariusz Holtzer

Rok wydania: 2013

Wydawnictwo: Państwowe Wydawnictwo Naukowe

ISBN: 978-83-01-17362-3


Przedmowa

Ważniejsze symbole stosowane w książce

1. Funkcje termodynamiczne
1.1. Pojęcia podstawowe z termodynamiki
1.1.1. Układy termodynamiczne
1.1.1.1. Układ, otoczenie
1.1.1.2. Układ izolowany
1.1.1.3. Układ zamknięty
1.1.1.4. Układ otwarty
1.1.1.5. Układ izolowany adiabatycznie
1.1.1.6. Układ izolowany diatermicznie
1.1.1.7. Pojecie fazy, układy homogeniczne i heterogeniczne
1.1.2. Proces, droga procesu, rodzaje procesów
1.1.3. Funkcja stanu
1.1.3.1. Parametry (wielkości) ekstensywne i intensywne
1.1.3.2. Parametry zależne i niezależne
1.1.3.3. Warunki równowagi termodynamicznej układów oddzielonych od siebie przegrodą adiabatyczną lub nieadiabatyczną (diatermiczną)
1.1.4. Procesy termodynamiczne
1.1.4.1. Równowaga termodynamiczna
1.1.4.2. Procesy termodynamicznie nieodwracalne
1.1.4.3. Procesy termodynamicznie odwracalne
1.1.5. Definicja i sens fizyczny niektórych funkcji stanu
1.1.5.1. Energia wewnętrzna
1.1.5.2. Entalpia. Efekt cieplny w procesach izochorycznych i izobarycznych
1.1.5.3. Zmiana standardowej entalpii reakcji
1.1.5.4. Prawo Hessa jako konsekwencja I zasady termodynamiki
1.1.5.5. Obliczanie efektów cieplnych procesów fizykochemicznych w warunkach standardowych
1.1.5.6. Zależność ciepła reakcji od temperatury (prawo Kirchhoffa)
1.1.5.7. II zasada termodynamiki. Entropia
1.1.5.8. III zasada termodynamiki (postulat Plancka)
1.1.5.9. Energia Helmholtza
1.1.5.10. Energia Gibbsa
1.1.5.11. Standardowa molowa energia Gibbsa (Gř298)
1.2. Najważniejsze związki matematyczne między funkcjami termodynamicznymi
1.2.1. Zależność energii Gibbsa od temperatury
1.2.2. Zależność przyrostów energii Gibbsa od temperatury
1.2.3. Zależność energii Gibbsa gazu doskonałego od ciśnienia
1.2.4. Zależność przyrostów energii Gibbsa od ciśnienia
1.3. Wykresy Ellinghama i Richardsona
1.3.1. Obliczanie energii Gibbsa procesów
1.3.1.1. Wprowadzenie
1.3.1.2. Wpływ ciśnienia oraz występowania reagentów A lub AB w roztworze na wartość energii Gibbsa reakcji typu
1.3.1.3. Skale logarytmiczne na wykresach Ellinghama-Richardsona i ich zastosowanie
1.3.2. Uwagi ogólne dotyczące wykresów Ellinghama-Richardsona
1.3.3. Przykłady praktyczne obliczeń opartych na zastosowaniu wykresów Ellinghama-Richardsona
Literatura do rozdziału 1

2. Roztwory i ich właściwości
2.1. Właściwości ciekłych metali i stopów
2.2. Sposoby wyrażania stężenia roztworów
2.3. Molowe cząstkowe wartości funkcji termodynamicznych
2.4. Równanie Gibbsa-Duhema
2.5. Aktywność termodynamiczna i współczynniki aktywności
2.5.1. Roztwory doskonałe (prawo Raoulta)
2.5.2. Pojęcie lotności i aktywności
2.5.3. Współczynnik aktywności
2.5.4. Wybór stanu standardowego
2.5.4.1. Wybór stanu standardowego dla substancji gazowych
2.5.4.2. Wybór stanu standardowego dla substancji skondensowanych
2.5.5. Odchylenia od prawa Raoulta - roztwory rzeczywiste
2.5.6. Prawo Henry‘ego
2.5.7. Aktywności Raoulta a aktywności Henry‘ego
2.5.7.1. Aktywności Raoulta
2.5.7.2. Aktywności Henry‘ego
2.5.8. Związki matematyczne pomiędzy standardowymi potencjałami chemicznymi składników roztworu przy różnym wyborze stanu standardowego
2.5.9. Wpływ wyboru stanu standardowego na wartość zmiany energii Gibbsa w dowolnym procesie fizykochemicznym (reakcji chemicznej,
tworzeniu się roztworu) - przykład
2.5.10. Zależność współczynnika aktywności od temperatury i ciśnienia
2.5.10.1. Zależność współczynnika aktywności od temperatury
2.5.10.2. Zależność współczynnika aktywności od ciśnienia
2.5.11. Metody wyznaczania aktywności danego składnika w stopach metalicznych i żużlach metalurgicznych
2.5.11.1. Określanie aktywności składnika układu dwuskładnikowego w danym punkcie likwidusu diagramu fazowego (dotyczy układów dwuskładnikowych z eutektyką między dwoma stałymi roztworami granicznymi oraz z eutektyką miedzy dwoma czystymi składnikami)
2.5.11.2. Określanie aktywności z pomiaru siły elektromotorycznej ogniwa
2.5.11.3. Określenie aktywności na podstawie prawa podziału Nernsta
2.5.12. Przebieg krzywych zależności aktywności Raoulta od składu chemicznego roztworu
2.5.13. Wpływ rozpuszczania dodatkowych substancji na aktywność danego składnika w roztworze. Równanie Wagnera-Chipmana
2.5.13.1. Uwagi ogólne
2.5.13.2. Równanie Wagnera-Chipmana
2.5.14. Reguła faz Gibbsa
2.5.15. Równanie Clausiusa-Clapeyrona
2.6. Funkcje mieszania - zmiany funkcji termodynamicznych zachodzące w procesach tworzenia roztworu
2.6.1. Zastosowanie funkcji mieszania w termodynamice roztworów doskonałych, regularnych i rzeczywistych
2.6.1.1. Funkcje mieszania dla roztworów doskonałych
2.6.1.2. Roztwory regularne i funkcje mieszania dla tego rodzaju roztworów
2.7. Funkcje nadmiarowe
2.8. Stała równowagi. Przewidywanie kierunku reakcji chemicznej samorzutne w warunkach izotermicznych
2.8.1. Prawdziwa stała równowagi
2.8.2. Równanie izotermy van‘t Hoffa
2.8.3. Równanie izobary van‘t Hoffa
2.8.4. Uwagi praktyczne odnośnie do zapisu przybliżonych stałych równowagi reakcji metalurgicznych
2.8.5. Przykłady pisania wyrażeń na stałą równowagi
2.8.5.1. Reakcje homogeniczne
2.8.5.2. Reakcje heterogeniczne
2.8.6. Zależność od ciśnienia standardowego potencjału chemicznego yf. i standardowej zmiany energii Gibbsa AGř oraz stałej równowagi
wyrażonej za pomocą aktywności Ka
2.9. Sposoby przewidywania wpływu zmian parametrów intensywnych na zmiany położenia stanu równowagi układu (reguła Le Chateliera)
2.9.1. Termodynamiczne uzasadnienie reguły Le Chateliera
2.9.2. Praktyczne zastosowanie prawa przesunięć równowagi
2.9.2.1. Wpływ temperatury
2.9.2.2. Wpływ ciśnienia
2.9.2.3. Wpływ stężenia
Literatura do rozdziału 2

3. Żużle metalurgiczne
3.1. Rola i właściwości żużli
3.2. Teorie budowy ciekłych żużli
3.2.1. Teoria cząsteczkowa
3.2.2. Teoria jonowa
3.2.3. Dowody przemawiające za słusznością teorii o jonowej strukturze ciekłych żużli
3.2.4. Podział tlenków na zasadowe, kwasowe i amfoteryczne rozpatrywany w świetle teorii jonowej. Zasadowość żużli
3.2.5. Zastosowanie krystalochemicznej charakterystyki kationu (wartości jego promienia i ładunku) do określenia charakteru odpowiadającego mu tlenku
3.2.6. Struktura anionów krzemianowych występujących w ciekłych żużlach
3.2.7. Obliczanie aktywności składników żużli krzemianowych (teorie Tiemkina i Flooda)
3.2.7.1. Teoria Tiemkina
3.2.7.2. Ułamki jonowe Flooda (tzw. ułamki równoważne elektrostatycznie)
3.2.7.3. Interpretacja reakcji żużel-metal oparta na teorii jonowej żużli
3.3. Podsumowanie teorii budowy żużli
3.4. Właściwości fizyczne żużli
3.4.1. Lepkość żużli
3.4.2. Napięcie powierzchniowe żużli
3.4.3. Dyfuzja w ciekłych żużlach
3.4.4. Przewodność elektryczna i termiczna żużli
3.4.4.1. Przewodność elektryczna
3.4.4.2. Przewodność termiczna
3.5. Diagramy fazowe podwójnych i potrójnych układów tlenkowych
3.5.1. Diagramy fazowe podwójnych układów tlenkowych
3.5.2. Diagramy fazowe potrójnych układów tlenkowych
Literatura do rozdziału 3

4. Kinetyka procesów
4.1. Kinetyka procesów metalurgicznych i odlewniczych
4.2. Podstawowe równania kinetyczne
4.2.1. Wpływ stężenia. Pojęcie rzędu reakcji
4.2.2. Kinetyka reakcji pierwszego rzędu
4.2.3. Okres połowicznej przemiany (połówkowy czas reakcji)
4.2.4. Kinetyka reakcji drugiego rzędu
4.2.5. Reakcje odwracalne
4.2.6. Reakcje równoległe
4.2.7. Reakcje następcze
4.3. Przenoszenie pędu, ciepła i masy
4.3.1. Transport pędu (przepływ)
4.3.1.1. Przepływ laminarny. Lepkość
4.3.2. Przenoszenie ciepła
4.3.2.1. Przewodzenie ciepła
4.3.2.2. Konwekcyjny transport ciepła
4.3.2.3. Transport ciepła na drodze promieniowania
4.3.3. Transport masy
4.3.3.1. Dyfuzja cząsteczkowa
4.3.3.2. I prawo Ficka
4.3.3.3. II prawo Ficka
4.3.3.4. Mechanizmy dyfuzji
4.3.4. Konwekcja masy
4.4. Rodzaje kontroli szybkości reakcji heterogenicznej
4.4.1. Kinetyczna i dyfuzyjna kontrola szybkości reakcji
4.4.2. Kryteria matematyczne rodzaju kontroli szybkości procesu
4.5. Wpływ temperatury na szybkość reakcji chemicznych i dyfuzji
4.5.1. Zależność szybkości reakcji chemicznych od temperatury
4.5.2. Wnioski praktyczne wynikające z równania Arrheniusa
4.5.3. Zastosowanie równania Arrheniusa do procesów dyfuzji
4.6. Teoria zderzeń aktywnych
4.7. Teoria stanu pośredniego
4.8. Przykłady reakcji heterogenicznych występujących w procesach metalurgicznych
4.8.1. Reakcje przebiegające pomiędzy ciałem stałym a gazem
4.8.2. Reakcje przebiegające w układzie dwóch niemieszających się cieczy
4.8.3. Reakcje pomiędzy gazami katalizowane przez ciało stałe
4.8.4. Wpływ rodzaju (natury) granicy faz, rodzaju sieci krystalicznej ciała stałego oraz kształtu geometrycznego powierzchni granicy faz na kinetykę reakcji heterogenicznych typu ciało stałe-gaz, ciało stałe--ciecz, ciało stałe-ciało stałe
4.8.5. Reakcje przebiegające w układzie ciecz-gaz
Literatura do rozdziału 4

5. Rozpuszczalność gazów w żelazie i jego stopach. Procesy próżniowe
5.1. Rozpuszczalność gazów w żelazie i jego stopach
5.1.1. Prawo Sievertsa i prawo Henry‘ego
5.1.2. Rozpuszczalność wodoru i azotu w żelazie
5.1.3. Rozpuszczalność tlenu w żelazie
5.1.4. Rozpuszczalność tlenu w stopach żelaza i zdolność odtleniająca pierwiastków
5.1.5. Rozpuszczalność gazów złożonych
5.1.6. Wtórne utlenianie stali
5.2. Procesy próżniowe
5.2.1. Podstawy teoretyczne procesów próżniowych
5.2.2. Termodynamika procesów próżniowych
5.2.3. Kinetyka procesów próżniowych
5.2.4. Przykłady praktycznego wykorzystania próżni w procesach metalurgicznych
5.2.4.1. Odgazowywanie metali w próżni
5.2.4.2. Rozkład termiczny pod obniżonym ciśnieniem (bez udziału substancji obcej)
5.2.4.3. Redukcja w próżni z zastosowaniem reduktora
Literatura do rozdziału 5

6. Zjawiska na powierzchni międzyfazowej
6.1. Napięcie powierzchniowe
6.1.1. Napięcie międzyfazowe i kąt zwilżania
6.1.2. Zwilżalność tlenków przez ciekły metal
6.2. Procesy na granicy faz masa formierska-metal
6.2.1. Procesy pirolizy spoiwa
6.2.2. Tworzenie się węgla błyszczącego
6.2.3. Penetracja ciekłego metalu w masę formierską
6.2.4. Nawęglanie i odwęglanie powierzchni odlewu
6.2.5. Siarka w warstwie powierzchniowej odlewu
6.2.6. Fosfor w warstwie powierzchniowej odlewu
6.2.7. Azot w warstwie powierzchniowej odlewu
6.3. Penetracja ciekłego metalu i żużla w głąb wyłożenia ogniotrwałego pieca
6.4. Praca adhezji i kohezji
6.5. Zależność napięcia powierzchniowego od temperatury
6.6. Napięcie powierzchniowe ciekłych metali
6.7. Napięcie powierzchniowe ciekłych żużli
6.8. Napięcie międzyfazowe pomiędzy ciekłym żużlem a ciekłym metalem
6.9. Procesy zarodkowania nowej fazy
6.9.1. Teoria procesów zarodkowania nowej fazy
6.9.2. Zarodkowanie homogeniczne
6.9.3. Zarodkowanie heterogeniczne
6.9.3.1. Procesy kondensacji, parowania i sublimacji
6.9.3.2. Procesy krzepnięcia i przemian fazowych w stanie stałym
6.10. Wtrącenia niemetaliczne
6.10.1. Wydzielanie się wtrąceń niemetalicznych z kąpieli metalowej
6.11. Adsorpcja fizyczna i chemiczna. Izotermy adsorpcji
6.12. Adsorpcja na powierzchni cieczy (równanie Gibbsa)
Literatura do rozdziału 6

7. Korozja gazowa metali i stopów
7.1. Kryteria termodynamiczne procesu korozji gazowej
7.2. Kinetyka korozji gazowej
7.2.1. Zależność szybkości korozji gazowej od temperatury
7.2.1.1. Teoria Wagnera utleniania metali
7.2.1.2. Typy tlenków metali
7.2.2. Tworzenie się zgorzelin wielofazowych
7.3. Metody ochrony przed korozją gazową
7.3.1. Powłoki ochronne
7.3.2. Atmosfery ochronne
7.3.3. Dobór tworzyw metalicznych do pracy w wysokiej temperaturze
Literatura do rozdziału 7

8. Rozkład termiczny ciał stałych
8.1. Równowaga między fazą stałą a gazową
8.2. Termodynamika rozkładu ciał stałych
8.3. Kinetyka rozkładu ciał stałych
8.4. Procesy suszenia w metalurgii
Literatura do rozdziału 8

9. Procesy fizykochemiczne zachodzące podczas wytapiania stopów żelaza
9.1. Piece do topienia
9.2. Produkcja żeliwa
9.3. Wytapianie żeliwa w żeliwiaku
9.3.1. Typy żeliwiaków i ich charakterystyka
9.3.2. Procesy fizykochemiczne zachodzące w żeliwiaku
9.3.2.1. Procesy spalania i zgazowywania paliwa
9.3.2.2. Procesy metalurgiczne
9.4. Problem cynku przy wytapianiu żeliwa
9.5. Wytapianie żeliwa w piecu obrotowym
9.6. Wytapianie stopów żelaza w piecu indukcyjnym
9.6.1. Piece indukcyjne bezrdzeniowe (tyglowe)
9.6.2. Piece indukcyjne rdzeniowe (kanałowe)
9.6.3. Procesy metalurgiczne zachodzące w piecu indukcyjnym
9.7. Wytwarzanie surówki w wielkim piecu
9.7.1. Budowa wielkiego pieca i stosowane materiały wsadowe
9.7.2. Wstępne przemiany fizykochemiczne
9.7.3. Proces powstawania CO
9.7.4. Redukcja tlenków żelaza w wielkim piecu
9.7.5. Redukcja innych tlenków w wielkim piecu
9.7.6. Procesy równowagowe zachodzące przy produkcji surówki w wielkim piecu
9.8. Wytapianie stali
9.8.1. Podział procesów stalowniczych
9.8.2. Równowaga w procesie rafinacji stali
9.8.2.1. Przechodzenie tlenu do kąpieli metalowej
9.8.2.2. Utlenianie węgla
9.8.2.3. Utlenianie krzemu
9.8.2.4. Utlenianie manganu
9.8.2.5. Utlenianie fosforu
9.8.2.6. Utlenianie chromu
9.8.2.7. Utlenianie innych składników
9.8.2.8. Usuwanie siarki w procesie stalowniczym
9.8.3. Wytapianie stali w elektrycznym piecu łukowym
9.8.3.1. Piece łukowe o nagrzewaniu pośrednim
9.8.3.2. Piece łukowe o nagrzewaniu bezpośrednim
9.8.3.3. Wytapianie stali w zasadowym elektrycznym piecu łukowym
9.8.4. Wytapianie stali w konwertorze
9.8.4.1. Podstawy procesu konwertorowego
9.8.4.2. Proces besemerowski
9.8.4.3. Proces tomasowski
9.8.4.4. Konwertorowy proces tlenowy
9.8.4.5. Procesy odfosforowania i odsiarczania w konwertorze
9.8.4.6. Wprowadzanie pierwiastków stopowych do stali
9.8.5. Alternatywne metody produkcji stali
9.8.5.1. Proces bezpośredniej redukcji żelaza
9.8.5.2. Proces bezpośredniego wytapiania
Literatura do rozdziału 9

10. Procesy fizykochemiczne zachodzące podczas obróbki pozapiecowej stopów żelaza
10.1. Obróbka pozapiecowa ciekłego żeliwa
10.1.1. Odsiarczanie i nawęglanie żeliwa
10.1.2. Proces modyfikacji żeliwa
10.1.3. Proces sferoidyzacji i wermikularyzacji
10.2. Pozapiecowa obróbka stali
10.2.1. Podstawy teoretyczne procesów obróbki pozapiecowej stali
10.2.2. Procesy obróbki pozapiecowej prowadzone pod ciśnieniem atmosferycznym
10.2.2.1. Piec kadziowy (piecokadź)
10.2.2.2. Proces AOD
10.2.3. Procesy obróbki pozapiecowej prowadzone pod obniżonym ciśnieniem
10.2.3.1. Odgazowanie w komorze próżniowej
10.2.3.2. Odgazowywanie cyrkulacyjne
10.2.3.3. Rafinacja wtórna
10.3. Odlewanie stali
10.3.1. Odlewanie stali do wlewnic
10.3.2. Ciągłe odlewanie stali
Literatura do rozdziału 10

11. Wykorzystanie programów komputerowych do obliczeń termodynamicznych w procesach metalurgicznych. Metoda CALPHAD
(oprac. A. Burbelko i M. Wróbel)
11.1. Wprowadzenie
11.2. Podstawy termodynamiki układów równowagowych
11.3. Rozwój metody CALPHAD
11.3. Rozwój metody CALPHAD
11.4. Oprogramowanie do obliczeń termodynamicznych
11.5. Przykłady obliczeń
11.6. Przykład praktycznych obliczeń w układzie Fe-C-Si-P-S-Mn....
Literatura do rozdziału 11

Dodatek

Skorowidz