Установка для исследования равновесия металлургических реакций Советский патент 1984 года по МПК G01N33/20 G01N7/18 

со

1C

to

О9

ю 1 Изобретение относится к технике металлургического эксперимента, в частности к устройствам, определяющим равновесные параметры гетерофазного взаимодействия, например распределение элементов между металлической и шлаковой фазами. Известна установка для исследования равновесия металлургических реакций статистическим методом, со тоящая из нагревательной печи, газо плотного реактора, тигля с навеской оксида и восстановителя и U-образного ртутного манометра. Обычно при ее помощи исследуют равновесие реакций углетермического восстановления оксидов металла твердым восстановителем fij . Недостатком статистического метода исследования равновесия является развитая термическая диффузия газовой фазы в системе, состоящая в появлении неоднородности состава тазовой смеси под влиянием разности температур. Отмеченное особенно сильно проявляется при исследовании равновесия с двух- и многокомпонентными газовыми смесями, когда в более холодных частях установки концентрируется газовая фаза,; обога щенная, более тяжелыми молекулами, Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности является установка для исследования равновесий в системе металл - шлак объемным методом, использующая ограниченное количество газового реа гента с организованным движением его относительно конденсированных фаз. Эта установка имеет реакционный узел, состоящий из печи Тамман и газоплотного реактора с тиглем, блок циркуляции и анализа, предназначенный для создания проточной атмосферы в реакторе и непрерывного химического анализа газовой фазы, состоящий из циркуляционного насоса, ротаметра и газоанализатора, а также блок управления и авто матической регистрации, обеспечива щий постоянное (атмосферное) давле ние в системе иавтоматическую регистрацию изменения объема газовой фазы. Для поддержания атмосферного давления в системе блок управления и автоматической регистрации снабжен переменным объемом, который ре лизован с помощью подвижного и не22 . подвижного сообщающихся сосудов с переменным уровнем жидкости. Запирающая жидкость в подвижном сосуде контактирует с атмосферой воздуха, а в неподвижном - с газовой фазой реактора. Перемещение подвижного сосуда, подвешенного к диску и уравновешенного грузом, осуществляется реверсивным двигателем, управление которым производится с помощью датчика давления - дифференциального (и-образного) манометра с впаянными платиновыми электродами, заполненного до половины высоты жидким электролитом. Одно колено манометра сообщается с реактором, а другое - с атмосферой. В качестве запирающей жидкости и электролита используется водный раствор NaC&. В известной установке предусмотрено применение жидких реагентов в блоке управления и автоматической регистрации, контактируемых с газовой фазой реактора 2. Недостатком такого устройства является постоянное присутствие водяных паров в реакционном пространстве , приводящее к появлению дополнительной составляющей погрешности. Искажение результатов измерений обусловлено химическим воздействием паров с составляющими и возгонами шлаковой фазы, а также термодиффузией паров с образованием конденсата на холодных частях циркуляционного контура, являющихся причиной появления размытых экстремумов на кривых изменения объема. Использование же ртути в качестве электролита и запирающей жидкости неприменимо при работе с агрессивными газовыми смесями, содержащими, например, хлор или серу, так как образование паров и конденсата с развитой поверхностью приводит к химическому взаимодействию и избирательной адсорбции газообразных компонентов и искажению состава исследуемой газовой фазы. Кроме того, узкий даиапазон рабочих давлений в системе (давление в системе поддерживается постоянным и равным атмосферному) не позволяет получать результаты при давлениях, отличных от атмосферного. Цель изобретения - повьщ1ение точности измерений и расширение диапазона рабочих давлений в системе. Указанная цель достигается тем, что в установке для исследования

3

равновесия металлургических реакций содержащей реакционный узел, блок циркуляции и анализа , блок управления и автоматической регистрации, снабженный узлом переменного объема и датчиком давления, последние выполнены в виде полого гофрированног цилиндра, одна из торцовых поверхностей которого закреплена неподвижно и образована эластичной мембраной . концентрично расположенной между двумя жесткими пластинами с отверстиями и контактными напайками по центру, а другая - установлена подвижно и снабжена кинематически связанным с ней-реверсивным двигателем, подключенным к пластинам.

Уст ановка снабжена резервуаром, в котором установлен блок управлени и автоматической регистрации.

Исключение жидких реагентов в блоке управления и автоматической регистрации устраняет присутствие паров жидкостей в реакционном пространстве и сводит к минимуму явления термической диффузии газовой фазы в системе, что позволяет повысит точность измерений и, кроме того, .проводить Исследования с агрессивиыми газовыми смесями.

Наличие нового конструктивного элемента в установке - резервуара позволяет расширить диапазон рабочих давлений и получать результаты при )азличных давлениях газовой фазы в системе.

На фиг. 1 изображена общая схема предлагаемой установки для исследования равновесия металлургических реакций волюмомётрическим методом, на фиг. 2 - гофрированньй цилиндр блока управления.

Установка состоит из трех основных узлов: реакционного, блока циркуляции и анализа, а также блока управления и автоматической регистрации.

Реакционный узел имеет нагревательную печь Таммана 1, газоплотный молибденовьй реактор 2 с хо одильником 3 в торцовой части, реакционный тигель 4 с навеской металла и шлака, термопару 5, открытый спай которой через специальное углубление подводится к дну тигля.

Блок циркуляции и анализа, обеспечивающий циркуляцию и непрерывный химический анализ газовой фазы в системе, состоит из циркуля322324

ционного насоса 6, ротаметра 7 и оптико-акустического газоанализатора ОА 2109 8.

Блок управления и автоматической регистрации обеспечивает постоянное давление газовой фазы в системе, равное давлению- инертного газа (воздуха). в резервуаре 9 и автоматическую регистрацию изменеQ -ния объема газовой фазы. Заданное давление газовой фазы в реакционном пространстве поддерживается с помощью гофрированного цилиндра 10 с переменным объемом, сообщающегося с реактором 2. Подвижная торцовая поверхность 11 гофрированного цилиндра связана с реверсивным двигателем 12 через винтовую пару. Линейное перемещение винта 13, жестко соединенного с подвижной торцовой поверхностью цилиндра и ползуном реостата 14; характеризует изменение объема газовой фазы в системе. Величина сигнала с реостата ре, гистрируется потенциометром. Вместо реостата 14 может быть использован механоэлектрический преобразователь типа Э2-Д1 , преобразующий линейное перемещение в электрический сигнал . Вращение приводной шестерни 15 осуществляется реверсианым двигателем, управление которым производится с помощью эластичной мембраны 16 с обоюдной контактной напайкой по центру. Мембрана обра5 зует неподвижную торцовую поверхность гофрированного цилиндра и соприкасается с одной стороны с газовой фазой цилиндра, а с другой с атмосферой резервуара. Избыточное О давление (разряжение) в последнем создается компрессором 17 и регистрируется манометром 18.

Эластичная мембрана 16 (фиг. 2) расположена между двумя жесткими 5 пластинами 19 и 20, в теле которых диаметрально просверлены два отверстия. Пластина 19 изготовлена из токонепроводящего материала, а пластина 20 - из металла. В цент50 ре каждой пластины напаяны контакты 21. Крепление пластин и мембраны в теле цилиндра обеспечивается с помощью кольцевых втулок 22 на резь бе. Эластичная мембрана может быть 55 изготовлена, например, из резины.

Особенности подготовки к эксперименту и работы на установке покажем на примере обратимой химичес5

кой реакции, протекающей в системе металл - шлак - газовая фаза:

2 CcJ fsij + 2 со}.

(SiOx)

где (SiO.) - кремнезем шлаковой

фазы,

ij,LC J - кремний и углерод металлической фазы; coj: - оксид углерода газовой фазы.

Для данной реакции параметрами, определяющими состояние равновесия являются концентрации кремнезема, в шлаке и кремния в металле (металлическая фаза насьщена углеродом, т.е. актиёность углерода а 1), парциальное давление оксида углерода (РСО газовой фазе, а также температура.

Процесс восстановления кремния (прямая реакция) - эндотермический, а окисления кремния (обратная реакция) - экзотермический. Это означает, что при недостатке тепла, т.е. при температурах ниже равновесной, происходит окисление кремния (реакция идет влево с поглощением оксида углерода из газовой фазы), а при температурах вьше равновесной - восстановление кремния (реакция идет вправо с выделением оксида углерода в газовую фазу). Таким образом, равновесное состояние рассматриваемой реакции при заданных составах конденсированных фаз и парциального давления оксида углерода т.е. заданных параметрах (SiOjj), fsij и P.(j, можно зафиксировать путем подбора температуры, при которой процесс изменяет знак.

Перед началом опыта проверяют герметичность всей установки путем создания в реакторе избыточного давления. После этого газопроводы и реактор продуваются инертным газом, а затем - спектрально-чистым оксидом углерода. Подвижный торец 11 гофрированного цилиндра переводится в среднее положение и реверсивный двигатель 12 отключается.

Во время разогрева печи 1 навеска металла (Fe-Si-C) 14 г и шлака (CaO-SiOj, - 10% AIi,05-MgO-CaF3,) . 7 г в графитовом тигле 4 располагается в верхней (холодной) части реактора 2. После достижения в последнем заданной температуры тигель 4 быстро опускается на дно реакто 2232 6 ;

ра 2 в зону высоких температур (изотермическую зону). Время разогрева тигля до температуры реакционного пространства 3 мин. В этот 5 период система герметизируется, для чего закрывают кран 23 и включают ключ К. При заданном общем давлении в системе PoSai 1 та производится одновременное дозаполнение

0 реактора газом СО, а резервуара 9 аргоном (из баллонов). При наличии разбаланса давлений между реактором и резервуаром замыкается один из контактов 21 и загораются инди5 каторные лампы 24 либо 25. В частности, если давление аргона в резервуаре в процессе дозаполнения боль

ше, чем оксида углерода в реакторе, то контакт эластичной мембраны 16

0 замыкается с контактом на пластине 20 и загорается лампа 25. Для устранения разбаланса уменьщают расход аргона и увеличивают расход оксида углерода. После достижения в резер5 вуаре заданного давления, фиксируемого по манометру 18, и такого же давления в реакторе (эластичная мембрана при этом занимает нейтральное положение, т.е. контакты 21

0 разомкнуты, индикаторные лампы 24 и 25 не горят) закрываются кран 26 и кран 27, отключается выключатель У. и включается К2 (реверсивньй двигатель). I

5 В процессе эксперимента происходит непрерьшное изменение тбмпера, ,туры в реакторе. Общее давление в системе автоматически поддерживается постоянным, заданным эксперимен0 татором, и производится автоматическая запись изменения объема га зоной фазы (ДV). Допустим, что.у нас температура в реакторе меньше равновесной. В этом слзчае вслед5 ствие,окисления кремния из газовой фазы поглощается оксид углерода. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению объема газовой фазы и, как следствие., к уменьшению давле0 ния в реакторе и в сообщающемся с ним гофрированном цилиндре 10 Последнее естественно приводит к тому, что контакты эластичной мембраны 16 и пластины 20 замыкаются и оо5 дается сигнал на реверсивньй двигатель 12, Реверсивный двигатель приводит во вращение приводную шестерню и винт 13 перемещается, а вмес7

те с ним и подвижная торцовая поверхность 11 цилиндра, т.е. гофрированньй цилиндр уменьшает свой объем до тех пор, пока давление в нем не выравнится с давлением в резервуаре 9, при котором контакты мембраны 16 и пластины 20 размыкаются. Если же давление в гофрированно цилиндре 10 больше, чем в резервуаре 9 (вследствие вьщеления газа СО за счет химической реакции) , весь перечисленный цикл повторяется, только уже с контактами мембраны 16 и пластины 19, перемещением торцовой поверхности 11 в противоположную сторону и увеличением объема цилиндра до выравнивания давлений и размыкания контактов.

Для надежной регистрации величины AV блок управления и регистрации работает в режиме автоколебания Режим автоколебания возникает самопроизвольно вследствие некоторой инерционности исполнительных механизмов относительно сигналов, выдаваемых контактами 21. В процессе эксперимента контакты мембраны 16 попеременно замыкаются и размыкаются с контактами на пластинах 19 и 20. При этом подвижная торцовая поверхность 11 цилиндра колеблется с той же частотой, что и мембрана (60 колебаний в 1 мин) с амплитудой 3-5 мм. Другими словами, мембрана 16 и подвижная торцовая поверхность 11 как бы дьшат, но в то же вре322328

мл торцовая поверхность 11 линейно перемещается в ту или другую сторону в соответствии с изменением объема газовой фазы. В этой связи 5 кривые автоматической записи изменения объема газовой фазы образованы поперечными линиями, которые в совокупности дают нам общий контур (характер) изменения величины Д V в системе.

Устранение жидких реагентов в блоке управления и автоматической регистрации, обеспечиваемое предлагаемой конструкцией, исключает присутствие их паров в реакционном пространстве, В результате этого отсутствует пульсация объема газовой фазы. Предлагаемая установка исключает погрешностьизмерений, обусловленную термодиффузией паров жидких реагентов и химическим взаимодействием их с составляющими и возгонами шлаковой фазы.

Расширение диапазона рабочих давлений увеличивает сферу применения данной установки для изучения равновесия металлургических реакций и устраняет использование расчетных методов для получения результатов при давленияхJ отличных от атмосферного.

Испытания предлагаемой установки показали надежность работы отдельных узлов и стабильность получаемых при этом результатов.

/J

/f

к кберсибному аВигатеаю

fui.2

1. УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РАВНОВЕСИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ, содержащая реакционный узел, блок циркуляции и анализа, блок управле 1я и автоматической регистрации, снабженный узлом переменного объема и датчиком давления, отличающаяся тем, что, с целью повышения точности измерения , узел переменного объема и датчик давления вьшолнены в виде полого гофрированного цилиндра, одна из торцовых поверхностей которого закреплена неподвижно и образована эластичной мембраной, концентрично расположенной между жесткими пластинами с отверстиями и контактными напайками по центру, а другая - установлена подвижно и снабжена кинематически связанным с ней реверсивным двигателем, подключенным к пластинам. 2, Установка по п. 1, о т л ичающаяся тем, что, с целью W расширения диапазона рабочих давлений, она снабжена резервуаром, в котором установлен блок управления и автоматической регистрации.