Установка для исследования равновесия металлургических реакций

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСИИХРЕСПУБЛИК З(51) С 01 И 33/20 7/18 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ С ТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОГНРЫТЗФ(71) Химико-металлургический институт АН КазССР(54)(57) 1. УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РАВНОВЕСИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ, содержащая реакционный узел, блок циркуляции и анализа, блок управлеЪия и автоматической регистрации, снабженный узлом переменного объема и датчиком давления801132232 А о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения точности измерения, узел переменного объема и датчик давления выполнены 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 и- чающая с я тем, что, с целью расширения диапазона рабочих давлений, она снабжена резервуаром, в котором установлен блок управления и автоматической регистрации.32232 10 15 20 25 30 35 40 45 50 1 11Изобретение 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, состоящая из нагревательной печи, гаэоплотного реактора, тигля с навеской оксида и восстановителя и П-образного ртутного манометра. Обычно при ее помощи исследуют равновесие реакпий углетермического восстановления оксидов металла твердым восстановителем Г 1 .Недостатком статистического метода исследования равновесия является развитая термическая диффузия газовой фазы в системе, состоящая в появлении неоднородности состава газовой 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 обогащенная 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 реагента с организованным движением его относительно конденсированных фаз. Эта установка имеет реакционный узел, состоящий из печи Таммана 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 газоаналиэатора, а также блок управления и авто- матической регистрации, обеспечивающий постоянное (атмосферное) давление в системе и автоматическую регистрацию изменения объема газовой фазы. Для поддержания атмосферного давления в системе блок управления и автоматической регистрации снабжен переменным объемом, который реализован с помощью подвижного и неподвижного 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 Й-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 ИаС 6. В известной установке предусмотрено применение жидких реагентов в блоке управления и автоматической регистрации, контактируе-мых с газовой фазой реактора ЫНедостатком 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 йа 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 - повышение точности измерений и расширение диапазона рабочих давлений в системе.Указанная цель достигается тем, что в установке для исследования15 30 3 1132равновесия металлургических реакций,содержащей реакционный узел, блокциркуляции и анализа, блок управле -ния и автоматической регистрации,снабженный узлом переменного объема5и датчиком давления, последние выполнены в виде полого гофрированногоцилиндра, одна из торцовых поверхностей которого закреплена неподвижно и образована эластичной мембраной, концентрично расположенноймежду двумя жесткими пластинами сотверстиями и контактными напайкамипо центру, а другая - установленаподвижно и снабжена кинематическисвязанным с ней реверсивным двигателем, подключенным к пластинам.Установка снабжена резервуаром,в котором установлен блок управленияи автоматической регистрации,Исключение жидких реагентов вблоке управления и автоматическойрегистрации устраняет присутствиепаров жидкостей в реакционном пространстВе и сВодит к минимуму яВления термической диффузии газовой фазы в системе, что позволяет повыситьточность измерений и, кроме того,проводить Исследования с агрессив:ными газовыми смесями,Наличие нового конструктивногоэлемента в установке - резервуара -позволяет расширить диапазон рабочих давлений и получать результатыпри различных давлениях газовойФазы в системе. 35На фиг. 1 изображена общая схема предлагаемой установки для исследования равновесия металлургическихреакций волюмометрическим методом фна фиг. 2 - гофрированный цилиндр 40блока управления,Установка состоит из трех основных узлов: реакционного, блока циркуляции и анализа, а также блокауправления и автоматической регистрации.Реакционный узел имеет нагревательную печь Таммана 1, газоплотныймолибденовый реактор 2 с холодильником 3 в торцовой части, реакционный тигель 4 с навеской металла ишлака, термопару 5, открытый спайкоторой через специальное углубление подводится к дну тигля.Блок циркуляции и анализа, обеспечивающий циркуляцию и непрерывный химический анализ газовой фазы в системе, состоит из циркуля 232 4ционного насоса 6, ротаметра 7 н оптико-акустического газоанализатораОА 2109 8.Блок управления и автоматической регистрации обеспечивает постоянное давление газовой фазы всистеме, равное давлению инертногогаза (воздуха), в резервуаре 9 иавтоматическую регистрацию изменения объема газовой фазы. Заданноедавление газовой фазы в реакционномпространстве поддерживается с помощью гофрированного цилиндра 10 спеременным объемом, сообщающегосяс реактором 2. Подвижная торцоваяповерхность 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 регистрируется потенциометром. Вмес -то реостата 14 может быть использован механоэлектрический преобразователь типа 32-Д 1, преобразующийлинейное перемещение в электрический сигнал . Вращение приводнОЙ шестерни 15 осуществляется реверсивным двигателем, управление которымпроизводится с помощью эластичноймембраны 16 с обоюдной контактнойнапайкой по центру. Мембрана обра -зует неподвижную торцовую поверхность гофрированного цилиндра исоприкасается с одной стороны сгазовой фазой цилиндра, а с другой -с атмосферой резервуара. Избыточноедавление (разряжение) в последнемсоздается компрессором 17 и регистрируется манометром 18,Эластичная мембрана 16 (Фиг. 2)расположена между двумя жесткимипластинами 19 и 20, в теле которыхдиаметрально просверлены два отверстия. Пластина 19 изготовлена изтоконепроводящего материала, апластина 20 - из металла. В центре каждой пластины напаяны контакты21. Крепление пластин и мембраныв теле цилиндра обеспечивается спомощью кольцевых втулок 22 на резьбе. Эластичная мембрана может бытьизготовлена, например, из резины,Особенности подготовки к эксперименту и работы на установке покажем на примере обратимой химичес 1132кой реакции, протекающей в системеметалл - шлак - газовая фаза:(80) + 2 (с 3 л БЦ + 2 сО),где (БдО) - кремнезем шлаковой 5Гфары,8).,С 3 - кремний и углерод металлической фазы,СО - оксид углерода газовой фазы, 10Для данной реакции параметрами,определяющими состояние равновесия,являются концентрации кремнеземав шлаке и кремния в металле (метал-.лическая фаза насыщена углеродом, 15т.е . активность углерода а = 1),парциальное давление оксида углерода (Рсо ) - в газовой фазе, а такжетемпература.Процесс восстановления кремния 20(прямая реакция) - эндотермический,а окисления кремния (обратная реакция) - экзотермический. Это означает, что при недостатке тепла, т.е.при температурах ниже равновесной, 25происходит окисление кремния (реакция идет влево с поглощением оксида углерода из газовой Фазы),а при температурах вьппе равновесной - восстановление кремния (реак- ЗОция идет вправо с выделением оксида углерода в газовую фазу). Такимобразом, равновесное состояние рассматриваемой реакции при заданныхсоставах конденсированных фаз и пар- Зциального давления оксида углерода,т.е. заданных параметрах (810),31 и Р, можно зафиксировать путем подбора температуры, при которой процесс изменяет знак.Перед началом опыта проверяютгерметичность всей установки путемсоздания в реакторе избыточного давления. После этого газопроводы и реактор продуваются инертным газом,а затем - спектрально-чистым оксидом углерода. Подвижный торец 11гофрированного цилиндра переводится в среднее положение и реверсивный двигатель 12 отключается.Во время разогрева печи 1 навеска металла (Ре-С) 14 г и шлака(СаО-ЯдО - 103 А 10-М 80-СаР)7 г в графитовом тигле 4 располагается в верхней (холодной) части .55реактора 2. После достижения в последнем заданной температуры тигель4 быстро опускается на дно реакто 232 6ра 2 в зону высоких температур(изотермическую зону). Время разогрева тигля до температуры рсакционного пространства 3 мин. В этот период система герметизируется, для чего закрывают кран 23 и включают ключ К. При заданном общем давлении в системе Р у 1 ата производится одновременное дозаполнение реактора газом СО, а резервуара 9 - аргоном (из баллонов), При наличии разбаланса давлений между реактором и резервуаром замыкается один из контактов 21 и загораются индикаторные лампы 24 либо 25, В частности, если давление аргона в резервуаре в процессе дозаполнения больше, чем оксида углерода в реакторе, то контакт эластичной мембраны 16 замыкается с контактом на пластине 20 и загорается лампа 25. Для устранения разбаланса уменьшают расход аргона и увеличивают расход оксида углерода, После достижения в резервуаре заданного давления, фиксируемого по манометру 18, и такого же давления в реакторе (эластичная мембрана при этом занимает нейтральное положение, т.е. контакты 21 разомкнуты, индикаторные лампы 24 и 25 не горят) закрываются кран 26 и кран 27, отключается выключатель К и включается К (реверсивньп двигатель).В процессе эксперимента происходит непрерывное изменение темпера.туры в реакторе, Общее давление всистеме автоматически поддерживается постоянным, заданным экспериментатором, и производится автоматическая запись изменения объема газовой фазы ( Д Ч) . Допустим, что,унас температура в реакторе меньшеравновесной. В этом случае вследствие окисления кремния из газовойфазы поглощается оксид углерода.Это, в свою очередь, приводит куменьшению объема газовой Фазы и,как следствие., к уменьшению давления 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 подается сигнал на реверсивный двигатель 12, Реверсивный двигатель приводит во вращение приводную шестерню и винт 13 перемещается, а вместе с ним и подвижная торцовая поверхность 11 цилиндра, т,е. гофрированный 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 гофрированном цилиндре 10 больше, чем в резервуаре 9 (вследствие выделения 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 ЬЧ 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 "дышат", но в то же время торцовая поверхность 11 линейно перемещается в ту или другую сторону в соответствии с изменением объема газовой фазы, В этой связи кривые автоматической записи изменения объема газовой фазы образованы поперечными линиями, которые в совокупности дают нам общий контур (характер) изменения величины Ь Ч 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 погрешность измерений, обусловленную термодиффузией паров жидких реагентов и химическим взаимодействием их с составляющими и возгонами шлаковой фазы. Расширение диапазона рабочих давлений увеличивает сферу примененияданной установки для изучения равновесия металлургических реакцийи устраняет использование расчетных методов для получения результатов при давлениях, отличных отатмосферного.Испытания предлагаемой установкипоказали надежность работы отдельных узлов и стабильность получаемых при этом результатов.редерси 8 ииуЙиатйио Составитель О. Чернуха Техред Ж, Кастелевич К рек Редакт тров 8 дни сное комите и откр кая н лнал ППП Патент , г, Ужгород, ул. Пр ектная,Заказ 9785/38 тираж ВНИИПИ Государственного по делам изобретений 113035, Москва, Ж, Рауш