Розділ 1. Хімічна термодинаміка

Тема 1.1. Перший закон термодинаміки

Лекція 2. Перший закон термодинаміки.

Основні питання:

• Робота розширення ідеального газу.
• Застосування закону до процесів у будь-яких системах.

Лекція 3. Перший закон термодинаміки.

Основні питання:

• Закон Гесса.
• Термохімія, теплоємність, тепловий ефект реакцій.

Практичні заняття:

• Практична робота №3 Розрахунок констант рівноваги реакцій із застосуванням прикладних програм.

Тема 1.2. Другий закон термодинаміки

Лекція 4. Другий закон термодинаміки.

Основні питання:

• Основні поняття, принцип Каратеодорі, цикл Карно.
• Оборотні процеси, необоротні процеси, ентропія і її зміни.
• Енергії Гіббса та Гельмгольця, характеристичні функції, рівняння Гіббса-Гельмгольця.
• Хімічний потенціал, фугитивність, активність, коефіцієнт активності.

Практичні заняття:

• Практична робота № 4 Умови окиснення рідких заліза, нікелю та кобальту.
• Практична робота № 5 Умови окиснення рідких заліза, нікелю та кобальту (закінчення).

Тема 1.3. Хімічна рівновага

Лекція 5. Хімічна рівновага.

Основні питання:

• Рівняння ізотерми хімічної реакції.
• Константа рівноваги, напрямок хімічної реакції.

Лекція 6. Хімічна рівновага.

Основні питання:

• Постулат Планка, абсолютні ентропії.
• Визначення констант рівноваги.

Практичні заняття:

• Практична робота №6 Рівновага хромонікелевих сплавів з кремнійвмісними вогнетривами.

Тема 1.4. Елементи статистичної термодинаміки

Лекція 7. Елементи статистичної термодинаміки.

Основні питання:

• Основні положення статистичної термодинаміки, ентропія та ймовірність.
• Визначення термодинамічних функцій.
• Термодинамічні функції, обумовлені поступальним і електронним рухом, обертальним, коливальним та іншими видами руху.
• Константа рівноваги реакції.

Практичні заняття:

• Практична робота №7 Взаємодія металу з матеріалом тигля вакуумної індукційної печі.
• Практична робота №8 Взаємодія металу з матеріалом тигля вакуумної індукційної печі (закінчення).

Розділ 2. Хімічна кінетика

Тема 2.1. Хімічна кінетика елементарних реакцій.

Лекція 8. Хімічна кінетика елементарних реакцій.

Основні питання:

• Елементарні стадії реакції, складні реакції.
• Швидкість утворення компонентів, відкриті системи.

Лекція 9. Хімічна кінетика елементарних реакцій.

Основні питання:

• Формальна кінетика.
• Елементарні та формально прості гомогенні однобічні реакції.

Практичні заняття:

• Практична робота №9 Зневуглецювання високолегованих розплавів.

Тема 2.2. Хімічна кінетика складних реакцій.

Лекція 10. Хімічна кінетика складних реакцій.

Основні питання:

• Формальна кінетика складних реакцій: оборотних, паралельних, послідовних, автокаталітичних.
• Стаціонарні та квазістаціонарні умови.

Практичні заняття:

• Практична робота №10 Видалення водню при зневуглецюванні.
• Практична робота № 11 Розподіл сірки між металом і шлаком.

Розділ 3. Фізико-хімія металургійних систем і процесів

Тема 3.1. Взаємодія газових атмосфер в металургійних процесах

Лекція 11. Взаємодія газових атмосфер в металургійних процесах.

Основні питання:

• Термодинаміка хімічних реакцій в системах вуглець-окисник, водень-окисник, реакцій утворення та окислення метану.

Лекція 12. Взаємодія газових атмосфер в металургійних процесах.

Основні питання:

• Кисневий потенціал.
• Механізм і кінетика газових реакцій.

Практичні заняття:

• Практична робота № 12 Розрахунок швидкості спливання рідких та твердих неметалічних включень у розплаві.

Виконання МКР 1.

Тема 3.2. Відновлення металів.

Лекція 13. Відновлення металів.

Основні питання:

• Термодинаміка відновлення.
• Металотермічне відновлення.
• Відновлення газами.
• Механізми відновлення.
• Кінетика відновлення оксидів металів.

Практичні заняття:

• Практична робота № 13 Вплив конвекції на укрупнення та видалення неметалічних включень з розплаву.
• Практична робота № 14 Зіставлення конвекції і спливання в процесі рафінування металу від неметалічних включень.
• Практична робота № 14 Зіставлення конвекції і спливання в процесі рафінування металу від неметалічних включень.

Тема 3.3. Закономірності навуглецювання та зневуглецювання металів, карбіди металів.

Лекція 14. Закономірності навуглецювання та зневуглецювання металів, карбіди металів.

Основні питання:

• Розчинність вуглецю в металах.
• Термодинамічні закономірності утворення карбідів металів.

Лекція 15. Закономірності навуглецювання та зневуглецювання металів, карбіди металів.

Основні питання:

• Закономірності навуглецювання та зневуглецювання металів.

Практичні заняття:

• Практична робота № 15 Мікролегування сталі азотом і нітридоутворювальними елементами.

Тема 3.4. Основи теорії взаємодії металевих, оксидних і сульфідних розплавів.

Лекція 16. Основи теорії взаємодії металевих, оксидних і сульфідних розплавів.

Основні питання:

• Окислювальне рафінування металів в системі метал-шлак.
• Процеси взаємодії за участю оксидних розплавів.

Практичні заняття:

• Практична робота №16 Кінетична характеристика процесу випаровування домішки.
• Практична робота №17 Стадія багатостадійного процесу випаровування з поверхні розплаву у вакуумі, що лімітує процес у цілому.

Тема 3.5. Розкиснення металу, неметалічні і газові включення в металах.

Лекція 17. Розкиснення металу, неметалічні і газові включення в металах.

Основні питання:

• Розкиснення металів.
• Неметалічні включення в металах.

Лекція 18. Розкиснення металу, неметалічні і газові включення в металах.

Основні питання:

• Розчинність та форми існування газів в металах.
• Кінетика взаємодії металевих розплавів з газами.

Практичні заняття:

• Практична робота №18 Визначення мінімальних концентрацій кисню, азоту і водню в рідкій низьковуглецевій сталі при вакуумному обробленні.

Тема 3.6. Процеси рафінування металів і сплавів.

Лекція 19. Процеси рафінування металів і сплавів.

Основні питання:

• Рафінування ліквацією, кристалізацією з розплаву, випаровуванням, сублімацією, конденсацією, ректифікацією.
• Кінетика рафінування металів при переплавних процесах.

Практичні заняття:

• Практична робота № 19 Розрахунок зміни концентрації неметалічних включень при краплинному переносі крізь шар шлаку та бульбашкове видалення водню при ЕШП
• Практична робота № 20 Стадія багатостадійного процесу випаровування з поверхні розплаву в інертній атмосфері, що лімітує процес видалення елементів.

Виконання МКР 2.

Перелік питань, що виносяться на МКР:

1. Які термодинамічні функції називаються термодинамічнимипотенціалами?
2. Які вихідні дані потрібні для обчислення ступеня повноти перебігу хімічної реакції?
3. Яка термодинамічна функція називається спорідненістю хімічної реакції?
4. Опишіть зв’язок хімічного потенціалу речовини з енергієюГіббса.
5. Які термодинамічні функції називаються стандартними?
6. За якою системою рівнянь обчислюється рівноважний складгазової фази хімічної реакції типу А_Г + В_Тв = АВ_Г?
7. Як змінюються термодинамічні функції (ентальпія, ентропія,енергія Гіббса) при змішуванні двох речовин з утвореннямідеального розчину?
8. Як змінюються термодинамічні функції при утворенні неідеального розчину?
9. Які термодинамічні функції називають надлишковими?
10. Чи впливає наявність у розчині речовини j на активність речовини і в ньому?
11. Що відображують концентраційні параметри взаємодії?
12. Сформулюйте визначення поняття пружності дисоціації хімічної сполуки.
13. Чи є пружність дисоціації хімічної сполуки характеристикою її термодинамічної стійкості?
14. За яких умов термодинамічно можлива дисоціація (утворення) хімічної сполуки за стандартного стану системи?
15. Як впливає взаємна розчинність хімічної сполуки і продукту її дисоціації на пружність дисоціації?
16. У чому полягає суть принципу ступінчастості О. О. Байкова?
17. Які оксиди утворюються в системі залізо — кисень? Як вони називаються?
18. Нарисуйте та опишіть діаграму стану системи залізо — кисень.
19. Напишіть рівняння хімічних реакцій заліза з киснем за температур, нижчих і вищих від 843 К.
20. Як змінюється термодинамічна стійкість оксидів одного й того самого металу від нижчого до вищого оксиду?
21. Зіставте термодинамічну стійкість відповідних оксидів заліза і мангану.
22. Які оксиди утворюються в системі силіцій — кисень?
23. Схарактеризуйте поліморфізм кремнезему.
24. У чому полягає відмінність між конденсатною і газовою дисоціацією хімічної сполуки?
25. Схарактеризуйте термодинамічну стійкість карбонатів металів.
26. В якій послідовності змінюється спорідненість хімічних реакцій металів із киснем?
27. В якій послідовності змінюється термодинамічна стійкість нітридів металів?
28. Опишіть кінетичні особливості високотемпературного окислення металів киснем.
29. За яких умов може утворюватись оксидна плівка на металах, яка захищає їх від подальшого окислення?
30. У чому полягають особливості окислення сплавів металів?
31. Які форми існування вуглецю в природі ви знаєте?
32. Нарисуйте і прокоментуйте графіки зміни приросту енергії Гіббса залежно від температури для хімічних реакцій у системі вуглець — кисень.
33. Як впливає нестандартність умов на зміну приросту енергії Гіббса хімічної реакції неповного окислення вуглецю?
34. Проаналізуйте та відобразіть графічно вплив фізичних параметрів (температури і тиску) на рівноважний склад газової фази реакції Белла — Будуара.
35. Нарисуйте і прокоментуйте графіки зміни приросту енергії Гіббса для хімічних реакцій вуглецю з водяною парою.
36. Як змінюється спорідненість хімічної реакції водню з киснем залежно від температури?
37. Від яких параметрів залежить рівноважний склад газової фази реакції водяного газу?
38. Виведіть рівняння для обчислення ступеня дисоціації метану.
39. Які хімічні реакції відбуваються в системі метан — кисень?
40. Нарисуйте і прокоментуйте графіки залежності приросту енергії Гіббса від температури для реакцій взаємодії метану з вуглекислим газом і водяною парою.
41. Нарисуйте і прокоментуйте графіки функції DG° =f(T) для хімічних реакцій у системі азот — кисень.
42. Які газові атмосфери називаються контрольованими? Схарактеризуйте їх склад та способи отримання.
43. За якими рівняннями можна обчислити кисневий потенціал сумішей газів СО — С 02 і Н2 — Н20?
44. За яких умов термодинамічно можливе ланцюгове самозаймання сумішей водню з киснем?
45. За яких умов можливе теплове самозаймання сумішей газів?
46. Опишіть особливості механізмів окислення оксиду вуглецю (II) і метану.
47. Опишіть механізм окислення вуглецю киснем.
48. Напишіть і прокоментуйте рівняння, за яким можна обчислити швидкість витрачання кисню під час його хімічної взаємодії з вуглецем.
49. Опишіть механізм окислення вуглецю у вологому середовищі за нерозгалуженою ланцюговою реакцією.
50. Опишіть механізми хімічної взаємодії вуглецю з водяною парою та оксидом вуглецю (IV).
51. За яким механізмом відбувається процес розкладання оксиду вуглецю (II)?
52. Опишіть особливості окислення (горіння) вуглецю в шарі вугілля та коксу в доменній печі.
53. За яких умов термодинамічно можлива реакція відновлення оксиду металу МеО відновником В?
54. Опишіть вплив нестандартних умов на перебіг у системі хімічної реакції відновлення металу з оксиду відновником В.
55. В якому разі термодинамічно ймовірніше відновлення металу: з простої чи із складної хімічної сполуки?
56. Відновлений метал утворює хімічну сполуку з іншим елементом. Чи сприяє це процесу відновлення?
57. Які хімічні елементи чи сполуки можуть бути використані як відновники заліза з його оксиду FeO?
58. У чому полягає суть металотермічного відновлення металів? За яких умов це термодинамічно можливе? Наведіть приклади таких процесів.
59. За яких умов термодинамічно можливе відновлення металу з оксиду MeО газуватим відновником В?
60. На які групи поділяються оксиди металів за їх здатністю до відновлення воднем?
61. Напишіть рівняння хімічних реакцій відновлення оксидів заліза воднем та зобразіть графічно зміну рівноважних складів газової фази для них залежно від температури.
62. Нарисуйте та прокоментуйте діаграму зміни складу рівноважної газової фази реакцій відновлення оксидів заліза оксидом вуглецю (II).
63. За якими рівняннями можна обчислити склад рівноважної газової фази для реакцій відновлення оксидів заліза сумішами газів СО і Н₂?
64. Чи можна використати метан як відновник заліза з його оксидів?
65. За якими механізмами може відбуватися карботермічне відновлення оксиду металу?
66. Нарисуйте і прокоментуйте діаграму, яка відображує відновлення оксидів заліза вуглецем за посередністю реакції Белла — Будуара.
67. Опишіть послідовність хімічних реакцій під час відновлення металу вуглецем із розплаву оксидів.
68. Опишіть особливості карботермічного відновлення металів у вакуумі.
69. Опишіть механізм твердофазового відновлення оксиду металу (на прикладі відновлення оксиду нікелю залізом).
70. Напишіть і проаналізуйте рівняння Мак-Кевана.
71. З яких ланок складається процес відновлення оксиду металу газуватим відновником з позицій адсорбційно-каталітичної та двостадійної теорій?
72. На чому ґрунтується загальна математична модель відновлення оксиду металу газуватим відновником (модель професора С. Т. Ростовцева)?
73. Порівняйте швидкості відновлення оксидів заліза воднем та оксидом вуглецю (II).
74. Як впливає температура на швидкість відновлення оксидів заліза газуватим відновником?
75. Як впливає розмір часточок рудного матеріалу на кінетику процесу відновлення?
76. Як впливає склад газової фази на швидкість відновлення оксидів заліза?
77. Відомо, що реакції відновлення оксидів воднем відбуваються без зміни числа молів газуватих компонентів. Чим пояснити експериментально встановлений факт впливу тиску на кінетику реакцій відновлення оксидів заліза?
78. Як називаються розчини вуглецю в залізі?
79. Які карбіди утворюються в системі залізо — вуглець? їх термодинамічна стійкість.
80. Якими способами отримують карбіди металів? Для чого вони використовуються?
81. Як розподіляються метали за термодинамічною стійкістю їхніх карбідів?
82. Якими хімічними реакціями супроводжується процес навуглецювання заліза в середовищі суміші газів СО і СO₂?
83. Нарисуйте та опишіть діаграму, яка ілюструє процес навуглецювання заліза в середовищі суміші газів СО і СO₂.
84. За яких співвідношень потенціалів вуглецю в конденсованій і газовій фазах термодинамічно можливе навуглецювання (зневуглецювання) металу?
85. За якою схемою відбувається процес навуглецювання металу в суміші газів СН₄ і Н₂?
86. Нарисуйте та опишіть діаграму, яка ілюструє процес навуглецювання заліза в складних газових середовищах типу Н₂ — Н₂O — СО — СО₂ — СН₄.
87. Наведіть приклади технологічних процесів навуглецювання та зневуглецювання металів.
88. Який зв’язок між атомами називається металічним?
89. Якими параметрами характеризується упорядкованість розміщення атомів (іонів) у кристалічній решітці?
90. На яких експериментальних фактах ґрунтується гіпотеза про близькість будови розплаву металу і твердого тіла поблизу температури ліквідусу?
91. Яку інформацію несе в собі функція радіального розподілу атомів (ФРРА)?
92. Які дані про ФРРА різних металів свідчать про подібність їх будови у рідкому стані?
93. Сформулюйте основні положення молекулярної теорії будови оксидних розплавів (шлаків).
94. Які експериментальні факти свідчать на користь іонної теорії будови шлаків у стані рідини?
95. Яку структуру мають силікати залежно від співвідношення MeO:SiO₂?
96. Опишіть модель досконалого іонного розчину (розплаву), яка грунтується на іонній теорії будови шлаків.
97. Опишіть модель мікронеоднорідності електролітів.
98. Які властивості шлаків належать до хімічних?
99. Нарисуйте та опишіть діаграму стану системи СаО — SiO₂ —Al₂O₃.
100. Чи однаково впливає температура на в’язкість основного і кислого шлаків?
101. Який вигляд мають ізотерми в’язкості розплаву залежно від типу сплаву в стані твердого тіла?
102. Як впливають домішки на в’язкість заліза?
103. Як впливає основність шлаку на його в’язкість?
104. Напишіть і прокоментуйте рівняння Юнга.
105. Чи залежить поверхневий натяг металів від їхньої електронної будови в стані твердого тіла?
106. Як впливають домішки на поверхневий натяг розплавленого заліза?
107. Яким рівнянням описується вплив температури на поверхневий натяг розплаву заліза?
108. Напишіть і прокоментуйте рівняння, яке описує правило Антонова.
109. Як впливають оксиди та сульфіди заліза і мангану на міжфазовий натяг у системі розплав шлаку — розплав заліза?
110. В яких випадках розплав металу змочує поверхню твердого оксиду?
111. Які хімічні реакції лежать в основі окислювального рафінування металів?
112. Якими факторами визначається послідовність і повнота окислення елементів-домішок у розплаві заліза?
113. Які фактори впливають на розподіл кисню між шлаковим та металевим розплавами?
114. Виведіть рівняння для коефіцієнта розподілу хімічного елемента між шлаковим та металевим розплавами.
115. Яким рівнянням відображується залежність між концентраціями вуглецю і кисню в розплаві заліза?
116. Опишіть механізм окислення вуглецю, розчиненого в залізі (на прикладі мартенівської плавки сталі).
117. Виведіть формулу для визначення коефіцієнта розподілу мангану між шлаковим та металевим розплавами. Які фактори сприяють переходу мангану із шлаку в метал?
118. Напишіть і поясніть формулу для визначення коефіцієнта розподілу силіцію між шлаковим і металевим розплавами.
119. Які фактори впливають на коефіцієнт розподілу фосфору між шлаковим та металевим розплавами?
120. В якому порядку розміщуються (в міру зростання) хімічні елементи за спорідненістю їх хімічних реакцій до сірки?
121. В якій послідовності зростає термодинамічна стійкість сульфатів металів?
122. Які хімічні реакції відбуваються під час окислення піриту киснем?
123. За яких умов термодинамічно ймовірна хімічна реакція Me_IS + Ме_II = Me_IIS + Ме_I.
124. В якому разі термодинамічно ймовірна хімічна взаємодія між оксидом і сульфідом одного й того самого металу?
125. Які фактори впливають на коефіцієнт розподілу сірки між розплавами шлаку і металу (заліза)?
126. З якою метою проводиться розкислення металу?
127. Які методи застосовуються для розкислення сталі?
128. У чому полягає суть осадового розкислення металу?
129. В якій послідовності розміщуються хімічні елементи за здатністю розкислювати залізо, мідь?
130. Які недоліки та переваги властиві осадовому розкисленню?
131. З урахуванням яких вимог підходять до вибору розкислювача для осадового розкислення металу?
132. У чому полягає суть дифузійного розкислення металу?
133. Які речовини можна використовувати для дифузійного розкислення заліза?
134. У чому полягає суть вакуумного розкислення вуглецевмісних сплавів?
135. З яких хімічних елементів і сполук складаються неметалеві включення в металах?
136. Які включення належать до ендогенних?
137. Внаслідок чого утворюються екзогенні неметалеві включення?
138. На які класи поділяються ендогенні неметалеві включення?
139. У чому полягає шкідлива дія неметалевих включень у металах?
140. Як можна досягти укрупнення неметалевих включень у розтоці металу?
141. Напишіть і прокоментуйте формулу Стокса.
142. Які гази можуть розчинятися в залізі (сталі)?
143. В якій формі існують гази в металах та сплавах?
144. Якими методами можна визначити вміст газу в металі?
145. У чому полягає негативний вплив водню на властивості металу?
146. Як змінюється вміст двохатомного газу в металі залежно від його парціального тиску в газовій фазі?
147. Опишіть вплив температури на розчинність водню в залізі.
148. У чому полягає вплив азоту на властивості сталей?
149. Як змінюється розчинність азоту в залізі залежно від температури?
150. Як впливають елементи-домішки на розчинність водню в залізі?
151. На які групи поділяються хімічні елементи за впливом на розчинність водню (азоту) в залізі (сталі)?
152. В якій послідовності відбувається процес видалення газу з металу?
153. В якій формі перебуває водень у розплаві шлаку?
154. Опишіть механізм переходу водню з атмосфери печі в розплавлений шлак.
155. Як впливає основність на розчинність водню в розплаві, до складу якого входять оксиди CaO, SiO₂ та FeO?
156. На які види (типи) поділяються процеси рафінування металів і сплавів?
157. У чому полягає суть явища ліквації?
158. Дайте визначення коефіцієнта ліквації речовини-домішки між двома рідинами, які контактують.
159. Від яких факторів залежить абсолютне значення коефіцієнта розподілу домішки між фазами, що контактують?
160. На які типи поділяються лікваційні процеси рафінування металів від свинцю?
161. Опишіть процес лікваційного рафінування цинку.
162. У чому полягає суть методу лікваційно-кристалізаційного рафінування металу?
163. Опишіть процес лікваційно-газифікаційного рафінування.
164. У чому полягає суть методу екстракційно-лікваційного рафінування?
165. Опишіть відомі вам методи рафінування металів кристалізацією із розплаву.
166. Яким рівнянням описується залежність пружності пари металу від температури?
167. У чому полягає суть методу розділення сумішей дистиляцією (перегонкою)?
168. Який процес розділення сумішей називається ректифікацією?
169. Через які реакційні зони проходить крапля металу, що відривається від торця електрода?
170. Якими показниками характеризується ефективність рафінування металу від домішки в переплавному процесі?
171. Опишіть особливості процесу рафінування металу при електрошлаковому перетопленні.
172. Чим зумовлена висока ефективність видалення газів із розплаву металу під час вакуумних перетопних процесів?
173. У чому полягають особливості рафінування та розкислювання металу в процесі позапічного вакуумування розплаву?
174. Опишіть механізм видалення водню з металу в процесі позапічного вакуумування розплаву металу.
175. Від яких факторів залежить залишкова концентрація сірки в металі після обробки його синтетичним шлаком?

Іспит

• Рейтингова оцінка рівня підготовки студентів визначається відповідно до «Положення про рейтингову систему оцінювання успішності студентів з дисципліни «Термодинаміка та кінетика металургійних процесів»
• Письмовий.