Quantidade de oxigênio no sistema

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1 EEIMVR-UFF Refino dos Aços I 1ª Verificção Junho kg de ferro puro são colocdos em um forno, mntido 16 o C. A entrd de oxigênio no sistem é controld e relizd lentmente, de modo ir umentndo pressão de 2 no interior do forno. Não há mis nenhum elemento químico regindo, no sistem. Ao fim do processo form diciondos 3 kg de oxigênio o sistem. Trce um gráfico mostrndo o que contece com s seguintes vriáveis medid que pressão de oxigênio ument: () quntidde de cd fse presente no sistem, (b) composição de cd fse presente no sistem. s resultdos d Lei de Sievert presentdos n figur indicm que, 16 o C, existe equilíbrio entre 2 fses: ferro liquido (com oxigênio dissolvido) e gás, té cerc de,23% 5 de oxigênio dissolvido no ço e P,5 1 ou P 5, A prtir deste ponto, ocorre sturção do ferro liquido em oxigênio e formção de um nov fse, o óxido de ferro ( Fe ). Como dição totl, prentemente, é mior que,23%, um gráfico semi-quntittivo d quntidde de fses seri: Fse Metl Líquido Quntidde de Fse Fse Gsos Fse Óxido Líquido Inicio d dição de o sistem 9 P 5,6 1 2,23% no Fe Liquido Quntidde de oxigênio no sistem A quntidde ds fses não está em escl. bserve que quntidde d fse metl líquido deve umentr um pouco, pois medid que o oxigênio vi se dissolvendo no ferro, o peso de metl líquido ument. A quntidde de fse gsos depende, nturlmente, do espço livre pr o gás ocupr, dentro do sistem.

2 Embor exist vpor de ferro no gás, quntidde é pequen, pois pressão de vpor do ferro nest tempertur não é lt. Podemos considerr que o gás é sempre composto por oxigênio, pens e que o óxido líquido, enqunto estiver em equilíbrio com o ferro, terá composição constnte (exigênci do fto de hver equilíbrio: o potencil químico do oxigênio não pode vrir, durnte o equilíbrio). Assim, únic fse cuj composição vri, neste cso, será o metl liquido, té ficr sturdo em oxigênio. A composição d fse óxido somente começri vrir qundo TD o metl tivesse sido convertido óxido e fse metl íiquido desprecesse. Isto não ocorre com,3% de oxigênio no sistem. Composição do metl líquido %Fe 1% % Inicio d dição de o sistem 9 P 5,6 1 2,23% no Fe Liquido Quntidde de oxigênio no sistem 2. Desej-se produzir um ço IF com C=,25% empregndo vácuo. ço inicil, ntes do trtmento sob vácuo, tem C=,5% e =,6%. processo se pss 165 o C. () Qul mior pressão de C ceitável no interior do desgseificdor pr produzir este ço? (b) Qul seri o teor de oxigênio em equilíbrio com o teor de crbono finl desejdo? (c) É possível produzir este ço sem dição de oxigênio? Explique. (d) Qul seri o efeito d presenç de Fe n escóri d pnel, durnte este processo? Itens c e d: A quntidde de crbono ser consumido, n reção C + C é de,5-16,25%=,475%. Pel estequiometri, serim necessários,475 =,63% de 12 oxigênio. sistem inicil não contém tnto oxigênio. Logo, seri necessário fornecer oxigênio dicionl pr produzir descrburção desejd, simplesmente por cus do blnço de mss d reção. (ém disto, é importnte ter oxigênio em excesso pr fvorecer cinétic d reção). A presenç de Fe n escóri pode funcionr como um fonte dicionl de oxigênio. A medid que o oxigênio do ço (inicilmente,6%) for sendo reduzido pel descrburção, deve hver reoxidção pelo Fe d escóri, trvés d reção: Fe Fe +.

3 item está reltivmente ml formuldo. Do modo que foi formuldo, mior pressão viável é quel que corresponde o mior teor de oxigênio possível no ço. Como o processo se pss 165 o C, não form fornecidos ddos que permitm determinr este vlor. Se usrmos o vlor de,23% (do gráfico d questão 1, pr 16 o C) podemos determinr: Reção H - S C(gr) + ½ 2 (g) = C (g) ,8 C(gr) = C ,26 ½ 2 (g)= ,63 C+ = C (g) ,91 = = ' = 47 + RT ln Assim, pr,25% C e,23% estrem em equilíbrio, = 47 = 47,25,23 =,23tm Termodinmicmente, pressões bixo dest permitirim produzir este teor de crbono, sem sturr o ferro em oxigênio. É evidente que não se trblh com teores tão ltos de oxigênio. Um cálculo mis interessnte (e est seri um questão mis bem formuld) seri determinção d pressão necessári pr tingir-se este teor de crbono com um teor de oxigênio em equilíbrio de, por exemplo, 2ppm. Est pressão seri de,2 tm, proximdmente. 3. Um ço contendo,5% de crbono é mntido em um cdinho de grfit 16 o C. que ocorre com o ço? Pelo digrm ferro crbono sbe-se que Fe-C com,5% C 16 o C NÃ está em equilíbrio com grfit. Logo, o sistem buscrá o equilíbrio, dissolvendo crbono d grfit no ço. equilíbrio será tingido qundo composição for quel indicd pel linh de inicio do cmpo bifásico L+Gr.

4 4. Um escóri, contendo 13%Mg, 47%C, 17%Si 2 e 23%Fe está em equilíbrio com refrtários contendo Mg puro, 16 o C. Qul tividde do Mg nest escóri? Se há equilíbrio, o potencil químico é o mesmo ns dus fses e, conseqüentemente, tividde tmbém. Se um ds fses é Mg puro, tividde do Mg nest fse é 1. Logo, tividde do Mg n escóri é Um ço contém oxigênio e enxofre. Desej-se relizr um dição de cálcio pr produzir sulfetos de cálcio e controlr nistropi d ductilidde do produto produzido. A formção de óxido de cálcio é indesejd e resultri em menor eficiênci do processo. Como seri possível estimr, um dd tempertur, s condições em que dição de C produziri pens CS? (Não é necessário clculr, bst indicr quis cálculos serim feitos.) Há competição entre formco de C e de CS, neste problem simplificdo. Um form de estudr o problem seri vlir o equilíbrio: C+S = CS+ Tendo-se os ddos termodinâmicos d formção do C e do CS e d dissolução do S e do no ferro, poder-se-i clculr este equilíbrio. A constnte de equilíbrio obtid, pr um pressão e tempertur definidos seri clculd como: = = CS C ' % = K( T) % S + RT ln CS C % % S

5 Definid tempertur e fixds s tividdes do oxido e do sulfeto, pode-se definir s condições de equilíbrio entre o oxido e o sulfeto: dições de cálcio em ços que, pr um certo teor de enxofre, contenhm MENS oxigênio do que o clculdo pr o equilíbrio, resultrão n formção de CS. 6. BÔNUS (Questão extr, que só pode umentr not). Clcule o vlor de do lumínio no ferro 168 o C. Usndo definição de tividde e Lei de Henry µ µ M1% M1% = M 1% = RT ln M = RT ln 1M = RT ln M = RT ln 1M 1% ,91 ( ) = 8,314 ( ) ln 1 27 =,34 Fe Fe