Механизмы неорганических реакций выплавки чугуна и стали

В монографии по-видимому впервые затронута тема описания механизмов неорганических реакций железа, происходящих в процессах выплавки чугуна и стали.

В существующей литературе по физике металлов приводятся только структурные формулы железоуглеродистых сплавов и оксидов железа, а также подробно описаны физические взаимодействия перегруппировки атомов железа при перестройке кристаллической решетки.

В литературе по выплавке чугуна и стали реакции железа описаны химическими брутто-формулами, не показывающими механизм химического взаимодействия.

В неорганической химии существует описание механизмов реакций для координационных соединений железа – для отдельных молекул, окруженных жидким растворителем. А химические реакции оксидов железа железа при выплавке чугуна описываются как в литературе по металлургии только брутто-формулами.

__

В монографии выполнено обоснование механизмов химических реакций выплавки чугуна и стали на основании междисциплинарного анализа данных литературного обзора разделов металлургии, физики металлов, квантовой химии, теоретической неорганической химии,

Работа является первой попыткой рассмотреть с химической точки зрения указанную тематику и выполнить общее теоретическое основание. Работа не является классической публикацией с квантово-механическими расчетами и обсуждением экспериментальных данных.

Цель работы достигнута, результаты изложены в разделе заключения.

__

Работа посвящается БОГУ ТВОРЦУ ТРОИЦЕ,

выражаю благодарность моей маме, работавшей инженером нефтяного машиностроения.

Электронная оболочка атома железа в основном состоянии [1]:

Энергетический уровень элемента (значение энергии квантовой системы) – N, терм – 5D4 (обозначение символами спектров).

Как видно их схемы, энергия 3d-орбиталей ниже, чем 4p-орбиталей. В соответствии с правилом Хунда суммарное спиновое число должно быть максимальным, то есть при заполнении одним электроном одной орбитали, а затем заполнение вторым электроном орбиталей, имеющий один электрон. На основании этого правила в атоме железа 3d-орбитали имеют по 1 электрону.

Конфигурация орбиталей атома железа:

К E_>g конфигурациям относятся

Наложением d-орбиталей получается без s- и p-получается следующая графика:

Орбиталью является решение квантово-механического уравнения. Орбиталь является областью пространства с наиболее вероятным расположением электрона. Электрон является одновременно частицей и волной, что присутствует в квантово-механических расчетах.

Квантово-механический расчет металлической связи для модели свободных электронов приведен в работе А. Зоммельфельда [2]. Орбиталь металлической связи получена в виде плоской волны, как показано на рисунке ниже:

Кристаллическая решетка железа [7]:

Схема перестройки решеток подробно рассмотрена в монографии Уманского [3]. Так, например, показана схема изменения конфигурации гранецентрированной решетки на объёмно-центрированную решетку то есть при γ→α превращении [3,с.244]:

На рисунке слева приведена сдвоенная ячейка γ-фазы (аустенита). Такая схема показывает, что выделенные узлы перейдут в конфигурацию решетки α-фазы (мартенсита). Для превращения решеток требуется выполнения условия одинакового количества атомов железа и минимальные суммы квадратов деформаций по главным осям.

Уманский в работе [24,с.71] приводит данные об отклонении d-орбиталей от симметрии в поле вокруг атома железа в кристаллической решетке. Так заряд d-орбиталей распределяется по Уманскому в виде конфигурации E_>g с концентрацией вдоль ребер куба и в виде конфигурации Т_>2g с концентрацией вдоль диагоналей куба. Плотности магнитных электронов не обладают сферической симметрией по отношению к ядру железе [24,с.72].

Уманский приводит диаграммы распределения плотности магнитных спинов вдоль граней куба и вдоль диагонали [24,с.77]:

Как видно из рисунка, контурные линии одинаковой спиновой плотности вокруг ядра не являются окружностями. Малая плотность посередине показывает о наличии сжатия плотности в направлении пространственной диагонали в куба.

Уманский приводит диаграммы разности магнитной плотности между теоретической сферической конфигурацией и измеренной экспериментально [24,с.78]:

На диаграммах видна малая плотность посередине между атомами железа. На грани куба плотность избыточная, в диагональном направлении плотность недостаточная.

Уманский отмечает [24,с.14], что представление о расщеплении d-орбитали под действием кристаллической решетки на E_>g и T_>2g уровни является ошибочным. Так как экспериментальная полоса для 3d-уровня получается существенно шире, чем расщепление от одного кристаллического поля. Экранирование свободными электронами полосы проводимости ионных полей уменьшаем симметричную часть локального потенциала решетки.

Распределение электронной плотности и заряда d-электронов в металле почти такое же как в изолированном атоме железа [24,с.15]. В т.ч. по причине электростатического равновесия. Волновые функции у нижнего края d-полосы сильно гибридизированы волновыми функциями полосы проводимости. За счет этого объясняется уменьшение числа электронов с семи в изолированном атоме до шести в металле. Истинная полоса проводимости содержит один электрон на один атом.