На головну

ПОВЕРХНЕВІ ЯВИЩА В СТАЛЕПЛАВИЛЬНИХ ПРОЦЕССАХ

  1. III. 13.1. Поняття про уяву, його основних видах і процесах
  2. Z1.2. КОМУНІКАТИВНІ ЯВИЩА І ПРОЦЕСИ В УПРАВЛІНСЬКОЇ ДІЯЛЬНОСТІ 437
  3. абсолютні величини, що характеризують обсяг явища за певний період часу - результат процесу.
  4. Буферні системи організму, ЇХ ВЗАЄМОДІЯ, ЯВИЩА ацидоз і алкалоз
  5. Залежно від сфери прояву класової суті держави розрізняють функції внутрішні і зовнішні.
  6. В органах внутрішніх справ організаторами виявлення, розкриття, розслідування, попередження та припинення злочинів є, перш за все, їх перші керівники.
  7. У правосвідомості відображаються лише ті явища життя єства, які безпосередньо пов'язані з правом.

При розгляді властивостей рідини (а також і твердого тіла) слід мати на увазі, що частинки рідини, розташовані у внутрішніх і зовнішніх її шарах, відчувають різну дію з боку оточуючих їх часток, тому властивості поверхневих шарів речовини завжди дещо відрізняються від властивостей його внутрішніх шарів . При збільшенні поверхні ізобарний потенціал речовини зростає, в результаті чого збільшується здатність речовини до виділення з даної фази в будь-якому процесі, т. Е. Збільшуються тиск насиченої пари, розчинність, хімічна активність тощо. Надлишок енергії в тонкому шарі речовини біля поверхні зіткнення речовин ( тел) в порівнянні з енергією речовини усередині тіла називають поверхневою енергією. Повна поверхнева енергія складається з роботи, що витрачається на освіту поверхні, т. Е. Роботи, необхідної для подолання сил міжмолекулярної (або межатомного) зчеплення (когезії1) при переміщенні молекул (атомів) з обсягу фази в поверхневий шар, і теплового ефекту, пов'язаного з цим процесом.

1 Зчеплення (тяжіння) молекул (атомів іонів) у фізичному тілі. (Від лат. cohaesus- пов'язаний, зчеплений.) Обумовлена ??міжмолекулярним взаємодією. Найбільш сильна в твердих тілах і рідинах.

Питома вільна поверхнева енергія про для рухливих рідин тотожно дорівнює поверхневому натягу. Поверхневий натяг - найважливіша термодинамічна характеристика поверхні розділу фаз (тел), що визначається як робота, яку необхідно затратити (при даній температурі) для утворення одиниці площі цієї поверхні. У разі рідкої поверхні розділу поверхневий натяг правомірно розглядати також як силу, що діє на одиницю довжини контуру поверхні, яка прагне зменшити поверхню до мінімуму при заданих обсягах фаз. Поверхневий натяг виражається в Дж / м2 (Енергія на одиницю поверхні) або Н / м (сила на одиницю довжини).

Як відомо, процеси, пов'язані зі зменшенням потенціалу, протікають мимовільно. Таким чином, процеси, пов'язані зі зменшенням поверхневого натягу, будуть протікати мимовільно. Зазвичай термін «поверхневий натяг» застосовують при розгляді властивостей рідкого або твердого тіла на межі рідина-газ або тверде тіло-газ, т. Е. Тоді, коли можна практично знехтувати поверхневий натяг другої фази. Для випадку поверхневого розділу рідин (наприклад, метал-шлак) використовують термін «міжфазне натяг». Якщо поверхневий натяг однієї рідини 1 а інший 2, То в разі ідеального взаємного змочування відповідно до правила Антонова міжфазне натяг 1..2 1 - 2 У більшості випадків міжфазне натяг визначається експериментально.

При розгляді сталеплавильних процесів зазвичай мають справу з розчинами, в яких сили взаємодії між їх компонентами неоднакові. Мимовільність протікання процесів, що супроводжується зниженням енергії Гіббса системи (в даному випадку пов'язаним зі зменшенням поверхневого натягу), призведе до підвищення в поверхневому шарі концентрації того з компонентів, надходження якого знижує поверхневий натяг.

Явище зміни змісту даного компонента в поверхневому шарі в порівнянні з вмістом його у внутрішніх шару називають адсорбцией1. Речовини, які знижують поверхневий натяг розчинника, т. Е. Речовини, концентрація яких в поверхневому шарі вище, ніж в розчині, називають поверхнево-активними. Будь-яка речовина у вигляді компонента рідкого розчину або газу (пара) при відповідних умовах може проявити поверхневу активність, т. Е. Адсорбироваться під дією міжмолекулярних сил на тій чи іншій поверхні, знижуючи енергію Гіббса. Однак поверхнево-активними зазвичай називають лише ті речовини, адсорбція яких вже при дуже малій концентрації (десяті і соті частки відсотка) призводить до різкого зниження поверхневого натягу.

1 Поверхневе поглинання, поглинання поверхневим шаром тіла або рідини (адсорбенту). Адсорбція -від лат. ad-на, при і sorbeo - поглинаю. Десорбція - явище, зворотне адсорбції, т. Е. Видалення з рідин або твердих тіл речовин, поглинених при адсорбції або абсорбції.

Відповідно до рівняння адсорбції Гіббса

де Г-надлишок розчиненого речовини в поверхневому шарі (зазвичай виражається в моль / см2); Зпро - Об'ємна концентрація розчиненої речовини в розбавленому розчині; (d  / dСпро)t- Зміна поверхневого натягу розчину при зміні концентрації Спро (Або активності пропро для нерозбавлених розчинів).

Якщо про зменшується з підвищенням концентрації (d  / dСпро <0), то Г> 0 і концентрація розчиненої речовини в поверхневому шарі вище, ніж в самому розчині (позитивна адсорбція), і навпаки. Рівняння Гіббса - наближене, так як передбачається, що збагачення розчиненим речовиною поширюється лише на мономолекулярний поверхневий шар рідини. Реально адсорбція поширюється на кілька таких шарів.

Мал. 8.4.вплив сірки (А) і кисню (Б) на поверхневий натяг рідкого заліза

Поверхневий натяг2 розплавів заліза становить ~ 1/8 Н / м, для сталеплавильних шлаків воно значно нижче; наприклад, для основних мартенівських шлаків поверхневий натяг 0,4-0,5 Н / м, з підвищенням температури воно дещо зменшується.

Дослідження показали, що такі елементи, як кисень, сірка, бор, церій, кальцій і ін., Є по відношенню до заліза поверхнево-активними (рис. 8.4). Невеликі добавки поверхнево-активних елементів знижують Fe на 20-30%. При цьому зміст даних елементів в поверхневому шарі (на кордоні метал-шлак, метал-під, рідкий метал-зростаючий кристал при застиганні металу) збільшується.

Різниця концентрацій поверхнево-активних речовин в обсязі і на поверхні може бути значною. Наприклад, об'ємна концентрація сірки в металі 0,05%, а на поверхні її вміст досягає декількох відсотків. До особливостей поверхневих явищ відноситься те, що на поверхні проявляється дію навіть незначних концентрацій домішок (такий же зміст домішок, але рівномірно розподілених в об'ємі речовини, не впливає суттєво на об'ємні властивості).

2 Ставлення сили, що діє на ділянку контуру поверхні рідини, до довжини цієї ділянки. Для збільшення поверхні рідини потрібно зробити роботу проти сил поверхневого натягу. В результаті для однієї і тієї ж рідини поверхневий натяг (Н / м) і питома поверхнева енергія (Дж / см2) Чисельно рівні і отримали одне й те саме позначення а (див., Наприклад, на рис. 8.4: Ю7 Дж / см2 = 103 Н / м).

Роль поверхневих явищ в металургійних процесах дуже велика. Більшість металургійних процесів засноване на гетерогенних хімічних реакціях і процесах, пов'язаних зі зникненням одних і появою інших фаз. Тому необхідно враховувати, що і властивості, і склади прикордонних шарів відрізняються від властивостей речовини в обсязі. Процес утворення нової фази починається з того, що під дією флуктуації утворюються термодинамічно нестійкі зародки. Імовірність флуктуації визначається роботою, необхідною для її здійснення. Ця робота пов'язана з наявністю у зародка більшої питомої поверхні, тому залежить від поверхневого натягу на межі зародок-середовище. Чим менше поверхневий натяг, тим менша робота потрібна для утворення зародка, тим сприятливіші умови для освіти (виділення) нової фази.

При наявності поверхнево-активних домішок в металі полегшуються умови виділення (утворення) нової фази (освіта в металі бульбашок газу, неметалевих включень, кристалів і т. Д.). У той же час поверхнево-активні речовини, ад-сорбируясь на поверхні утворюється (нової) фази, можуть гальмувати їх зростання. На цій властивості поверхнево-активних домішок засновані, наприклад, способи модифікування чавуну і сталі. Невелика добавка модифікатора, наприклад бору, сприяє отриманню дрібнозернистої структури металу.

Поверхневий натяг заліза при 1550 ° С, т. Е. При невеликому перегрів над лінією ліквідусу, становить -I860 мДж / м2. У міру збільшення перегріву (при підвищенні температури) поверхневий натяг більшості металів лінійно знижується:

де -  коефіцієнт, для заліза рівний 0,35мДж / (м2-К).

Мал. 8.5.Умови рівноваги сил поверхневого натягу в разі розплавлення краплі шлаку на підкладці з огнеупора

Оскільки багато процесів йдуть на кордоні розділу фаз, необхідно враховувати різний ступінь змочування окремих фаз. Практика показує, що поділ фаз (наприклад, шлаку і металу) пов'язане з труднощами, так як майже завжди на межі поділу проявляється взаємне притягання фаз. Це явище називають адгезію1. Роботу, яку необхідно здійснити для поділу двох фаз (зазвичай розглядається випадок, коли площа контакту дорівнює 1 см2), Називають роботою адгезії. Якщо позначити роботу адгезії РКадг, Поверхневий натяг металу ?м-г, поверхневий натяг шлаку ?ш-г, то

Wадг = ?м-г + ?ш-г - ? м-ш-

Сума ?м-г + ?ш-г характеризує зростання енергії, а ? м-ш - «економію» енергії при поділі фаз. Чим більше Wадг, тим сильніше зчеплення двох фаз і тим важче їх розділити. У граничному випадку, коли витрати на створення нових поверхонь ?м-г + ?ш-г рівні енергії «злипання» ? м-ш, Wадг = 0 і має місце випадок повної незмішуваності двох рідин. Якщо рідка фаза (наприклад, шлак) стикається з твердої (наприклад, вогнетривом), то крапля шлаку, розплавлена ??на поверхні огнеупора (рис. 8.5), відчуває одночасно вплив трьох величин: ?ш-г, ?ш-ГГН і ?огн-г.

Сили поверхневого натягу прагнуть зменшити поверхні контактуючих фаз. В результаті настає рівновага трьох сил:

?огн-г. = ?ш-ГГН + ?ш-г сos?

1 Зчеплення поверхонь різнорідних тіл (від лат. adhaesio - прилипання).

Мал. 8.6.Залежність ступеня змочування краплею рідини твердого тіла від величини кута змочування 9:

1 - повне незмочування; 2 - погане змочування; 3 - хороше змочування; 4 розтікання (повне змочування)

Кут ? називають крайовим кутом змочування. Його величину визначають зі співвідношення

сos? = (аГГН.г - стш_ГГН) / Аш_г,

або в загальному випадку

сos? = (протв_г - прож.тв) / Ож.г.

Залежно від природи контактуючих фаз кутзмочування змінюється від 180 до 0 ° С. при  = 180 ° має місце випадок повного несмачіванія рідкої краплею твердої «підкладки». при  = 90 - 180 ° змочування має місце, але його можна вважати поганим. при  = 0-90 ° змочування хороше, а при  = 0 спостерігається (рис. 8.6) повне змочування поверхні (розтікання краплі).

Крім природи контактуючих речовин на кутзмочування  впливає температура. У більшості випадків з підвищенням температури кутзмочування зменшується і рідина розтікається більш повно. У разі двох погано змочуються рідин (наприклад, коли на поверхні металу плаває шлаковая частка) картина набуває вигляду, показаний на рис. 8.7. На практиці в більшості випадків має місце часткове змочування.

Мал. 8.7.Характер розтікання краплі однієї рідини Жг (Наприклад, шлаку) на поверхні іншої рідини Ж \ (Наприклад, металу)

Значення крайового кута змочування важливо для вирішення багатьох завдань. Якщо, наприклад, відомо, що при зіткненні рідкого шлаку певного складу з футеровкою крайовий кут змочування невеликий (  <90 °), то очікується проникнення цього шлаку в пори, наявні в вогнетривкому матеріалі. Якщо таке проникнення небажано, то необхідно підібрати такі склади шлаків (або вогнетривів), при яких крайовий кут змочування зросте ( > 90 °). Якщо між металом і знаходяться в ньому неметаллическим включенням змочування погане, то це включення швидше спливає і його можна швидко видалити на відміну від випадку, коли змочування між включенням і металом хороше. Сили змочування заважають повністю розділяти шлак і метал. Це можна спостерігати в процесі операції скачування шлаку з поверхні металевої ванни або випуску металу після закінчення плавки. Мал. 8.7 ілюструє випадок, коли на поверхні металу плаває шлаковая частка. Форма цієї частки, по суті, визначається співвідношенням робіт адгезії і когезії. Якщо робота адгезії шлаку до металу WАДГ більше роботи когезії WKor, то шлак розтікається по металу; якщо WKOT > WАДГ, то шлак не розтікається, а утворює на поверхні металу лінзу. різниця WАДГ и WKor, іноді називають ступенем розтікання: Sp = WАДГ - WKOT. При великій мірі розтікання важче відокремити шлакові частинки від металу.

Наведене вище розгляд взаємодії (з урахуванням лише сил змочування) твердої, рідкої і газоподібної фаз умовно, так як процеси контакту різних фаз і взаємного змочування супроводжуються процесами хімічної взаємодії. Якщо рідкий метал Me ' вступає в контакт з оксидом іншого металу Me " (Умовно позначимо Me "О), то взаємодія між ними визначається ступенем хімічної спорідненості металів Me ' и Me " до кисню. Якщо хімічна спорідненість до кисню металу Me ", з оксидів якого Ме "Про складається підкладка, вище хімічної спорідненості до кисню металу Me ', то хімічної взаємодії між Ме "Про и Ме'О не відбувається.

Цьому випадку відповідає зазвичай погане змочування (  > 90 °). Наприклад, хімічна спорідненість до кисню таких металів, як кальцій або алюміній, вище хімічної спорідненості до кисню заліза; хімічну взаємодію між СаО або А12О3 і залізом практично відсутній і крапля рідкого заліза на підкладці з СаО або А12О3 приймає форму, показану на рис. 8.6 (  > 90 °). На відміну від чистого заліза в стали завжди міститься певна кількість домішок, в тому числі таких, хімічна спорідненість до кисню яких вище, ніж заліза, (Ti, Mn, V, Si). У присутності помітної кількості таких домішок кутзмочування 6 зменшується (рис. 8.8).

Присутність навіть невеликої кількості поверхнево-активних домішок (наприклад, кисню або сірки) призводить до помітного зменшення кута  . Разом з тим такі домішки, як нікель і молібден, які не є поверхнево-активними, не мають високого хімічної спорідненості до кисню і практично не впливають на кут змочування .

Якщо в розплаві міститься кілька поверхнево-активних компонентів, то між ними вознікаеп як би боротьба за поверхню. Так, наприклад, при десульфурації стали якщо в розплаві багато кисень; (02 - Поверхнево-активний еле мент), видалення сірки через поверх ність контакту метал-Десульфуруючі ющая добавка утруднено, так як по поверхню металу зайнята киснем; при зменшенні содержанш кисню сірка з металу починає інтенсивно віддалятися. Аналогічна картина спостерігається, наприклад, npи видаленні азоту з металу у вакуум ної печі. Якщо в металі багато кисню, то він як поверхнево - активний елемент займає поверхню і перешкоджає швидкому видаленню азоту з металу.

Склад металу впливає також н міжфазне натяг на кордоні ме талл-шлак (рис. 8.9).

На закінчення нагадаємо, що в ме металургійної практиці часто ис користуються такі поняття (тер міни) з фізичної хімії:

Мал. 8.8.Вплив атомного вмісту компонентів х, розчинених у рідкому залозі, на величину кута змочування  (Підкладка з А1203)

Мал. 8.9.Вплив добавок в метал різних

елементів х (Ат.%) На міжфазну натяг

м-ш на кордоні метал-шлак

абсорбція - поглинання обсягом;

адгезія - Зчеплення поверхонь різнорідних тіл;

адсорбція - Поглинання поверхнею;

десорбція - видалення речовин, поглинених при адсорбції або абсорбції;

когезия - зчеплення (тяжіння) молекул (атомів, іонів) у фізичному тілі;

сорбент - поглинає тіло;

сорбтів (сорбат) - Поглинається речовина;

сорбція - поглинання;

хемосорбция - Поглинання з утворенням хімічних зв'язків.

Кут 0 - крайовий кут змочування (  <90 ° - хороше змочування,  > 90 "- погане змочування,  = 0 ° - повне змочування (розтікання),  = 180 ° - повне незмочування, т. Е. Сили коге-зії такі великі, що повністю виключають сили адгезії і рідка крапля перетворюється в кульку).

 



Попередня   32   33   34   35   36   37   38   39   40   41   42   43   44   45   46   47   Наступна

РЕГУЛЮВАННЯ СКЛАДУ ЧУГУНОВ | ВНЕДОМЕННАЯ десульфурації чавуну | ВНЕДОМЕННАЯ дефосфорація ЧАВУНУ | збезкремнювання | СПІЛЬНЕ ПРОВЕДЕННЯ ОПЕРАЦІЙ Десульфурація І дефосфорація | АКТУАЛЬНІСТЬ ПРОБЛЕМИ | ПРОЦЕСИ твердофазна ВІДНОВЛЕННЯ ЗАЛІЗА | ПРОЦЕСИ жидкофазного відновлення | ПЕРСПЕКТИВИ РОЗВИТКУ ТЕХНОЛОГІЙ ПРЯМОГО ВІДНОВЛЕННЯ | ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ЗАКОНОМІРНОСТІ СТАЛЕПЛАВИЛЬНИХ ПРОЦЕСІВ |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати