Поверхневі явища в сталеплавильних системах

Питома поверхнева енергія сталей , для шлаку , міжфазна питома енергія на межі металу і шлаку залежно від вмісту останнього. Найістотніше на енергію впливає : з підвищенням вмісту ця енергія знижується.

Якщо в рідкій фазі є компонент, здатний знижувати питому по­верхневу енергію, то він розмішується в поверхневому шарі фази з концентрацією, що перевищує концентрацію в об’ємі фази. Таке явище називається адсорбцією. Згідно з рівнянням Гіббса поверхнева концен­трація

де – активність і-го компонента.

Із підвищенням поверхневої концентрації змінюється хід поверх­невих реакцій. Поверхнева концентрація збільшується тоді, коли масо-перенос поверхнево-активного компоненту з об’єму фази відбувається з більшою швидкістю, ніж витрати цього компоненту за хімічною реак­цією. У цьому разі в розрахунках швидкості поверхневої хімічної реак­ції потрібно використовувати не об"ємну, а поверхневу активність.

До поверхнево-активних елементів, розчинних у залізі, насам­перед належать кисень і сірка. Перший завдяки поверхневій активнос­ті впливає на розчинення та виділення зі сталі азоту, утруднюючи обидва ці процеси. Другий елемент знижує швидкість окислювання вуг­лецю з металу киснем газової фази, оскільки займає поверхню контак­ту, потрібну для адсорбції атомів кисню за реакцією (1.28). До силь­них поверхнево активних компонентів шлаку в контакті з металом нале­жить завдяки реакції (1.29) обміну з металом киснем. У кон­такті з газовою фазою таких компонентів у шлаку, мабуть, немає.

Метал може змочувати футеровку різною мірою залежно від віку останньої. Крайовий кут змочування нової футеровки досягає 90°, а в процесі її роботи знижується до 30...40°. З часом досить важко відокремити метал від футеровки, наприклад, при випуску плавки зі сталеплавильного агрегату.

Крайовий кут змочування футеровки шлаком менший, ніж металом внаслідок спорідненості цих фаз, оскільки кожна з них є сумішшю оксидів. Цей кут може зменшуватися майже до нуля, що утруднює відо­кремлення шлаку від футеровки. Крім того, унаслідок капілярності збільшується глибина h , на яку шлак може затікати до капілярів футеровки, то визначається рівнянням:

де: – густина шлаку; – прискорення вільного падіння; – радіус капіляра.

Завдяки капілярності існує так званий робочий шар футеровки, просякнутий шлаком, що впливає на певні властивості цього шару; знижує його вогнетривкість і примушує брати участь в окислювальних процесах у металі через наявність у шлаці

Затікання шлаку до капілярної пори залежить не лише від по­верхневих властивостей фаз, а й від розподілу температури вогнетри­вів уздовж пори. Звичайно максимальна температура спостерігається на внутрішній поверхні вогнетривів, а на відстані від останньої вона зменшується. Відповідно шлак або метал, що затікають до пори, у зоні вогнетриву з низькою температурою, охолоджуються. Якщо їх температура плавлення стає вищою за температуру вогнетривів, вони тверднуть. При цьому затікання припиняється, навіть коли можливості затікання за рівнянням (1.34) ще не використані.

Якщо в рідині спливає газовий об’єм, то на межі з ним рідина має певну питому поверхневу енергію . За наявності в рідині час­точок, що мають у контакті з рідиною міжфазну питому енергію , а з газовою фазою – часточки можуть прикріплюватись до газового об’єму, якщо дотримується співвідношення

бо це буде супроводжуватись зниженням загальної кількості енергії системи.

На цьому основане видалення з металу неметалевих включень під час барботажу через сталеплавильну ванну газів.

Часточки, розміщені в рідині, можуть коалесціювати, якщо вони рідкі, або коагулювати, якщо вони тверді, за умови, що поверхнева енергія на межі між часточками буде меншою за суму поверхневих енергій часточок на межі з рідиною:

На цій умові основане укрупнення неметалевих включень у мета­лі, що збільшує швидкість їх спливання і відокремлення зі сталі. Укрупнення прискорюється з підвищенням частоти стикання часточок, що відбувається, наприклад, під час барботажу газів через метал.

Коли газові об’єми спливають у рідині, створюється піна, що може бути динамічною або стійкою. Динамічна піна існує лише під час барботажу; з його припиненням швидко зникає. Навпаки, стійка піна Існує після цього ще тривалий час. Стійкість піни зростає зі змен­шенням питомої поверхневої енергії рідини і в певному діапазоні під­вищення її в’язкості. Перше зменшує втрати енергії на створення пі­ни, друге зменшує швидкість витікання піни з між бульбових проміжків, що зменшує швидкість руйнування створеної піни. Динамічні піни від­різняються великою товщиною цих проміжків і тому швидко зникають після припинення барботажу. Навпаки, у стійких пінах між бульбові проміжки дуже тонкі та майже плоскі, а газові об’єми мають багато­гранну форму.

Спінювання збільшується за наявності в рідині поверхнево-ак­тивних речовин (пар) завдяки тому, що внаслідок адсорбції останні знижують питому поверхневу енергію.

У сталеплавильному виробництві метал найчастіше спінюється при збільшенні швидкості реакції окислювання вуглецю, що відбуваєть­ся з виділенням газу. Це особливо помітно при кипінні сталі у вилив­ниці, коли висота металу у виливниці може збільшуватись на 10-20%.

Набагато сильніше спінюється сталеплавильний шлак, особливо коли його в’язкість досягає найсприятливіших для спінювання величин насамперед внаслідок виділення в шлаці твердих часточок при переси­ченні деякими компонентами. Ці часточки, розміщуючись у між бульбових проміжках, утруднюють витікання з них рідини, що підвищує стійкість піни.

Найчастіше гетерогенізація силікатного основного шлаку відбу­вається при утворенні в процесі шлакоутворення двокальцієвого силі­кату , а фосфатного – при утворенні три кальцієвого фосфату .У кислих шлаках гетерогенізація відбувається завдяки часточкам кремнезему . Внаслідок спінювання сталеплавильних шлаків їх об’єм може збільшуватись у 30-40 разів, що потребує конструювання внутрішнього об’єму сталеплавильних агрега­тів з урахуванням цього і тому значно більшим, ніж за відсутності спінювання, щоб запобігти витіканню спінених металу і шлаку з агре­гатів. Проте в окремих випадках витікання спінених фаз відбувається й має вибуховий характер, коли фрагменти піни металу та шлаку вики­даються з агрегату на різну, у тому числі велику відстань – до десятків метрів. Такі ускладнення сталеплавильного процесу називають викидами, вони загрожують здоров"» і життю персоналу, що обслуговує агрегати, призводять до втрат металу, забруднюють робочі площі та навколишнє середовище.