3.6. Поверхностные явления.

Большинство металлургических процессов и реакций осуществляется между разнородными средами и телами: расплавленными металлами и газами, металлом и шлаком, газами и рудой.

Поверх­ностные явления, в ряде случаев оказывают большое влияние на протекание многих процессов и на свойства твердых и жидких тел. Это обусловлено особым состоянием, в кото­ром находятся поверхности раздела между телами.

Значение поверхностных явлений особенно велико в телах с высокоразвитой поверхностью. Такие тела, как например, активированный уголь благодаря высокой по­ристости имеют поверхность около 1000 м²/г. Вследствие этого он хорошо поглощает различные вещества, как из жидкостей, так и из газов. Это свойство активированного угля используется для очистки растворов. Большую роль играют поверхностные явления в процессах, в результате которых в какой-либо среде возникают новые тела. Например, при раскислении стали в объеме жидкого металла образуются частицы твердых окислов. При этом сначала должны возникнуть микро­скопические, зародыши таких окислов, что связано с по­явлением новых поверхностей раздела. Величина необхо­димой для этого энергии зависит от характера взаимо­действия на поверхности раздела жидкая сталь — твер­дые окислы. Другим подобным примером может служить процесс обезуглероживания стальной ванны, в результа­те которого образуется окись углерода, собирающаяся в мельчайшие пузырьки, растущие по мере их всплывания на поверхность металла.

Важное значение в металлургии имеют явлении сма­чивания жидкостями твердых тел, которые также определяются состоянием поверхностных слоев. Например, от смачивания жидкой сталью и жидким шлаком огне­упорной футеровки мартеновских печей или конвертеров зависит протекание ряда реакций, а также стойкость са­мой футеровки.

Особенный интерес представляет процесс флотации, широко используемый для обогащения руд. Он основан на том, что частицы ряда ценных минералов, например сульфидов или окислов металлов, не смачиваются водой (при добавлении некоторых масел) и всплывают с пу­зырьками воздуха на поверхность ванны. Пустая же по­рода, состоящая из хорошо смачивающихся водой сили­катов, тонет.

3.7. Кинетика гетерогенных реакций.

Большинство метал­лургических процессов происходит в неоднородных сре­дах, поэтому химическое взаимодействие осуществляет­ся между веществами, находящимися в соприкасающих­ся фазах. Таковы, например, реакции восстановления твердых окислов железа газами в доменной печи или окисление углерода, растворенного в жидкой стали, же­лезистым шлаком. Реакции и превращения, происходя­щие в твердой стали при термической или химико-термической обработке, также сопровождаются взаимодей­ствием между различными фазами, возникновением одних фаз и исчезновением других.

Так, при нагреве стали под закалку карбиды, состав­ляющие в ней самостоятельные включения, переходят в твердый раствор, а при отпуске они частично выделя­ются из него. Общая особенность таких процессов со­стоит в том, что химические превращения происходят на границах раздела между различными средами. Напри­мер, при дефосфорации жидкой стали шлаками реакция окисления фосфора происходит на поверхности, разде­ляющей сталь и шлак. Очевидно, что для осуществления реакции необходимо прежде всего, чтобы реагирующие вещества, в данном случае фосфор и кислород, были перенесены к этой поверхности из объема стальной ван­ны и из шлака. Кроме того, образовавшийся продукт должен быть удален с поверхности раздела, так как ина­че произойдет замедление реакции.

Таким образом, гетерогенные реакции отличаются сложностью и многостадийностью, которые обусловлены процессами переноса веществ. Наряду с этим и само химическое превращение также в большинстве случаев не протекает в одну стадию. Гетерогенные реакции со­стоят из трех стадий: переноса ве­ществ к поверхности раздела двух сред, т. е. к реакцион­ной зоне, химического превращения и отвода продуктов превращения из зоны реакции. Так как гетерогенные реакции происходят на поверхности раздела, то их ско­рости зависят от величины этих поверхностей. Поэтому, чем больше отношение поверхности реагирующего тела к его объему, тем выше скорость реакции. Так, рафини­рование жидкой стали синтетическими шлаками завер­шается за несколько минут вследствие того, что струя металла при падении через расплавленный шлак дро­бится на мельчайшие капли. Поверхность таких капель в тысячи раз больше, чем поверхность соответствующего объема жидкого металла в ванне мартеновской печи.

Восстановление окислов железа газами идет быст­рее, если куски руды достаточно измельчены. Эти и по­добные им гетерогенные реакции, представляющие со­бой последовательность ряда стадий, можно сравнить с конвейером в том смысле, что их скорости определя­ются скоростью самой медленной стадии.

Процессы массопередачи определяют скорости ста­дий, относящихся к переносу веществ в зону реакции. При обезуглероживании жидкой стали перенос кисло­рода в слое воздуха, прилегающем к металлу, или в слое шлака и отвод образующейся окиси углерода являются примерами внешней массопередачи.

Перенос углерода из объема стальной ванны к по­верхности ее раздела с воздухом или со шлаком есть процесс внутренней массопередачи. Если такой подвод веществ к зоне реакции является наиболее медленным звеном, то скорость всего процесса определяется ско­ростью диффузии. В этом случае говорят, что превра­щение идет в диффузионной, или во внутридиффузионной области. При высоких температурах химические реакции протекают практически мгновенно. Поэтому скорости многих процессов выплавки и рафинирования металлов ограничиваются скоростью диффузии или внутренней массопередачи.

Если медленной стадией является химическое пре­вращение, то скорость всего процесса определяется скоростью реакции. В этом случае говорят, что процесс идет в кинетической области. Встречаются, однако, про­цессы, в которых скорости химических и диффузионных звеньев сопоставимы. В этих случаях скорость суммар­ного процесса может и не равняться скорости самой медленной стадии, так как все стадии взаимно связаны и более быстрая может ускорить замедленную.

Наряду с процессами, состоящими из последовательных стадий, могут быть и процессы, в которых превра­щение осуществляется одновременно (или параллель­но) несколькими путями. Например, при восстановлении железной руды внутренняя диффузия восстановительных газов (СО) осуществляется одновременно, но трещи­нам в кусках руды, по узким капиллярам в этих кусках и путем «переползания» адсорбированных молекул га­за по поверхности руды.

В реальных металлургических процессах массопередача не протекает в спокойных, неперемешиваемых га­зах и жидкостях. Она осложнена наличием тепловых и других потоков и поэтому не может быть описана при помощи закона Фика. В этих процессах на явление мо­лекулярной диффузии накладывается перенос вещества, объясняющийся наличием потоков масс жидкости или газа, которые вызываются, например, разностью темпе­ратур. Такой смешанный процесс массопередачи назы­вается конвективной диффузией. Еще более сложный характер движения наблюдается, когда при перемеши­вании возникают завихрения (турбулентность) и пуль­сации. Для расчетов скорости массопередачи в подоб­ных условиях уже недостаточно законов диффузии. При этом необходимо также учитывать законы движения жидкостей и газов. Потоки в металлургических агрега­тах обычно имеют сложный характер и теоретические расчеты массопередачи практически невозможны, по­этому в данном случае пользуются теорией подобия, или теорией размерностей.

От интенсивности и характера массопередачн в жид­ких металлах, шлаках, а иногда и газах часто зависят скорости металлургических процессов. Различают два ха­рактера течения жидкостей и газов: ламинарный и турбу­лентный. Ламинарное, или «слоистое» течение имеет упо­рядоченный характер — частицы жидкости двигаются по прямолинейным траекториям и различные слои жидкости перемещаются параллельно друг другу с различными ско­ростями и не перемешиваются между собой. При лами­нарном течении перенос веществ в значительной мере обусловлен молекулярной диффузией.

Ламинарное течение остается устойчивым при относи­тельно небольших числах Рейнольдса. При возрастании числа Re в результате увеличения скорости течения, из­менения геометрических условий или вязкости при неко­тором критическом значении этого числа наступает рез­кое изменение характера течения жидкости. Теряется ус­тойчивость и плавность движения, появляются завихре­ния, слои жидкости непрерывно перемешиваются и их движение становится криволинейным и запутанным. При таком движении, которое называется турбулентным, про­цессы массопередачи совершаются со значительно боль­шими скоростями, чем при ламинарном. Тем не менее, да­же при турбулентном течении в ряде случаев наиболее медленной стадией массопередачи может быть молеку­лярная диффузия.

Для наглядности можно представить, что, несмотря на сильное перемешивание, тонкий слой жидкости (или га­за) как бы прилипает к поверхности твердого тела и внут­ри этого слоя, называемого граничным, течение имеет плавный характер. Поэтому иногда приближенно прини­мают, что перенос веществ через этот слой осуществляет­ся путем молекулярной диффузии.