- •Теория металлургических процессов
- •Введение
- •1. Состав и свойства высокотемпературной газовой атмосферы
- •1.1. Термодинамика газовых атмосфер
- •1.2. Гомогенные газовые процессы
- •2. Анализ процессов горения твердого углерода
- •3. Оценка прочности химических соединений
- •3.1. Диссоциация карбонатов
- •3.2. Диссоциация оксидов железа
- •3.3. Механизм и кинетика процессов диссоциации
- •При этом образование зародыша новой фазы в недрах старой должно сопровождаться уменьшением энергии Гиббса системы, рассчитываемой по уравнению
- •3.4. Окисление твердых металлов
- •4. Процессы восстановления металлов
- •4.1. Термодинамическая характеристика процессов восстановления
- •4.2. Восстановление оксидов железа твёрдыми и газообразными восстановителями
- •4.3. Механизм и кинетика процессов восстановления
- •5. Металлургические расплавы
- •5.1. Общая характеристика
- •5.2. Металлические расплавы
- •5.3. Термодинамические свойства металлических расплавов. Параметры взаимодействия
- •5.4. Шлаковые расплавы. Состав, строение, термодинамические свойства
- •Газы в сталях. Процессы нитридообразования
- •7. Раскисление металлических расплавов
- •8. Распределение элементов между металлом и шлаком
- •Библиографический список
- •Оглавление
5. Металлургические расплавы
5.1. Общая характеристика
Высокотемпературные металлургические процессы протекают с участием жидких фаз: металлической, оксидной (шлаковой), сульфидной (штейновой), солевой. Взаимодействие между жидкими фазами и с обязательным участием газовой зависит от структуры (строения) и свойств металлургических расплавов.
С учётом природы и строения все жидкости классифицируются следующим образом:
с водородными связями (вода, спирты, органические кислоты);
с молекулярными связями (бензол, парафин);
с ионными связями (оксидные и сульфидные расплавы, водные и прочие растворы солей, щелочей, кислот);
с металлическими связями (взаимодействие катионов со свободными электронами).
Участвующие в металлургических процессах оксидные и сульфидные расплавы являются многокомпонентными жидкостями и имеют сложное строение. В расплавах солей, относящихся к ионным жидкостям, наблюдается сильное межчастичное взаимодействие и высокая концентрация частиц в единице объёма. Промышленные металлические расплавы являются многокомпонентными жидкостями, содержащими металлические и металлоидные составляющие.
При получении металлического расплава заданного состава стремятся уменьшить потери легирующих элементов со шлаком и газовой фазой. Это облегчается при знании закономерностей перераспределения элементов между контактирующими фазами, умении рассчитать термодинамическую активность компонентов в металлургических расплавах.
Для решения подобных задач необходимо знать структуру (строение) расплавов и природу сил, действующих между структурными единицами расплава. Для оценки скорости протекающих в системе процессов необходимо знание ряда физико-химических свойств расплавов.
Под структурой или строением расплава понимают количественное описание взаимного расположения в пространстве составляющих их частиц. Структура расплава взаимосвязана с электронной природой частиц, величиной сил взаимодействия между частицами и с его физико-химическими свойствами, которые часто называют структурно-чувствительными свойствами.
5.2. Металлические расплавы
Чистые жидкие металлы обычно относят к так называемым простым жидкостям, которыми являются сжиженные инертные газы с вандерваальскими силами взаимодействия. В жидких металлах межчастичная связь осуществляется коллективизированными электронами; их наличием объясняется электропроводимость, теплопроводность, а также вязкость и адсорбция наряду с другими свойствами металлов.
При температурах, близких к температуре кристаллизации, строение жидких металлов близко к строению твёрдых кристаллических тел. Это сходство заключается в сопоставимости характера межчастичного взаимодействия и термодинамических свойств. В жидком состоянии атомы (ионы) находятся на близких расстояниях, но не образуют строго периодической регулярной структуры, то есть дальнего порядка, характерного для твёрдых кристаллических тел.
Введение в металл различных примесных элементов (в том числе легирующих) изменяет электронное строение расплавов, при этом в зависимости от природы примеси форма его существования в расплаве отличается от формы существования растворителя.
Так, такие элементы, как марганец, хром, никель, другие металлы, мало отличные от железа по электронному строению, обладают неограниченной растворимостью в жидком железе и высокой – в твёрдом. Они образуют с железом твёрдые растворы замещения, при этом занимают часть узлов в кристаллической решётке.
Такие элементы, как углерод, азот и водород, с железом образуют растворы внедрения, при этом располагаясь в междоузлиях кристаллической решётки железа.
Кремний и фосфор в жидком железе растворяются неограниченно, а в твёрдом – их растворимость ограничена. В расплавах железа они образуют обособленные группировки атомов железа с кремнием и фосфором, с преобладанием ковалентной связи.
Растворённые в жидком железе (либо другом растворителе) примеси изменяют свойства металлических расплавов и влияют на характер протекания сталеплавильных процессов. К таким свойствам следует отнести вязкость, поверхностные свойства, плотность, электропроводность и теплопроводность.