Теоретические основы металлургического производства
  8.2 Критический радиус неметаллических включений в стали

При выделении из раствора сферического включения новой фазы радиусом r суммарная величина изменения энергии Гиббса системы составит

При анализе уравнения (8.11) следует учитывать, что величина . Поэтому при выделении из расплава продуктов реакций характер изменения энергии Гиббса системы существенно меняется в зависимости от размеров образующихся неметаллических включений. Выделение из раствора включений малого размера сопровождается увеличением энергии системы, в связи с чем они являются термодинамически не устойчивыми. При достижении некоторого критического радиуса образующихся в расплаве включений rкр дальнейшее увеличение размеров частиц будет сопровождаться уменьшением энергии системы. При этом рост частиц новой фазы становится энергетически выгодным. Характер изменения энергии Гиббса системы в зависимости от радиуса выделяющихся из раствора частиц иллюстрируется схемой на рис. 8.1.

Изменение энергии Гиббса системы при выделении из расплава зародыша новой фазы радиусом r

Рисунок 8.1 – Изменение энергии Гиббса системы при выделении из расплава зародыша новой фазы радиусом r

Для определения величины rкр необходимо приравнять к нулю первую производную уравнения (8.11) по радиусу частиц. При этом получится

Учитывая, что при Gпов = 0 выполняются соотношения

уравнение (8.13) можно привести к виду

Анализ уравнения (8.16) показывает, что критический радиус включений новой фазы уменьшается при увеличении пересыщения раствора взаимодействующими веществами. При отсутствии пересыщения раствора (K/X0=1) протекание реакции возможно только на плоской поверхности раздела фаз. Уменьшению критического радиуса неметаллических включений в стали способствует также малая величина межфазного натяжения на границе расплав-включение, рост плотности частиц новой фазы или уменьшение их молярного объема (M/p).

Изложенное выше позволяет сделать следующие выводы применительно к реакциям окислительного рафинирования в сталеплавильных ваннах.

  1. В гомогенной жидкой стали реакции окисления углерода не получает развития, так как достичь необходимого для выделения газообразных продуктов реакции пересыщения системы взаимодействующими веществами практически не возможно.
  2. Возможными зонами протекания реакции окисления углерода являются:
    • граница раздела металл-подина, где имеются не заполненные расплавом поры в огнеупорных материалах, которые могут выполнять роль зародышей новой фазы;
    • поверхность всплывающих в металле пузырей CO;
    • граница раздела не покрытого шлаком металла с атмосферой;
    • поверхность струй и пузырьков вдуваемого в ванну кислорода или воздуха.
  3. Если реакции образования конденсированных оксидов протекают на плоской поверхности раздела металла со шлаком или футеровкой (r=), то с точки зрения термодинамики пересыщение системы взаимодействующими веществами не требуется.
  4. Протекание реакций окислительного рафинирования с выделением из расплава конденсированных фаз возможно также на поверхности присутствующих в расплаве неметаллических включений, если их радиус больше критического.
  8.2 Критический радиус неметаллических включений в стали
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ