Укрупнение неметаллических включении

Укрупнение частиц возможно при их столкновении. Это может произой­ти в результате естественной миграции частиц или под воздействием на­правленных сил.

Различают два типа коагуляции перикинетическую и ортокинетическую (термины введены Вигнером).

Под перикинетической-коагуляцией понимают укрупнение частиц размером ~ 1 мкм, движу­щихся по законам случайных блуждений (например, броуновского дви­жения).

Под ортокинетической коагуляцией понимают укрупнение частиц в жидком металле, когда частицы находятся под воздействием силового поля: гравитационного (всплывание), электрическою (электрофорез), концентрационного (движение под действием адсорбционных сил). К. ор­токинетической коагуляции относится также укрупнение неметаллических включений в результате столкновений движущихся с потоком жидкости частиц в условиях естественной и принудительной конвекции.

Расчеты показывают, что для частиц диаметром >0,1 мкм ортокинетическая коагуляция имеет преобладающее значение. Роль двух типов коагуляции одинакова для очень мелких частиц (~1 мкм). Скорость слияния двух капель одинакового радиуса v прямо пропор­циональна межфазному натяжению σ_м-в и обратно пропорциональна вязкости ŋ: v=K(σ_m–_В/ŋ)). Cкорость слия­ния составляет 15–17 м/с. В реальных условиях для различных вклю­чений σ_м-в изменяется в 10–15 раз, а вязкость – в 10³–10⁵ раз, поэтому вязкость может оказать большее влияние на скорость слия­ния, чем межфазное натяжение на границе металл–включение. Распро­странено мнение, что более эффективно укрупняются включения, характеризующиеся высоким межфазным натяжением, поскольку этому случаю соответствует значительное снижение свободной энергии. Это подтверждается результатами сравнения жидких включений, которые различаются значениями σ_м-в при прочих равных условиях. Дейст­вительно, предпочтительнее будут сливаться включения, имеющие более высокие значения σ_м-в . Слиянию двух жидких неметаллических ча­стиц предшествует образование металлического перешейка. Зависимость радиуса перешейка а от времени τ при слиянии двух соприкасающихся вязких капель радиусом r описывается формулой Френкеля:

(3)

где а–радиус кривизны; σ – поверхностное натяжение; ŋ– вязкость.

При различных радиусах кривизны капель скорость их слияния определяется скоростью слияния капель с меньшим радиусом, а при различных вязкостях – скоростью слияния капель с меньшей вязко­стью. Уравнение (3) хорошо передает соответствие опытных и расчетных данных при η>0,7 Па-с. При меньших значениях вязко­сти, когда сопротивление носит инерционный характер, следует пользоваться формулой:

(4)

Опытные данные, а также расчеты по формулам (3) и (4) показывают, что капли из неметаллических фаз различного состава (СаО, Аl₂О₃, CaF₂, SiO₂, MgO) с вязкостью от 0,005 до 0,26 Па·с сли­ваются со скоростями увеличения площади перешейка от единицы до десятков квадратных сантиметров в секунду. Особенно важны закономерности укрупнения твердых включений. Во многих случаях наблюдаемые в стали крупные включения глинозема (<3 мм) состоят из множества мелких частиц размером в несколько микромет­ров. Моделированием и математическими расчетами показано, что ча­стицы в этих скоплениях удерживаются силами поверхностного натя­жения, возникающими вследствие уменьшения межфазной поверхности металл–включение при выдавливании манжеты жидкой стали между частицами. Расчеты показывают, что две соединяющиеся частицы раз­мером 5 мкм могут быть разорваны потоком движущегося металла, если скорость потока относительно частиц >1,4 м/с.

Образование скоплений возможно при условии самопроизвольного установления контакта между включениями. Этому предшествует ста­дия, связанная с появлением манжеты из жидкого металла. Дальней­шее поведение этих включений в существенной степени определяется капиллярными силами. Удержание неметаллических включений при помощи капиллярных сил связано с адгезией жидкого металла к соеди­няемым поверхностям. Этот вопрос достаточно полно рассмотрен в работах Ю. В. Найдича, С. И. Попеля, А. А. Дерябина.

Жидкая ман­жета может быть удалена лишь при отрицательном значения измене­ния свободной энергии этого процесса: , или (Θ – краевой угол смачивания металлом поверх­ности включения).

Таким образом, смачиваемость является важнейшей характеристи­кой прочности образования сложных конгломератов. Если Θ>90°, то образование скоплений возможно; если Θ<90°, то процесс термоди­намически невозможен. Расчеты, выполненные в работе [140], показа­ли, что при Θ>100° силы, действующие в турбулентном потоке, не мо­гут разорвать связи и разобщить скопления включений.

При турбулентных пульсациях в струе металла (v≥10м/с) включения крупных размеров (r=10 мкм) будут отрываться друг от друга, если их вязкость превышает 0,04 Па·с, а маленькие частицы (r = 1 мкм) при ŋ>5·10^-9 Па·с, σ=1000 мДж/м².

Рассматривают обычно следующие механизмы роста включений.

1. Осаждение неметаллической фазы на уже образо­вавшихся зародышах за счет диффузии реагирующих ве­ществ к поверхности этих зародышей.

2. Коалесценция мельчайших включений в результа­те их встречной диффузии.

3. Столкновение и укрупнение зключений за счет броуновского движения (перикинетическая, или само­произвольная, коагуляция).

4. Рост включений в результате «стоксовских соуда­рений», т. е. встречи включений разной величины, всплы­вающих вследствие этого с различной скоростью.

5. Рост включений при соударении с градиентом ско­рости (ортокинетическая, или кинематическая, коагуля­ция), например при перемешивании с помощью магнит­ного или центробежного поля, значительного темпера­турного градиента.