Связь между свойствами поверхностей раздела фаз и скоростью удаления включений

Связь между скоростью движения включений и межфазным натяжением на границе металл – включение. Сопротивление, которое испытывает недеформируемая частица при движении в вязкой жидкости, не зави­сит от природы тела и характера его поверхности. Высказывается пред­положение, что с увеличении работы адгезии (или уменьшением Стм-_в) скорость движения должна снижаться. Некоторые исследователи пы­таются установить количественную связь между скоростью всюшвания и поверхностными характеристиками, вводя в формулу Стокса попра­вочный множитель, учитывающий влияние om-b. Однако точка зрения о существовании связи между скоростью всплывания включений и межфазным натяжением, между включением и металлом является ошибочной. Наблюдаемые на практике различия скоростей движения при изменении межфазного натяжения следует объяснить другими при­чинами. Например этот эффект может быть связан с неконтролируемым газовыделением на поверхности движущегося объекта и др. Вопрос о возникновении скольжения между жидкостью и движущимся объектом в случае отсутствия смачивания рассмотрен Б. В. Деряганым, который показал, что эффект скольжения в жидкостях, не смачивающих твердое тело, имеет место лишь в очень узких зазорах (1 мкм). Та­ким образом, различия в поверхностных характеристиках в системе включение – расплав могут проявиться лишь в пограничных слоях тол­щиной ~ 1 мм, что существенно меньше обычно наблюдаемых неметал­лических включений. Для определения скорости движения твер­дого шара в жидкости с учетом скольжения на границе раздела фаз мо­жет быть использовано уравнение, предложенное Ламбом:

где k – коэффициент трения скольжения; – скорость движения по формуле Стокса. Расчеты по уравнению, выполненные для двух типов включений Аl₂О₃ и SiO₂ показывают, что поправочный мно­житель к стоксовой скорости для включений радиусом 0,01; 0,1; 1 и 10 мкм составляет примерно 0,76–0,84; 0,93–0,97; 0,99; 1,0, Следовательно, скольжение на границе металл – включение может влиять на сопротивление движению лишь для очень мелких неметалли­ческих включений (0,01–0,001 мкм). Для более крупных включений (>1 мкм) поправочный множитель близок к 1. Таким образом, лучшее удаление включений, характеризующихся меньшей смачиваемостью (Аl₂О₃ и др.), чем силикаты, связано не с эффектом скольжения, а с особенностями перехода межфазной границы.

Адсорбционное торможение. Присутствие в жидком металле по­верхностно-активных компонентов (серы, кислорода и др.) приводит к адсорбции этих компонентов на поверхности неметаллических частиц и существенному снижению межфазного натяжения на границе металл – включение. А. Н. Фрумкин показал, что присутствие поверхно­стно-активных веществ (ПАВ) может вызывать торможение движущей­ся частицы в результате перемещения молекул адсорбционного вещества с лобовой части включений в кормовую. Это приводит к снижению поверхностного натяжения в кормовой части. При градиенте межфазно­го натяжения возникает сила, тормозящая движение капли и тем самым предотвращающая накопление ПАВ в кормовой части. Расчеты пока­зывают, что эффект адсорбционного торможения заметно влияет на скорость перемещения для включений размером 1 мкм.

Движение неметаллических включений в полях диффузии ПАВ. В жидком металле существуют локальные области, характеризующиеся градиентом концентрации ПАВ. Такие области появляются в резуль­тате введения в жидкий металл раскислителей, легирующих добавок и др. Присутствие неоднородных концентрационных полей (полей диф­фузии) приводит к неравномерной адсорбции вдоль поверхности части­цы. Возникающий градиент поверхностного натяжения обусловливает возникновение силы, вызывающей движение неметаллического включе­ния. Расчеты показывают, что для оксидных частиц сложного со­става (Аl₂О₃–СаО–SiO₂–FeO) даже при незначительном градиенте концентрации поверхностно-активного кислорода (10~²%/м) в расплав­ленном железе реализация адсорбционного механизма движения вместо гравитационного приводит к увеличению скорости частиц размером 3–8 мкм в пять'–десять раз, а частиц размером 10–20 мкм – в полтора–три раза. Лабораторными опытами показано, что полнота уда­ления оксидных включений зависит от градиента концентрации. Скоро­сти всплывания продуктов раскисления в полях диффузии кремния и марганца превышают скорости всплывания под действием гравитацион­ных сил в 30–50 и 10–15 раз соответственно. Больший эффект для кремния связан с тем, что он является более капиллярно активным по отношению к железу, чем марганец. По рассмотренному механизму происходит укрупнение включений в основном в локальных объемах: металла. Удаление включений из объема металла происходит под дей­ствием гравитационных сил и конвективных потоков.