VI.6. Переход границы раздела металл–шлак

Термодинамическое условие устойчивости неметаллических включений. Для того, чтобы ответить на вопрос, останется неметаллическое включе­ние в жидкой стали или перейдет в шлаковую фазу (без учета кине­тики процесса), необходимо сформулировать общее термодинамическое условие устойчивости включений в жидком металле. Условия самопроиз­вольного перехода неметаллических включений через границу раздета металл – шлак обычно записывают в вш,е соотношения

(10)

или в виде эквивалентного выражения Переход границы раздела может осуществляться при условии <0. Для боль­шинства оксидных систем <0 и, следовательно, частицы могут пе­реходить границу раздела. Соотношение (10) яваяется приближенным, тем не менее им часто пользуются для практических расчетов.

На основе термодинами­ческого рассмотрения условий устойчивости включений в заданной фазе предложили следующую формулу, при помощи которой можно предсказать переход неметаллического включения из металла на поверхность металл – шлак или металл – газ:

Расчеты по этой формуле показывают, что твердые включения AL₂О₃ образуют наименее устойчивую взвесь и лучше удаляются из ме­талла, чем другие твердые включения (SiO₂, MgO и др.). Стабильность эмульсий, образованных жидкими продуктами раскисления, также уменьшается с увеличением содержания Аl₂О₃ Например при 1560°С плавильным и рафинировочным шлаком с высоким содержанием AL₂Оа Д=–1380, для 75 % AL₂О₃ и 25 % Si0₂ /(=–740; для SiO₂ K=– 450 (расчетные значения). Все металлургические взвеси (твердые включе­ния) и эмульсии (жидкие включения) характеризуются отрицательными значениями /(. Это означает, что при отсутствии химических процессов растворения и изменения условий адсорбции в процессе выхода на границу раздела фаз включения являются неустойчивыми дисперсными системами. Следовательно, при К<0 возможен самопроизвольный пере­ход частиц из металла в шлак. Если рассматривать устойчивость вклю­чений в условиях, когда жидкий металл покрыт шлаком (все продукты раскисления растворяются в шлаках, а на границе раздела включение – шлак σ_в-ш → 0), то приближенно коэффициент К можно определить no-формуле-

Расчеты показывают, что по мере сни­жения содержания Аl₂О₃ в жидких продуктах раскисления стабиль­ность образованных им эмульсий возрастает. Под белым электростале­плавильным и рафинировочным шлаком с высоким содержанием AL₂О₃ и СаО неметаллические включения менее устойчивы, чем под карбидным. Под карбидными шлаками сталь получается более загрязненной по двум причинам: включения в металле более устойчивы; карбидный шлак имеет большую склонность к запутыванию в металле вследствие повы­шенной работы адгезии. Таким образом, металлургические системы ха­рактеризуются той особенностью, что неметаллические включения в жид­кой стали образуют термодинамически неустойчивую систему. Переходу включений из металла в шлак соответствует снижение свободной энер­гии. К числу факторов, снижающих термодинамическую устойчивость не­металлических включений в жидком металле и способствующих пере­ходу границы раздела металл – шлак, металл – газ, относятся:

1) вы­сокое межфазное натяжение на границе металл – включение;

2) высокое поверхностное натяжение жидкого металла;

3) низкое поверхностное натяжение неметаллического включения.