17. Розчинення твердих речовин у рідині

У сталеплавильних процесах часто зустрічаються технологічні обставини, коли тверді шихтові матеріали (металобрухт, вапно тощо) розчиняються в рідких фазах (металева ванна або шлак).

При розчиненні твердої речовини у рідині відбувається про­цес, який можна описати рівнянням:

згідно з яким вміст речовини в рідині при насиченні нею:

Якщо речовина знаходиться в твердій речовині у вигляді твердого розчину, необхідно використати активність її в цьому роз­чині . Якщо тверда речовина насичена , або складається лише з неї, активність процес розчинення може супроводжуватися поглинанням або ви­діленням теплоти, що відповідно спричинює збільшення або зменшен­ня концентрації насичення при підвищенні температури.

У сталеплавильному виробництві використовують чавун, що є за­лізом, насиченим вуглецем. Як зазначалося, сталеплавильний шлак мо­же насичуватись оксидами кальцію, магнію, хрому і ванадію.

Розчинення речовини, що має кристалічну решітку твердого ті­ла, та перехід її атомів і молекул у розчин відбуваються завдяки тому, що хімічний потенціал речовини в розчині менший за хімічний потенціал речовини в твердому стані. Власне перехід відбувається як втрата речовиною далекого порядку будови зі збереженням лише ближнього порядку.

Якщо речовина входить до твердого розчину, процес роз­чинення складається з таких етапів: молекулярна дифузія речовини з об’єму твердого тіла до поверхні розчинення; власне розчинення з переходом атомів і молекул речовини в рідину; їх масоперенос з поверхні розчинення до об’єму рідини.

Якщо процес лімітується масопереносом речовини в твердій фазі, в останній створюється градієнт концентрацій, а концентра­ція на поверхні твердого тіла /поверхні розчинення/ менша за концентрацію насичення. Цей етап процесу розчинення усувається, якщо тверде тіло повністю складається з речовини .

Якщо процес розчинення лімітується власне переходом речови­ни з твердого тіла в рідину на поверхні розчинення, то на останній вміст речовини у рідині менший за концентрацію наси­чення.

Нарешті, якщо процес розчинення лімітується масопереносом речовини у рідкій фазі, концентрація у рідині на поверхні розчинення дорівнює концентрації насичення рідини речовиною .

В окремих випадках розчинення можлива хімічна реакція речовини , що розчиняється, з речовиною , що міститься в розчині.

У цьому разі на поверхні розчинення в рідині вміст речовин дорівнює їх урівноваженим концентраціям. Іноді нова речовина , що утворюється внаслідок цієї реакції, не розчиняється або переси­чує рідину, що спричинює утворення нової фази складу на поверх­ні розчину.

Наведені загальні положення повною, мірою виконуються при роз­чиненні твердих матеріалів у рідких фазах сталеплавильних процесів.

Наприклад, розчин вапна в сталеплавильному шлаку відповідає випадку, коли тверде тіло майже повністю складається з однієї речо­вини - оксиду кальцію, тобто лімітування процесу розчину молекуляр­ною дифузією оксиду кальцію у вапні не відбувається.

Оксид кальцію, що потрапляє в розчин, наприклад силікатний основний шлак, схильний взаємодіяти з кремнеземом шлаку з утворен­ням, досить міцної сполуки двокальцієвого силікату за реакцією:

Оскільки має обмежену розчинність у шлаці, він створює нову фазу, що шаром покриває кусок розчинюваного вап­на і запобігає продовженню розчинення. Лише після вживання плав­нів, що порушують цей шар, вдається відновити процес розчинення.

У багатьох випадках розчинення загальна швидкість процесу лімітується зовнішнім масопереносом, тобто переносом речовини в розчині (рідині). При цьому питома інтенсивність масопереносу зале­жить від коефіцієнта переносу в рідині і різниці в концентра­ціях насичення та об’ємі рідини за рівнянням:

Для сталеплавильних шлаків величину О визначають за допо­могою потрійних або псевдопотрійних діаграм як точку перетину пря­мої, що поєднує кут діаграми, який відповідає розчинюваній речови­ні, і точку, яка відповідає складу шлаку, з лінією ліквідує, що відповідає температурі ванни.

У процесі плавки склад шлаку змінюється і це враховується шляхом зміни величини у рівнянні (1.129).

Нарешті, у шлаці спостерігається рух,, спричинений природним або штучним переміщуванням, що прискорює масоперенос.

За такими самими законами відбувається розчинення футеровки ванни агрегату в шлаці. Якщо вогнетриви футеровки містять кілька ок­сидів, то загальна швидкість розчинення визначатиметься швидкістю розчинення найстійкішого з них. Наприклад, розчинення доломітової футеровки в основному сталеплавильному шлаці лімітується розчинен­ням оксиду магнію, бо його концентрація розчинності менша, ніж оксиду кальцію, а відповідно менша д різниця між нею та фактичною кон­центрацією оксиду магнію в об’єму шлаку, що за рівнянням (1.129) зменшує питому інтенсивність розчинення. Лише наприкінці сталепла­вильного процесу, коли вміст оксиду кальцію в шлаці наближається до концентрації його розчинності, можливе лімітування процесу розчи­нення футеровки в шлаці розчиненням у ньому оксиду кальцію.

Процеси розчинення відбуваються в металевій ванні під час пе­реходу твердого металобрухту в розплав. Коли при цьому температура ванни перевищує температуру плавлення металобрухту,останній плавить­ся внаслідок теплопереносу. Ллє в першій половині процесу плавки звичайно температура плавлення брухту перевищує температуру ванни, тому розплавлення не відбувається і брухт розчиняється в металі.

Якщо вміст вуглецю в металі перевищує його вміст у брухті, то вуглець з рідкого металу ванни розчинятиметься в твердому металі ме­талобрухту молекулярною дифузією. Завдяки цьому вміст вуглецю в ме­талі металобрухту підвищуватиметься, а температура плавлення знижу­ватиметься. Коли остання досягне температури ванни, зовнішній шар металу металобрухту сплавиться й перейде у розплав металу ванни.

Отже, твердий металобрухт розплавляється при такій температу­рі на його поверхні, яка відповідає температурі ванни, і при такому вмісті вуглецю на поверхні, який відповідає плавленню металу при температурі ванни.

Якщо процес розчинення лімітується зовнішнім масопереносом, питома інтенсивність останнього:

де: – коефіцієнт масопереносу вуглецю у ванні; – вміст вуг­лецю відповідно у ванні та в поверхневому шарі металу металобрухту.

За такими самими законами відбувається розчинення в металі феросплавів, температура плавлення яких перевищує температуру ванни.

Коли холодний кусок феросплаву потрапляє в метал внаслідок значної швидкості теплопереносу в кусок, сталь у контакті з куском твердне і покриває кусок тонким шаром. З часом унаслідок прогріван­ня куска його температура підвищується й створюються умови для роз­плавлення шару сталі. Після того як поверхня феросплаву увійде в контакт з рідкою сталлю, починається розчинення феросплаву за ме­ханізмом, наведеним раніше. У рідині біля поверхні контакту вміст елемента феросплаву досягає концентрації насичення, якщо його роз­чинність обмежена, якщо не обмежена і внаслідок різниці концентрацій між поверхневою та в об’ємі рідкої сталі відбуваються масоперенос і розчинення елемента в сталі.