7. Фізико-хімічні властивості газів

У сталеплавильних процесах використовуються та виділяються га­зи з різними хімічними властивостями: окислювальні: кисень, повіт­ря, діоксид вуглецю, водяна пара, відновні: монооксид вуглецю, во­день, метан, нейтральні: аргон, умовно нейтральні: азот та ін.

Гази є ідеальними розчинами, в яких об’ємна концентрація, що визначається парціальним тиском, відіграв роль активності.

Гази можуть дисоціювати при досить високій температурі. Наприклад, діоксид вуглецю дисоціює за рівнянням

Під час горіння пальних газів розвиваються особливо високі тем­ператури (до 3000°C і вище), внаслідок чого крім дисоціації на ато­ми й нові молекули створюється низькотемпературна плазма, коли дея­кі молекули втрачають або приєднують електрони, утворюючи радикали типу , та ін. Унаслідок цього лише частина енергії, що звільняється при горінні, йде на підвищення температури продук­тів горіння, а решта – на створення радикалів, тобто часточок з під­вищеним запасом енергії. Після того як продукти горіння опиняються в місцях із нижчою температурою, відбувається рекомбінація радика­лів, які втрачають раніше здобуті або приєднують раніше втрачені електрони і знову перетворюються на звичайні молекули й атоми. При цьому надлишкова енергія, що містилась у радикалах, знову відокрем­люється і витрачається на нагрівання газів. Якщо при цьому газовий потік обтікає холодну поверхню, то на ній рекомбінуються радикали, що призводить до збільшення коефіцієнта використання енергії на на­грівання. Це відбувається шляхом спрямування полум’я безпосередньо на поверхню, що нагрівається.

Кожна газова фаза має певний окислювальний потенціал. Наприк­лад, для реакції (1.30) такий потенціал визначається з константи рівноваги реакції

і залежить від температури, яка впливає на значення константи, та складу газової фази.

Для чистого кисню , для повітря: , а для інших окислювальних газів та їх суміші визначається з відповідних реакцій за участю цих газів. Деякі реакції дисоціації набувають особливого значення. При горінні вуглеводнів унаслідок дисоціації утворюється твердий вуглець у вигляді сажі. Наприклад, (1.32)

Унаслідок того, що ступінь чорноти вуглецю майже дорівнює оди­ниці, а часточки сажі мають мікроскопічні розміри і велику площу по­верхні, загальний ступінь чорноти полум’я значно збільшується по­рівняно з випадком відсутності вуглецю, що сприяє теплообміну випро­мінюванням.

За нормальних умов густина газів дорівнює порядку , а з підвищенням температури до відповідних у сталеплавильних процесах – порядку .

8. Поверхневі явища в сталеплавильних системах

Питома поверхнева енергія сталей , для шлаку , міжфазна питома енергія на межі металу і шлаку залежно від вмісту останнього. Найістотніше на енергію впливає : з підвищенням вмісту ця енергія знижується.

Якщо в рідкій фазі є компонент, здатний знижувати питому по­верхневу енергію, то він розмішується в поверхневому шарі фази з концентрацією, що перевищує концентрацію в об’ємі фази. Таке явище називається адсорбцією. Згідно з рівнянням Гіббса поверхнева концен­трація

де – активність і-го компонента.

Із підвищенням поверхневої концентрації змінюється хід поверх­невих реакцій. Поверхнева концентрація збільшується тоді, коли масо-перенос поверхнево-активного компоненту з об’єму фази відбувається з більшою швидкістю, ніж витрати цього компоненту за хімічною реак­цією. У цьому разі в розрахунках швидкості поверхневої хімічної реак­ції потрібно використовувати не об"ємну, а поверхневу активність.

До поверхнево-активних елементів, розчинних у залізі, насам­перед належать кисень і сірка. Перший завдяки поверхневій активнос­ті впливає на розчинення та виділення зі сталі азоту, утруднюючи обидва ці процеси. Другий елемент знижує швидкість окислювання вуг­лецю з металу киснем газової фази, оскільки займає поверхню контак­ту, потрібну для адсорбції атомів кисню за реакцією (1.28). До силь­них поверхнево активних компонентів шлаку в контакті з металом нале­жить завдяки реакції (1.29) обміну з металом киснем. У кон­такті з газовою фазою таких компонентів у шлаку, мабуть, немає.

Метал може змочувати футеровку різною мірою залежно від віку останньої. Крайовий кут змочування нової футеровки досягає 90°, а в процесі її роботи знижується до 30...40°. З часом досить важко відокремити метал від футеровки, наприклад, при випуску плавки зі сталеплавильного агрегату.

Крайовий кут змочування футеровки шлаком менший, ніж металом внаслідок спорідненості цих фаз, оскільки кожна з них є сумішшю оксидів. Цей кут може зменшуватися майже до нуля, що утруднює відо­кремлення шлаку від футеровки. Крім того, унаслідок капілярності збільшується глибина h , на яку шлак може затікати до капілярів футеровки, то визначається рівнянням:

де: – густина шлаку; – прискорення вільного падіння; – радіус капіляра.

Завдяки капілярності існує так званий робочий шар футеровки, просякнутий шлаком, що впливає на певні властивості цього шару; знижує його вогнетривкість і примушує брати участь в окислювальних процесах у металі через наявність у шлаці

Затікання шлаку до капілярної пори залежить не лише від по­верхневих властивостей фаз, а й від розподілу температури вогнетри­вів уздовж пори. Звичайно максимальна температура спостерігається на внутрішній поверхні вогнетривів, а на відстані від останньої вона зменшується. Відповідно шлак або метал, що затікають до пори, у зоні вогнетриву з низькою температурою, охолоджуються. Якщо їх температура плавлення стає вищою за температуру вогнетривів, вони тверднуть. При цьому затікання припиняється, навіть коли можливості затікання за рівнянням (1.34) ще не використані.

Якщо в рідині спливає газовий об’єм, то на межі з ним рідина має певну питому поверхневу енергію . За наявності в рідині час­точок, що мають у контакті з рідиною міжфазну питому енергію , а з газовою фазою – часточки можуть прикріплюватись до газового об’єму, якщо дотримується співвідношення

бо це буде супроводжуватись зниженням загальної кількості енергії системи.

На цьому основане видалення з металу неметалевих включень під час барботажу через сталеплавильну ванну газів.

Часточки, розміщені в рідині, можуть коалесціювати, якщо вони рідкі, або коагулювати, якщо вони тверді, за умови, що поверхнева енергія на межі між часточками буде меншою за суму поверхневих енергій часточок на межі з рідиною:

На цій умові основане укрупнення неметалевих включень у мета­лі, що збільшує швидкість їх спливання і відокремлення зі сталі. Укрупнення прискорюється з підвищенням частоти стикання часточок, що відбувається, наприклад, під час барботажу газів через метал.

Коли газові об’єми спливають у рідині, створюється піна, що може бути динамічною або стійкою. Динамічна піна існує лише під час барботажу; з його припиненням швидко зникає. Навпаки, стійка піна Існує після цього ще тривалий час. Стійкість піни зростає зі змен­шенням питомої поверхневої енергії рідини і в певному діапазоні під­вищення її в’язкості. Перше зменшує втрати енергії на створення пі­ни, друге зменшує швидкість витікання піни з між бульбових проміжків, що зменшує швидкість руйнування створеної піни. Динамічні піни від­різняються великою товщиною цих проміжків і тому швидко зникають після припинення барботажу. Навпаки, у стійких пінах між бульбові проміжки дуже тонкі та майже плоскі, а газові об’єми мають багато­гранну форму.

Спінювання збільшується за наявності в рідині поверхнево-ак­тивних речовин (пар) завдяки тому, що внаслідок адсорбції останні знижують питому поверхневу енергію.

У сталеплавильному виробництві метал найчастіше спінюється при збільшенні швидкості реакції окислювання вуглецю, що відбуваєть­ся з виділенням газу. Це особливо помітно при кипінні сталі у вилив­ниці, коли висота металу у виливниці може збільшуватись на 10-20%.

Набагато сильніше спінюється сталеплавильний шлак, особливо коли його в’язкість досягає найсприятливіших для спінювання величин насамперед внаслідок виділення в шлаці твердих часточок при переси­ченні деякими компонентами. Ці часточки, розміщуючись у між бульбових проміжках, утруднюють витікання з них рідини, що підвищує стійкість піни.

Найчастіше гетерогенізація силікатного основного шлаку відбу­вається при утворенні в процесі шлакоутворення двокальцієвого силі­кату , а фосфатного – при утворенні три кальцієвого фосфату . У кислих шлаках гетерогенізація відбувається завдяки часточкам кремнезему . Внаслідок спінювання сталеплавильних шлаків їх об’єм може збільшуватись у 30-40 разів, що потребує конструювання внутрішнього об’єму сталеплавильних агрега­тів з урахуванням цього і тому значно більшим, ніж за відсутності спінювання, щоб запобігти витіканню спінених металу і шлаку з агре­гатів. Проте в окремих випадках витікання спінених фаз відбувається й має вибуховий характер, коли фрагменти піни металу та шлаку вики­даються з агрегату на різну, у тому числі велику відстань – до десятків метрів. Такі ускладнення сталеплавильного процесу називають викидами, вони загрожують здоров"» і життю персоналу, що обслуговує агрегати, призводять до втрат металу, забруднюють робочі площі та навколишнє середовище.