7.2. Характеристика процессов кипения и испарения

Плавление металлов всегда сопровождается некоторым испарением, которое называют в литейно-металлургическом производстве угаром. Испарение сопровождается расходом энергии в виде тепла, необходимого для разрыва межатомных связей и совершения внешней работы по увеличению объема при фазовом переходе жидкость-пар. Количество тепла, необходимое для испарения 1 кг расплава, называют удельной скрытой теплотой испарения ∆H_п, которая связана с молярной теплотой ∆L_п соотношением

(7.6)

Испарение из расплава происходит до тех пор, пока давление его паров над расплавом не достигнет давления насыщенного пара. При этом устанавливается термодинамическое равновесие между жидким металлом и его парами. Скорость испарения определяется давлением его собственных паров, которое зависит от свойств металла, его температуры и внешнего давления над испаряющимся металлом. При этом не существует прямой зависимости между температурами плавления (T_пл) и испарения (T_и); об этом свидетельствуют данные, приведенные в табл.7.2

Таблица 7.2

Температуры плавления и испарения некоторых металлов

Металл	Температура в градусах Цельсия
	плавления	Испарения
Алюминий (Al)	660	2500
Железо (Fe)	1539	3200
Медь (Cu)	1083	2500
Марганец (Mn)	1240	2100
Олово (Sn)	232	260
Цинк (Zn)	419	905

Зависимость ∆H_и от давления и температуры выражается уравнения Клаузиуса

, (7.7)

где V_п и V_ж – молярные объемы металла в состоянии пара и жидкости, соответственно.

Учитывая, что V_п V_ж и пары металла подобны идеальному газу, для которого справедливо равенство

,

можно упростить уравнение (7.7)

или

После интегрирования, перевода натуральных логарифмов в десятичные и учитывая, что газовая постоянная R=8,31 , получим выражение

(7.8)

Обозначим и получим известное уравнение Августа

где A и B – термодинамические постоянные для определенного металла.

При проведении плавки металла или сплава важно знать давление паров при T_пл; перегрев металла обычно не является значительным. Из всех металлов периодической таблицы Д.И.Менделеева можно выделить группу легкоиспаряющихся – цинк, магний, кальций, марганец, хром, - давление паров которых при T_пл составляет 0,1 мм рт.ст (13,3 Па). Чтобы уменьшить скорость испарения металла его поверхность покрывают шлаком или флюсом. Плавку в закрытых плавильных установках проводят в атмосфере инертных газов при постоянном их давлении.

При проведении плавки в вакуумных установках (P~10^-3-10^-6мм.рт.ст. необходимо учитывать возрастающее испарение компонентов из жидкого металла .Особенно активно испаряются легкоиспаряющиеся элементы и хром, который испаряется даже из твердого состояния. Поэтому плавку в таких установках производят с участием инертных газов.

Массу испарившегося металла из расплава (M) за время (τ) с поверхности (S) можно определить по уравнению Ленгмюра:

для чистых металлов и испарении одиночных атомов:

(7.9)

для чистых металлов и испарении комплекса атомов:

(7.10)

для сплавов и испарении элемента с атомной долей NА :

, (7.11)

где n – число атомов в испаряющемся комплексе;

γ – коэффициент активности; для совершенных растворов γ=1;

P – давление пара данного металла над свободной поверхностью.

Парциальное давление металла (A) равно P_A= γ p N_{A ,}

скорость его испарения определяется как ; вследствие изменения N_A в процессе испарения скорость также меняется.

Если из расплава одновременно испаряются несколько металлов, то давление паров над расплавом будет равно сумме парциальных давлений металлов, определяющих состав сплава. При этом согласно закону Дальтона суммарное давление будет определяться уравнением:

P_Σ = P_A + P_B +…P_i (7.12)

Нагрев жидкого металла до температуры, при которой давление собственных паров становится равным атмосферному (760 мм. рт.ст), сопровождается кипением металла. Если давление насыщенных паров металла и атмосферное становятся одинаковыми, то происходит кипение металла во всем объеме. Этот способ применяют для дегазации сталей; при этом кипящая сталь переходит в спокойную.