Доменное пр-во
Электрометаллургия
Конвертерное пр-во
Разливка стали
Популярные материалы

Теория жидкости в металлургии, шлаки(2 продолжение)

Тепловое движение частиц в жидкости при температуре, близкой температуре плавления, также подобно движению в твердой фазе. Оно складывается из колебаний возле центров равновесия и относительно редких скачков из одного центра равновесия в другой. В случае несферических молекул к этому добавляется вращение и вращательные колебания частиц.

Средняя продолжительность оседлой жизни в положении подвижного равновесия в узле квазикристаллической решетки, т. е. длительность задержки между скачками, пропорциональна периоду колебаний и сильно зависит от температуры, причем уменьшается с ростом ее: радиуса

Значительное число совершающихся в жидкости скачков частиц с места на место и соответственно малая по сравнению с перемещением в кристаллах продолжительность оседлой жизни вызывают проявление основного внешне видимого свойства жидкостей — их текучести. Значительное повышение температуры жидкости над точкой плавления вызывает резкое уменьшение времени оседлой жизни частиц и приближение характера их движения к наблюдаемому в газе.

Наличие или отсутствие порядка в расположении частиц, учитывая при этом тепловое движение их в жидкости, следует рассматривать в зависимости от времени t, в течение которого протекает процесс или проводится наблюдение.

Вблизи температуры плавления значение Т значительно больше значения Т0. Поэтому в зависимости от времени следует различать структуры трех типов по степени разупорядоченности частиц:

  • Мгновенную структуру, для которой характерно отсутствие заметного упорядочения кристаллического типа для быстро протекающих процессов. Такой характер структуры высокой степени неупорядоченности обусловлен тем, что в данных условиях фиксируется не среднее положение атомов в центрах их колебаний, а мгновенные положения. Вместе с тем размах нерегулярных тепловых колебаний атомов в жидкости сравним с межатомными расстояниями.
  • Среднюю структуру ближнего окружения произвольно выбранного атома, характерную для случая, когда Т > t > Т0. Такая кратковременная квазикристаллическая структура небольших групп атомов наиболее близка к структуре твердых тел.
  • Среднюю структуру радиального ближнего порядка при t > Т. Именно эта структура, характерная для медленных и равновесных процессов, наблюдается на кривых экспериментально полученных радиальных функций распределения.

Таким образом, дырочная теория жидкого состояния удовлетворительно описывает известные экспериментальные данные о структуре и свойствах жидкости.

Очень близка к дырочной теории и развитая Г. Стюартом теория роев, или сиботаксисов, а также другие теории, допускающие наличие в жидкости квазикристаллов.

Согласно теории роев, или сиботаксисов, упорядоченное расположение частиц в жидкости не ограничивается лишь непосредственными соседями. Порядок, близкий к порядку, свойственному кристаллам, сохраняется в пределах отдельных групп частиц (роев или сиботаксисов), из которых состоит жидкость. Сиботаксисы непрерывно появляются и исчезают. При этом атомы, принадлежавшие к одной группе частиц, переходят к другой вновь возникающей группе. В местах соединений сиботаксисов наблюдается разупорядочение их поверхностных слоев. Поэтому в каждый данный момент времени в центре сиботаксиса расположение атомов близко к их расположению в кристаллах, а в направлении к поверхности степень порядка убывает.

Теория роев, или сиботаксисов, по существу дополняет дырочную теорию. Она согласуется с рядом экспериментальных данных и позволяет дать им удовлетворительное объяснение. Это, в частности, относится к описанию строения сплавов, представляющих особый интерес для черной металлургии.

В жидких сплавах энергия взаимодействия между разными частицами может существенно отличаться. В зависимости от соотношения энергий межчастичного взаимодействия возможно образование сплавов различного строения.

Если энергия взаимодействия между одноименными частицами заметно больше, чем между разноименными, то образуется эвтектика, для которой характерно наличие отдельных микрообластей с преимущественной концентрацией в каждой из них одного из компонентов. Подобная микронеоднородность с образованием сиботаксисов, обогащенных одним из компонентов, возникает еще в жидком сплаве при небольшом перегреве над температурой кристаллизации.

Наличие микронеоднородности жидких сплавов, подобной наблюдаемой в твердом состоянии, подтверждается опытами.

Можно привести, например, опыты по центрифугированию жидкого чугуна, проведенные А. А. Вертманом и А. М. Самариным при числе оборотов центрифуги 1900 в одну минуту. В результате действия, оказываемого создавшимся при этом силовым полем, превышавшего в 320 раз силу земного притяжения, происходило разделение чугуна, сопровождавшееся обогащением углеродом участков, расположенных у центра вращения. Различие в содержании углерода составляло в среднем 1,3%.

На основании этих экспериментальных данных и расчетов был сделан вывод, что в жидком чугуне присутствуют колонии углерода (сиботаксисы), содержащие до 107 атомов углерода и имеющие размеры 1—10 нм (10—100 А).

Аналогичные результаты были получены другими исследователями на жидких сплавах цветных металлов. Они были также подтверждены рентгеноструктурным анализом некоторых сплавов эвтектического состава.

В металлических сплавах, в которых энергия взаимодействия между разноименными частицами больше, чем между одноименными, образуются интерметаллические соединения. При небольших перегревах над температурой плавления в таких сплавах в некоторой степени сохраняется атомная упорядоченность и имеются атомные группировки, соответствующие определенным химическим соединениям. Их наличие подтверждается результатами определения некоторых свойств ряда жидких сплавов (точки перегиба на кривых вязкости, электропроводности, поверхностного натяжения), а также рентгеноструктурными исследованиями.

Металлические расплавы, в которых энергия взаимодействия между одноименными и разноименными частицами одинакова, образуют идеальные растворы. Идеальных растворов металлов не бывает но близки к ним расплавы железа с расположенными по соседству с ним в системе Д. И. Менделеева марганцем, никелем, Хромом. Эти растворы при обычных металлургических расчетах могут быть приняты за идеальные.

Для идеального бинарного раствора молярная свободная энергия его образования (изобарно-изотермический потенциал Гиббса) равна

  • G° = RT {СА In СА + Св InСв),

где С — концентрация соответствующего компонента (Л или В) в растворе.

Для одного из компонентов раствора величина G° определяется уравнением

  • G° - RT InСА.

В идеальных растворах имеет место полная атомарная смешиваемость, т. е. статистическое распределение всех атомов.

Источник [4] → список литературы.


Вернуться в начало раздела: Физико-химические основы плавки стали
Вернуться на главную: Черная металлургия