Кінетика кристалізації

Масопередача в деяких конкретних процесах

Кінетика гетерогенних процесів

Гетерогенними називаються реакції, які відбуваються між речовинами, що знаходяться в різних дотичних фазах. Такі реакції надзвичайно поширені в

природі і техніці.

Усі хімічні реакції, що відбуваються під час виробництва металів і сплавів, а також під час їх термічної і механічної обробки, є гетерогенними.

Можна навести багато прикладів гетерогенних реакцій, які мають значення в металургійному виробництві:

- горіння твердого і рідкого палива;

- відновлення твердих окислів газами чи вуглецем;

- розподіл речовин між рідкими фазами (метал – шлак, метал – штейн);

- процеси розчинення і виділення газів з металу і шлаку;

- процеси розчинення твердих тіл у рідинах (наприклад, футеровки сталеплавильних печей у шлаках);

- кристалізація рідин (наприклад, твердіння сталевих злитків);

- поліморфні перетворення у твердих металах і сплавах.

Відмінною рисою всіх гетерогенних процесів є їхня складність і багатостадійність. Звичайно гетерогенна реакція складається, щонайменше, із трьох стадій.

Рисунок 6.11 Три послідовні стадії гетерогенної реакції на прикладі взаємодії газу А з твердою речовиною В

1 – підхід молекул газу до поверхні розподілу; 2 – хімічна взаємодія; 3 – відведення продукту реакції від поверхні розподілу.

Перша стадія являє собою перенесення реагуючих речовин до поверхні

розподілу фаз (до реакційної зони).

Другою стадією є власно гетерогенна хімічна реакція (наприклад, окислювання фосфору, розчиненого в рідкій сталі, киснем що продувається через неї або відновлення оксидів металів воднем).

Нарешті, третя стадія полягає у відводі продуктів реакції з реакційної зони. Оскільки швидкості процесів у всіх стадіях пропорційні величині поверхні, то швидкість гетерогенних реакцій повинні залежати від відношення між величинами поверхні розподілу фаз і об’єму. Стадією, що визначає швидкість всього процесу (контролюючою стадією), є найбільш повільна. Процеси переносу реагуючих речовин, що здійснюються на першій і третій стадіях, називаються масопередачею.

У металургійному виробництві велику роль відіграють процеси, в яких беруть участь рідкі фази. Як приклад можуть бути наведені такі процеси: розчинення скрапу у рідкому чавуні; розчинення вапна чи руди в рідкому шлаку; розчинення і виділення газів з рідкої сталі; перехід компонентів з рідкого металу в шлак під час процесів рафінування.

Питання кінетики кристалізації мають для металургії велике практичне значення. Так, наприклад, якість сталевих злитків і виготовленої з них продукції в значній мірі визначається характером і швидкістю кристалізації рідкої сталі. Розглянемо докладніше процес кристалізації, характерною рисою якого, як і в ряді процесів, описаних у попередньому розділі, є утворення і ріст зародків нової фази.

При зниженні температури рідини нижче точки плавлення її мольна енергія Гіббса стає більше, ніж відповідна величина для твердої фази. Внаслідок цього повинна початися самодовільна кристалізація.

Кристалізація є окремим випадком процесів фазових перетворень. Загальна теорія таких процесів була вперше розроблена В. Гіббсом і потім розвинута М. Фольмером. У СРСР вона плідно розвивалася Я. І Френкелем. Згідно з цією теорією, у звичайних умовах зародки нової фази (краплі рідини в пересиченій парі, кристалик у рідини, бульбашки пари в рідині і т.п.) стають через велику питому поверхню стійкими тільки після досягнення ними певного критичного розміру. Поки зародок не досяг критичного розміру, його ріст супроводжується збільшенням енергії Гіббса. Такий процес можливий завдяки флуктуаціям. Збільшення вільної енергії обумовлене тим, що під час виникнення і росту зародка витрачається робота на створення поверхні розподілу між новою і старою фазами.

Дата добавления: 2014-01-07