Коновчук Е. А., Димніч А. Х.

Фізико-металургійний факультет, Донецький національний технічний університет, Україна, Донецьк, 83000, вул. Артема, 58

Розглянуто вплив температури на параметри, що визначають массоперенос у многостадийном процесі переносу кисню в системі шлак-метал. Визначено стадію, що лімітує реакцію зневуглецювання металу.

Визначення найбільш повільних стадій складних хімічних процесів є важливим питанням у хімічній кінетиці. Виявлення вузьких місць і розробка методів по їхньому усуненню дозволяють інтенсифікувати швидкість протікання всього процесу.

Зневуглецювання металу відноситься до складних многостадийным процесам, що визначаються швидкістю протікання як кінетичних, так і дифузійних ланок у трифазній системі метал-шлак-газ. Звичайно для виявлення ланки, що лімітує, досліджують швидкість протікання процесу при різній температурі з наступним визначенням кажучоїся енергії активації по формулі:

Якщо хімічний процес визначається швидкістю протікання хімічною реакцією (кінетичний режим), то енергія активації приймає великі значення (Е>1000 кДж/(кг моль))[1].

Лабораторні дослідження з оцінки впливу температури на процес зневуглецювання металу, проведені з використанням різних методик [2,3], показали, що енергія активації його знаходиться в межах 135-160 кДж/(кг моль).

Ці значення Е_каж надають право затверджувати, що процес зневуглецювання металу не залежить від кінетичних факторів, а визначається швидкість протікання дифузійних ланок.

Аналіз кінетичних криві окислювання вуглецю в металі показує, що його зміст ([С]>0,30%) не впливає на швидкість протікання всього процесу зневуглецювання.

У зв'язку з цим можна припустити, що окислювання вуглецю в металі визначається умовами надходження кисню в метал.

В даний час немає єдиної точки зору по питанню оцінки найбільш повільної ланки складного процесу надходження кисню в метал. Більшість учених вважають, що найбільш повільними ланками є, перехід кисню через границі розділу газ-шлак і шлак-метал, а також грузла шлакова фаза, де массообмінні процеси ускладнені.

М. Я. Меджибожський вважає, що і металева фаза за певних умов (низьких перегрівах металу) оказує значний дифузійний опір массопередачі.

Відсутність єдиної точки зору по цьому питанню зв'язане з тим, що досі не знайдено надійні критерії, що дозволяють кількісно оцінити вплив тієї чи іншої ланки на протікання процесу в цілому.

У доповіді зроблена спроба, використовуючи основні положення дифузійної кінетики, дати кількісну оцінку впливу окремих стадій на загальний процес переносу кисню в системі шлак-метал.

З використанням основних положень дифузійної кінетики опишемо механізм передачі кисню в системі шлак-метал.

Процес переносу кисню зі шлаку в метал можна розбити на три стадії:

• турбулентна дифузія оксидів заліза в шлаку до поверхні роздягнула фаз;
• перехід оксидів заліза через границю шлак-метал (розчинення кисню в металі);
• турбулентна дифузія кисню в металі.

Математично першу і третю стадії цього процесу можна описати наступними рівняннями:

Якщо виходити з припущення, що сама границя не оказує дифузійного опору переходу кисню, рівняння (2) і (3) необхідно доповнити ще одним, а саме, рівнянням фазового переходу;

Рішаючи разом рівняння (2-4) знайдемо дифузійний потік кисню зі шлаку в метал.

Коефіцієнт пропорційності k називається коефіцієнтом массопередачі кисню зі шлаку в метал. Його можна записати через дифузійні опори массоотдачі жужільної і металевої фаз:

Можливі два крайніх випадки:

2. массоотдача кисню в металі визначає передачу кисню в системі шлак-метал:

Для визначення кажучоїся енергії активації дифузійних процесів необхідно оцінити вплив температури на параметри, що ці процеси визначають, тобто необхідно дати кількісну оцінку впливу температури на величину коефіцієнта массопередачі.

Коефіцієнт массопередачі визначається багатьма факторами. До них варто віднести фізичні властивості середовища (коефіцієнти дифузії і в'язкості, щільність, міжфазний натяг і ін.), гідродинамічні параметри (швидкість), константи фазових переходів, геометричні розміри і форма простору, де протікають ці процеси та ін.

Для аналізу залишимо параметри, що залежать від температури, а саме, коефіцієнти молекулярної дифузії і в'язкості і константу фазового переходу (Z).

Залежність коефіцієнтів молекулярної дифузії і кінематичної в'язкості від температури можна представити наступними рівняннями:

Де Е∂ і Ев - енергія активації дифузії і в'язкого течії відповідно.

Коефіцієнт фазового переходу (Z) визначається таким співвідношенням:

Щоб оцінити сумарний вплив температури на коефіцієнт массоотдачі у фазах необхідно мати аналітичну залежність цієї функції від параметрів, які її визначають.

Існує кілька фізичних моделей переносу речовин у рідких фазах: модель відновлення поверхні (модель проніцания Хігбі), модель прикордонного дифузійного шару, плівкова модель та ін.

Для випадків, коли процес переносу кисню лімітується дифузійним опором шлакової фази виходячи з моделі Хігбі можна записати:

Виразивши коефіцієнт массопередачі через кажучусь енергію активації в такий спосіб:

Тоді при використанні виражень (13) і (14) одержимо:

Таким чином, якщо процес передачі кисню лімітується массопереносом у шлаковій фазі, т кажучуся енергія активації всього процесу буде дорівнювати половині енергії активації дифузії оксидів заліза в шлаку.

Якщо зробити аналогічні математичні операції з рівнянням (9) одержимо вираз кажучьоїся енергії активації для випадку, коли основний дифузійний опір зосереджений у металевій фазі:

Відповідно до моделі дифузійного прикордонного шару для ламінарного режиму руху середовища коефіцієнт массоотдачі пропорційний коефіцієнту дифузії в ступені 0.5, що тотожно моделі відновлення поверхні Хигби. У цьому випадку визначення кажучьоїся енергії активації виконується по формулах (15) і (16).

Для турбулентного режиму руху середовища коефіцієнт массоотдачи пропорційний добутку

На підставі великої кількості теоретичних і експериментальних робіт можна прийняти n=0,67, m=0,33.

Зробивши аналогічні математичні операції можна визначити значення кажучьоїся енергії активації по моделі дифузійного прикордонного шару для двох граничних випадків:

1. коли процес массопередачі визначається опором шлакової фази:

2. коли процес массопередачі визначається опором металу:

На підставі експериментальних даних можна прийняти наступні значення параметрів вхідних у рівняння (15) – (19):

Розрахунки по моделі Хігбі і моделі дифузійного шару для ламінарного режиму руху з використанням формул (15) і (16) дають наступні результати:

Зіставляючи теоретичні розрахунки енергії активації з експериментальними даними можна укласти наступне. Процес массопередачі кисню зі шлаку в метал лімітується дифузійними процесами в металевій фазі.

Використовуючи температурні залежності параметрів, що визначають дифузійні процеси в системі шлак-метал отримані вирази дозволяющі кількісно оцінити протікання окремих дифузійних стадій.

Установлено, що основний дифузійний опір переходу кисню зі шлаку в метал зосереджено в металевій фазі.

Франк-Каменецкий Д. А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. –М.:Наука, 1987. – 502 с.

Дымнич А. Х., Семенов Н. П., Герчеков Д. С. и др. Кинетика окисления углерода из капель сплава железа, находящихся в окислительном шлаке// Изв. АН СССР. Сер. Металлы. – 1977., №2. – 36-42 с.

Никитин Ю. П., Есин О. А., Хлынов В. В. и др. исследование кинетики выгорания углерода электрохимическими методами// Изв. вузов. Сер. Черная металлургия. – 1962, №5. – 1962, – 16-24 с.