ТЕХНОЛОГИЯ ОГНЕУПОРОВ

СМАЧИВАНИЕ И РАСТЕКАНИЕ

Смачиваемость твердых огнеупоров расплавами характеризуется краевым углом, который определяется нз условия равновесия поверх­ностных сил на границе трех фаз (рнс. 11.15):

(11.77)

= cr12 + <т2 cos 0, откуда

Cos 0 = (a j — ctj2) lo2,

(11.78)

Где 0i — поверхностная энергия твердого тела; а2 — поверхностное иатяжение расплава; о12 — межфазная (свободная) поверхностная энергия между твердым телом н расплавом; cos 9 — мера смачнвання Уравнение (11.78) известно как уравнение Юнга (1804 г.). Прочность прилипания (сцепления) расплава к твердому телу оценивается работой адгезнн WA: г з з

WA = СГ2(1 +COS9).

Выражение (Ц.79) справедливо при РА<2<т3.

Смачивание твёрдого тела Жидкостью и связь Жидкости с твер­дым телом определяются силами двух типов, действующими между ними: 1) физическим взаимодействием; 2) химическими силами. Ос­новное различие между этими тнпамн сил в их величине. Физиче­ские связи (ван-дер-ваальсовы) составляют доли единиц джоуля на моль, а химические — десятки н сотни джоулей на моль. Связь огнеупоров с оксидными расплавами обеспечивается химическими

Силами.

Характерной особенностью химического смачнвання является сравнительно сильная зависимость степени смачнвання от темпера­туры. Часто такая зависимость характеризуется «порогом смачн - вання», т. е. наличием температу - ^

Ры, после достижения которой _ _______ ^

Краевой угол начинает резко снн - _ Т^4^_______

Жаться а работа адгезии возра - ■ стать. По ходу зависимости wa= = /(0 относят характер смачн-

Ваемостн к физическому типу нли Я^^ЯГ^^^ к химическому. В случае смачнва - в, фаз ння, определяемого химическим,

Взаимодействием, необходимо учи-

Тывать величины, характеризующие химическое сродство атомов из различных фаз, разницу химических потенциалов компонентов в фазах, константу равновесия реакций, свободную энергию образо­вания соединений и т. д.

Расплавы металлов, имеющие меньшее сродство к кислороду, чем металлы оксидов (огнеупоров), обычно слабо смачивают оксиды

(огнеупоры): 9>90°.

При большом различии в сродстве краевые углы мало зависят от природы оксида (огнеупора). Например, Fe при 1550° С имеет 9 «140° на MgO, Zr02, А1203. Когда сродство жидкого металла к кислороду приближается к сродству металла оксида к кислороду, тогда 9<90°. Например, Ni при имеет 9 = 58° на СаО.

Переход от отрицательного смачнвання cos 9о<0 к положитель­ному cos90>0 обусловлен тем, что при значительном сродстве ме­талла к кислороду жидкий металл, с одной стороны, растворяет кис­лород н металл Me' оксида, с другой, сам замещает ионы Me' в по­верхностном слое оксида, а повышение концентрации одинаковых частиц в контактном слое, как известно, снижает oi2 и по формуле Юнга, когда о12 меньше, чем оь то cos 9 меняет отрицательный знак на положительный. Следовательно, если в жидкий металл вводить компоненты, обладающие большим сродством к кислороду, напри­мер в сталь вводить Si, Сг, Мп, V, Ті, то смачивание нмн огнеупор­ных оксидов улучшается и тем сильнее, чем больше сродство добав­ки к кислороду и меньше к металлу оксида. Поэтому шлакн хорошо смачивают оксидные огнеупоры (9о«0).

Хорошую смачиваемость шлаками огнеупоров обусловливает растворимость огнеупоров в шлаках, так как в шлаках и в оксидах преобладает ионная связь.

Поскольку равновесие расплав — оксид иногда не достигается, то Для оценки смачиваемости имеет значение кинетика процесса — скорости растекания и смачнвання.

Скорость смачнвання Д9/Дт определяется изменением краевого Угла в зависимости от времени. Скорость растекания Дг/Дт—опре-

4* 51

Делением изменения радиуса основания капли в зависимости От вре­мени. Эти две характеристики не всегда симбатны. Сила растекания, или тянущее усилие, равио:

Да = а1 — а12 — <j2cos0, . (11.80)

Тянущее усилие, приложенное к периметру раздела трех фаз, оцени­вается на единицу длины периметра. При равновесии 8=0о, где в0 — равновесный угол смачивания, нет растекания, поэтому Дсг=0. Следовательно, при равновесии:

Oi — 012 — о2 cos 90 = 0 (Н.81)

Вычитая из формулы (11.81) выражение (11.80), получим:

До = ста (cos 90 — cos 9). (11.82)

.Из уравнения (11.80) следует, что Дсттах=2о2; Дсттт = 0.

Сила Дст вызывает перемещение периметра. Движение остальной массы жидкости к периметру определяется объемными силами, обу­словленными несколькими причинами: снижением центра тяжести растекающейся жидкости, инерцией и т. п. Когда доставка жидко­сти не успевает за перемещением периметра, то впереди растекаю­щейся капли появляется тонкая пленка (ореол), по которой движут­ся более массивные слои, образующие определенный угол контакта. Если же подвод жидкости к периметру смачивания успевает за его перемещением, то капля растекается по поверхности с постоянным углом. Кроме указанных сил, иа растекание влияет химическое взаи­модействие между расплавом и оксидом. В простейшем случае при отсутствии взаимного растворения фаз растекание описывается урав­нением

Г" = ап т. (11.83)

Коэффициент п принимает значения: п— 1 в начале смачивания; .«=2 в инерционном режиме, т. е. когда основное сопротивление движению оказывает инерция прилегающих слоев жидкости; п = 4 їв режиме вязкого течения; п — 8 при растекании капли под действи­ем своего веса по поверхности, смоченной этим же расплавом.

Значения коэффициента а: для инерционного режима

Д2 = 3,25 J^Aaa/р < (Н.84)

Для вязкого режима

А4 = 4Дот/лт]р; (II. 85)

Для свободного растекания

А8 = 4т3^/л3р3т, (11.86)

Где от— масса капли, г; а — радиус кривизны капли до соприкосно­вения с подкладкой, см.

Количественные расчеты по этим формулам обычно слабо согла­суются с опытом. Поэтому формулы представляют интерес для ка­чественного анализа процесса. Изучение смачивания и растекания производят с помощью киносъемки. С повышением температуры ско­рость смачивания заметно возрастает, а значения контактных углов убывают. В начальный момеит времени скорости растекания велики, л через 0,5—1 с они уменьшаются до нуля. Это позволило выделить два периода растекания. В первый период растеканйё тормозится вязким течением. Во второй период при взаимодействии контакти­рующих фаз одновременно происходят два процесса: 1) образуется переходный слой, способствующий уменьшению межфазиого натя­жения и росту тянущего усилия, и 2) изменяется вязкость расплава, она может и повышаться, и понижаться.