Болат қорыту үрдісінің кинетикасы

Химиялық құрамы белгілі болат алу үшін физика-химиялық үрдістің термодинамикалық сипаттамаларымен бірге оның кинетикалық сипаттамалары керек. Химиялық реакциялар жылдамдықтарының өзгеру заңдылықтарын білу өте маңызды.

Болат қорыту үрдісінің реакциялары негізінен араласымды сұйық ортада жоғары температуралығымен (балқыманы шөмішке ағызардағы температурасы 1600-1650°), гетерогендігімен (реагенттер түрлі фазадан) және бір мезгілде өтуімен ерекшеленеді.

Болат қорыту үрдісінде орын алатын реакцияларды үш кезеңнен тұрады деуге болады [4]:

1) реакциялық зонаға реагенттерді жеткізу;

2) химиялық реакцияның өтуі;

3) реакциялық зонадан өнімдерді әкету.

Химиялық реакцияның өтуі негізінен жылдам, сондықтан үрдіс жылдамдығы не реагенттерді жеткізу жылдамдығымен, не өнімдерді әкету жылдамдығымен анықталады.

Реакциялық зонаға реагенттерді жеткізуді қарастырғанда, элементтің металдағы немесе қождағы диффузия жылдамдығын, элементтің фаза аралық шекарадан өтуін және балқыманың араласуына әсер ететін факторларды ескерген жөн.

Химиялық реакцияның жылдамдығы. Гомогенді реакцияның

m[A]+n[B]=[D] (1.24)

жылдамдығын әсер етуші массалар заңы бойынша мына теңдеумен анықтауға болады [5]

υ=K[A]^m·[B]ⁿ (1.25)

мұндағы

[А], [В] – компоненттердің концентрациясы (активтілігі);

m, n – стехиометрикалық коэффициенттер немесе компоненттер-дің мольдік саны;

k – компоненттер концентрациясы (активтілігі) бірге тең болғандағы реакция жылдамдығының константасы.

Нағыз жылдамдық константасы реагенттер концентрациясына тәуелді емес, ол заттың табиғатын, үрдіс температурасын және т.б. сыртқы факторлар әсерін ескеретін реакцияның кинетикалық сипаттамасы болып табылады.

Жылдамдық константасының температураға тәуелділігі Аррениус теңдеуі арқылы анықталады

k = k₀e^–E/RT (1.26)

мұндағы

k₀ – экспоненциал алдындағы көбейткіш;

E – реакцияны активтендіру энергиясы.

Реакцияны активтендіру энергиясы зат бөлшектері (ион, атом, молекула) энергиясының орташа деңгейінен жоғары, үрдістің орын алуы үшін керекті қосымша энергия.

Жалпы жағдайда болат қорыту реакциялары сияқты көп сатылы үрдістің жылдамдығы, әр сатының жылдамдығымен анықталады

υ_Σ =1/(1/υ₁+1/υ₂+1/υ₃+…) (1.27)

мұндағы

υ_å – үрдістің жалпы жылдамдығы;

υ₁, υ₂, υ₃ және т.б. – жеке сатылардың жылдамдығы.

Айталық бір сатының жылдамдығы басқалардан өте төмен. Онда үрдістің жылдамдығы, осы ең ақырын жүретін сатының жылдамдығымен анықталады.

Болат қорыту реакцияларының жылдамдығы диффузия жылдамдығымен де анықталады, әсіресе болат қорыту агрегатында балқыма аз қозғалмалы болғанда. Фика заңы бойынша заттың диффузиялық ағыны концентрация градиентіне тура пропорционал

Q = –DΔC(1.28)

мұндағы

Q – заттың диффузиялық ағыны;

D – диффузия коэффициенті;

∆С – зат концентрациясының градиенті.

Сұйықтың диффузиялық коэффициенті температураға, сұйық тұтқырлығына және диффузиядағы бөлшектің өлшеміне байланысты болып, Стокс-Эйнштейн теңдеуі бойынша анықталады

D=RT/N·1/6πηr=kT/6πηr (1.29)

мұндағы

N – Авогадро саны;

k – Больцман тұрақтысы;

η – сұйықтың динамикалық тұтқырлығы;

r – диффузиядағы бөлшек радиусы.

Көпшілік жағдайда болат қорыту астауы фазалық бөліну беті әжептәуір үлкен және жаңа фазаның түзілу үрдісі жеңілдеу келетін жүйе болып табылады. Металл-шеген, металл-газ көпіршігі, металл-металл емес кірінді және т.б. бөліну беті жаңа фазаның түзілуін жеделдетеді. Балқыманы оттегімен үрлеу орын алғанда, үрдіс жылдамдығы негізінен массажылжым арқылы анықталады.

Қазіргі қолда бар реакция жылдамдығы константасының өзгеру заңдылықтары мен диффузия коэффициенті туралы деректер жетімсіз.

Болат қорытудың теориялық қағидалары мен өндірістік деректер элементтердің тотығу реакциясының кинетикасында мынадай заңдылықты тұжырымдауға негіз болады: элементтердің жалпы тотығу жылдамдығы оттегінің балқымаға ену жылдамдығына тура пропорционал

υ_å =k·i_O2(1.30)

мұндағы

k – пропорционалдық коэффиценті;

i_O2 – оттегінің меншікті қарқындылығы.

Қорыта айтқанда, бірнеше сатыдан тұратын күрделі гетерогенді болат алу үрдісінің жылдамдығы, химиялық реакцияның жылдамдығымен емес, үрдістің ең ақырын жүретін сатысының жылдамдылығымен анықталады. Демек реакциялардың жылдамдығы реакциялық зонаға реагенттерді жеткізу мен одан өнімді әкетудің диффузиялық үрдістерімен анықталады.

Реагенттерді реакциялық зонаға жеткізу және реакция өнімдерін әкетуде, фазалар жанасу бетінің үлкен, фазалар тұтқырлығының және фаза аралық кедергінің аз болуының маңызы зор.

Егер фазалар жақсы араласатын болса, онда орын алатын реакциялар турбуленттік диффузия әсерінен үдейтін болады. Конвертерлік үрдісте турбуленттік диффузия коэффициенті жоғары. Оттегімен үрлеу барысында металл мен қож көптеген тамшыларға бөлініп, фазалардың жанасу беті ұлғайып, соның әсерінен реакциялардың жылдамдығы артып, СО көпіршіктерінің әсерінен газметаллқож эмульсиясы түзіліп, беттік құбылыстардың рөлі артады.