научная статья по теме ОЧИСТКА В ГАЗАХ РАСПЛАВОВ ЖЕЛЕЗА ОТ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА Физика

Текст научной статьи на тему «ОЧИСТКА В ГАЗАХ РАСПЛАВОВ ЖЕЛЕЗА ОТ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА»

РАСПЛАВЫ

4 • 2014

УДК 669.179:537.29

© 2014 г. А. В. Кайбичев, И. А. Кайбичев1

ОЧИСТКА В ГАЗАХ РАСПЛАВОВ ЖЕЛЕЗА ОТ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Рассматриваются возможности очистки расплавов железа от поверхностно-активных элементов по межэлектродным переносам их ионов в газах. Они рассчитаны по приведенным подвижностям ионов и скоростям электронов. Учтено влияние давления, температуры, напряженности электрического поля и атомной массы элементов. Результаты расчета переноса элементов в гелии сопоставлены с экспериментальными. Объяснено их согласие и различие. Обоснован перенос многоатомных ионов.

Ключевые слова: расплав, атомная масса, инертные газы, водород, азот, кислород, фосфор, сера, ион, электрическое поле.

Воздействие электрического поля постоянного тока может быть одним из путей очистки металлических расплавов в газах от поверхностно-активных элементов. Очистка протекает поэтапно. Первоначально примеси удаляются с поверхности металлического расплава, затем переносятся в межэлектродном газовом пространстве с последующим осаждением на противоположно заряженном электроде. Каждый предыдущий этап определяет последующий. Удаление примесей с поверхности расплава железа оценено нами в вакууме по напряженности испаряющих полей [1, 2]. Напряженности испаряющих полей у атомов и ионов водорода, кислорода, фосфора, серы были ниже, чем у железа. Это обеспечивало их удаление из расплава железа. У азота напряженность испаряющего поля была выше, чем у железа. Избавление от азота возможно совместно с железом в виде нитридов и самостоятельно при сосредоточении в поверхностном слое [1, 2]. Поверхностный слой подвергается первоочередному воздействию электрического поля. Оно в разы больше напряженности, приходящейся на экранированное азотом железо. Сосредоточение элементов в поверхностном слое обеспечивает их первоочередное удаление даже при более высоких напряженностях испаряющих полей, чем у металлов. Удаление поверхностно-активных элементов с поверхности металлов не должно лимитировать очистку. Препятствовать может отсутствие межэлектродного переноса элементов в газах. Его рассчитали по приведенным подвижностям ионов и скоростям электронов. По межэлектродным переносам ионов определили очередность удаления элементов из расплава железа. Результаты расчета переноса элементов в гелии сравнили с экспериментальными. Сравнение убедило в надежности предложенного метода расчета.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Очистку расплавов железа в газах от поверхностно-активных элементов оценивали по доле их ионов в электричестве, прошедшим между расплавом и молибденовым электродом. Перенос однозарядных ионов соответствовал переносу элементов. Он рассчитывался в газе индивидуально. Предположение о сохранении их индивидуальных значений в сообществе положительных ионов разных элементов позволило уста-

1Kaibitchev@mail.гu.

Таблица 1

Приведенные подвижности (м2/104 В • с ) ионов в газах

Ион в газах Газ-наполнитель

Н2 N2 02 Не № Аг Кг Хе

Бе+ 13.6 2.29 23.7 7.15 2.50 1.72 1.23

Н+ 16.0 4.62 3.24 31.8 13.7 5.75 4.50 3.40

№ 10.06 2.97 2.04 20 8.9 3.60 2.82 2.14

о+ 11.07 3.27 2.24 22 9.80 4.00 3.11 2.35

Р+ 12.29 2.53 21.6 7.98 2.74 2.03 1.53

8+ 12.19 2.48 21.4 7.49 2.70 1.84 1.42

Не+ 10.4 17.2

№+ 24 4.1

Аг+ 19.5 1.535

Кг+ 20.2 2.3 0.95

Хе+ 18 2.1 0.60

новить последовательность переноса и массу удаляемых из расплава поверхностно-активных элементов.

Долю ионов Х+ в переносе электричества рассчитывали для конкретных условий по отношению скорости иона Ж+(Е^, Т, Р) к сумме его скорости и скорости электрона Ж ~(Е^)

X+(Е^ ,Т, Р) =

Ж, Т, Р)

Ж, Т, Р) + Ж (Е^)

(1)

Здесь Е — напряженность электрического поля (В/м), N — концентрация атомов гелия при нормальных условиях (м-3), Т — температура (К), Р — давление газа (Н/м2).

Скорость электронов Ж- в газах слабо зависела от температуры Ти давления Р [3]. Для оценочных расчетов достаточно учесть влияние E/N. Экспериментальные скорости электронов в газах даны при различных значениях Е/Ж Скорость ионов Ж + определена по их приведенным подвижностям К0 при объеме моля Ум в нормальных условиях [4, 5]:

Ж+(Е/Ж, Т, Р) = 371 • К0 •Е • ^ •Т.

0 N Ум Р

(2)

Экспериментальные и обоснованные приведенные подвижности К0 ионов Бе+, Н+, 0+, Р+ и 8+ индивидуально присутствующих в газах-наполнителях Не, №, Аг, Кг, Хе, Н2 и N [5 , 6] приведены в табл. 1. Жирным шрифтом выделены экспериментальные значения К0, остальные обоснованы по экспериментальным.

Доля ионов Х+ в переносе электричества определяла очередность удаления элемента из металлического расплава. Отношение разности 1 — Х+ к Х+ давало число электронов, обеспечивающих перенос положительного иона к аноду. Массу удаляемых элементов М (г/мин) рассчитывали по выражению [7]:

М =

О X Ат

96500 ,

(3)

где Q — количество прошедшего электричества, кулон/мин; А — атомная масса одноатомного иона, т — число атомов в ионе.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Опыты проведены с чистым железом, его бинарными расплавами с фосфором, серой и многокомпонентным железоуглеродистым расплавом. Изменение массы железа в гелии при электрическом поле замеряли в изотермических условиях при положительной и отрицательной полярности расплава [1]. Одновременно регистрировали напряжение и количество проходящего тока между расплавом и молибденовым электродом. Масса расплава возрастала при положительной полярности вследствие поступления ионов с молибденового катода. При отрицательной полярности масса расплава убывала.

Бинарные расплавы железа с разным содержанием фосфора и серы, в отличие от железа, убывали при положительной полярности [8]. Это свидетельствовало об удалении примесей из расплава в гелии и переносе на молибденовый катод.

Многокомпонентный железоуглеродистый расплав одного состава выдерживали в азоте при пропускании постоянного тока. Проведено три опыта с парой образцов в

каждом. В двух опытах один расплав не подвергали воздействию электрического поля (0). Другой в первом опыте был при положительной полярности (+), а во втором — при отрицательной (—). В третьем опыте образцы расплава находились при разных полярностях (+, —). После их охлаждения проводился анализ на содержание газов [1]. Результаты анализа показали влияние полярности расплава на содержание газов в образцах.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Межэлектродные переносы элементов определены по доле ионов в прошедшем электричестве при температуре плавления железа, атмосферном давлении (101.3 • 103 Н/м2) и напряженности электрического поля Е (269 В/см). Напряженность электрического поля соответствовала отношению Е к концентрации атомов N при нормальных условиях (2.6868 • 1019 см-3) равному одному таундсенду (10-17 В • см2). Межэлектродные переносы ионов поверхностно-активных элементов в газах приведены на рисунке.

Основное влияние на перенос элементов оказывала атомная масса газа-наполнителя. Ее повышение в 33 раза у ксенона относительно гелия снижало межэлектродный перенос железа в 6.8 раза, фосфора и серы в 6 раз. Изменение переноса железа, фосфора и серы соответствовало влиянию атомной массы инертных газов наполнителей на перенос собственных ионов. Перенос данных элементов снижался в ксеноне относительно гелия в 6.4 раза. Согласие приведенных значений убеждает в доминирующем влиянии атомной массы элементов на их перенос. Перенос водорода в ксеноне, по сравнению с гелием, снижался в 3.3 раза, а азота и кислорода — в 3.4 раза. Более слабое влияние инертных газов на перенос водорода, азота и кислорода объясняется их меньшей атомной массой.

В инертных газах перенос собственных ионов меньше переноса ионов железа и поверхностно-активных элементов (см. рисунок). Ионы инертных газов не мешали переносу более подвижных ионов железа и примесных элементов. В гелии наиболее подвижны ионы водорода. Они обеспечивают очистку железа от водорода. Различия в межэлектродных переносах ионов остальных элементов небольшие. Их удаление из расплава железа возможно в виде молекулярных соединений с более подвижными ионами железа. В остальных инертных газах перенос ионов Н+, №, 0+, Р+, 8+ больше, чем Бе+. Очистка железа от растворенных газов, фосфора и серы в них возможна при удалении атомарных ионов из поверхностного слоя расплава.

В водороде межэлектродный перенос собственных ионов самый большой среди присутствующих. Неограниченное поступление и перенос более подвижных ионов Н+ исключают удаление других поверхностно-активных элементов из железа. В азоте, по сравнению с водородом, межэлектродный перенос собственных ионов меньше переноса ионов водорода и кислорода. В соответствии с межэлектродными переносами

*

О | | 40 80 120

' ' Атомная масса инертных газов

Н2 N

Межэлектродный перенос собственных ионов (О) в газах наполнителях и ионов Бе+ (■), Н+ (♦), N+ (•), 0+ (Ш), (❖), Р+ (+) при температуре плавления железа, давлении 101.3 ■ 103 Н/м 2 (760 мм рт. ст. ) и напряженности электрического поля в 1 Тg (269 В/см).

ионов Н+, О+ вероятна очистка железа вначале от водорода, а затем от кислорода. Больший перенос ионов № в азоте, чем Бе+, Р+ и исключают возможность очистки железа от азота, фосфора и серы.

Влияние снижения в 7.6 раз давления (101.3—13.3) • 103 Н/м2 и напряженности электрического поля (1—0.152 ТО на межэлектродный перенос ионов при температуре плавления железа разное. Снижение давления повышало перенос ионов Бе+ в гелии в 5.1 раза, аргоне и азоте — в 6.9 раза. Уменьшение напряженности электрического поля снижало перенос присутствующих ионов в гелии — в 2.5 раза, аргоне — в 4.8 раза и азоте — в 4.4 раза. Межэлектродный перенос ионов Н+ оставался больше других. Давление влияло на перенос ионов сильнее напряженности электрического поля. Их изменение сохраняло порядок в очередности переноса ионов в газах (см. рисунок).

Расчеты очистки железа от поверхностно-активных элементов проведены по приведенным подвижностям свободных ионов в газах без учета связей с расплавом. Влия-

Таблица 2

Условия и межэлектродный перенос ионов в гелии при положительной и отрицательно

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком