Кинетика
Кинетика
Кинетика занимается расчетом скоростей и описанием механизма протекания реакции. Кинетика по сравнению с термодинамикой является более сложной, поскольку последняя имеет дело только с начальным и конечным состояниями процесса, но не изучает механизма протекания его, а также не касается систем, не находящихся в равновесии. Известно, что на кинетические характеристики может оказать существенное влияние присутствие примесей и катализаторов, что создает чрезвычайные трудности для предварительных расчетов скоростей реакции.
Поэтому можно утверждать, что при решении вопросов кинетики практические результаты могут оказаться более полезными, нежели теоретические. В процессе вакуумной дуговой плавки имеет место множество реакций; с точки зрения химии они представляют собой процессы диссоциации, раскисления и дегазации. Эти реакции должны рассматриваться применительно к тем конкретным условиям, в которых они протекают, например на конце расходуемого электрода, в мелкодисперсных каплях в период прохождения металла через дугу и в расплавленной ванне.
На конце электрода металл перегревается до температуры, при которой поверхностное натяжение его не в состоянии противостоять динамическому воздействию дуги и гравитационным силам, действующим на каплю металла. Металл стекает с электрода и движется через плазму дуги, подвергаясь дополнительному перегреву. Капля металла, поступая в ванну расплава, быстро охлаждается до температуры ванны и приходит в равновесное тепловое состояние с расплавленной ванной. ,
Несмотря на многообразие условий, контролирующих кинетические характеристики реакций в зоне плавления, здесь в принципе будет описана только природа реакций, имеющих место в этом процессе. Диссоциация сводится в основном к термической диссоциации металлических окислов, карбидов, нитридов, сульфидов и гидридов. Поскольку в реакциях участвует лишь одна молекула, их можно отнести к реакциям первого порядка.
Если величину а взять за первоначальное количество имеющегося реагента (в молярных единицах), аж — за количество реагента, про-диссоциировавшего в течение времени t, то получим следующее уравнение :
В данном случае размерность к будет равна сек-1. Реакция диссоциаци при отсутствии колебаний температуры и давления имеет прямолинейную характеристику. В соответствии с этим скорость этой реакции можнс легко определить.
Реакция раскисления является бимолекулярной, или реакцией второго порядка. Обычно восстановление металлического окисла осущест вляется углеродом с образованием металла и СО или СО2 (продукта реакции являются функцией температуры и давления, фиг. 4). Если допустить, что величина а представляет собой первоначальное количестве окисла металла, выраженное в молярных величинах, Ъ — первоначальное количество углерода, х — количество окисла, прореагировавшее к дан ному моменту, то а—х будет молярным количеством непрореагировав шего окисла металла, а Ь—х будет молярным количеством непрореагиро вавшего углерода. Из сопоставления этих величин получаем следующее уравнение:
На основании рассмотрения приведенных реакций первого и второго порядка можно ожидать, что наряду с восстановлением окислов металлов углеродом могли иметь место последовательные ступенчатые реакции. Например, при повышенных температуре и давлении реакция взаимодействия окислов металла с углеродом может дать в результате свободный металл плюс СО и (или) СОа. При атмосферном давлении в газовой фазе будет преобладать СО2. При понижении давления СО2 будет диссоциировать до СО. Реакция диссоциации СО2 представляет собой реакцию первого порядка, описанную выше.
Реакции третьего порядка и другие сложные реакции при дуговой плавке с расходуемым электродом обычно не возникают. Однако существуют побочные или вторичные реакции. Если температура и давление Выведенное уравнение показывает, что константа скорости сильно изменяется с температурой. Очевидно; что применение кинетических зависимостей для расчета скоростей реакций, имеющих место в процессе дуговой плавки, возможно только для областей с постоянной температурой. Поскольку температура в плазме дуги значительно выше, чем на электродном наконечнике или в жидкой ванне (5000° С), то реакции, протекающие в этой зоне, идут с достаточно большой скоростью; поэтому можно считать, что основная стадия процессов диссоциации и восстановления вредных составляющих протекает именно здесь.
