Явления на поверхностях раздела фаз существенно влияют на термодинамику и кинетику гетерогенных процессов. Изучение этих явлений — необходимый этап в исследовании сталеплавильных процессов.

Свободная поверхностная энергия. В жидкости, твердом теле каждая частица (молекула, атом) окружена другими такими же частицами и испытывает притяжение к ним в сфере действия молекулярных сил радиусом r = 10^–7 — 10^–8 см. В объеме жидкости равнодействующая всех этих сил равна нулю. Частицы, расположенные у поверхности жидкости (на границе с газом или вакуумом) на расстоянии меньше r, находятся в ином состоянии: силы притяжения таких частиц, направленные вовнутрь жидкости нормально к ее поверхности, не уравновешены, так как со стороны вакуума (газа) притяжение отсутствует (или весьма слабое).

Чтобы частица смогла попасть из глубинных слоев жидкости на ее поверхность, должна быть затрачена работа, т. е. изменена свободная энергия системы. Та часть полной свободной энергии системы, за счет которой частицы из внутренних слоев жидкости (твердого тела) перемещаются к ее поверхности, называется свободной поверхностной энергией.

Поверхностное натяжение ? равно удельной поверхностной энергии, Дж/м², т. е. количеству свободной поверхностной энергии, приходящейся на единицу поверхности раздела между рассматриваемым веществом и вакуумом (газом).

Рис. 28. Равновесие поверхностных натяжений при образовании капли (а) и различные случаи смачивания (б): 1 — полное смачивание; 2 —» полное несмачивание; 3 — частичное смачивание

Смачивание. Небольшое количество жидкости на какой-либо поверхности (подкладке) образует каплю или растекается (рис. 28). Условия равновесия сил поверхностного натяжения можно описать формулой

?_ВГ = ?_АВ + ?_АГ cos ?,(4.1)
где А — капля; В — подкладка; Г — газ; ? —краевой угол смачивания, характеризующий растекаемость жидкости (прилипание к подкладке), град. Чем меньше ?, тем полнее смачивание. Согласно уравнению (4.1) и схеме рис. 28 лишь при полном смачивании (если ? = 0, a cos ? = 1) ?_ДВ = ?_ВГ — ?_ДГ. В этом случае соблюдается правило Антонова: межфазное натяжение равно разности поверхностных натяжений соприкасающихся фаз.

Таблица 3. Значения краевых углов смачивания некоторых веществ

Жидкость	Подкладка	t, °С	?, град
Армко-железо	Магнезит	1530—1600	126
Карбонильное железо (0,07% С)	Плавленая магнезия	1560	139
Техническое железо (0,09% С, 0,09% Мn)	То же	1560	121
Армко-железо	Глинозем	1530—1600	139
Карбонильное железо	То же	1560	141
Кипящая сталь 20Л	Глинозем (70%)
(0,20% С, 0,38% Мn, 0,023% О)	+ кварц (30%)	1550	100
Легированная сталь	Глинозем (72%)
Х14Н14М2В2	+ кварц (28%)	1550	120
Армко-железо	Кварц	1530—1600	108—115
То же	Ошлакованный окислительным шлаком магнезит	1530—1560	100—107
Окислительный шлак	Магнезит	1600	0
Закись железа	То же	1400	20
То же	Корунд	1400	25
—»—	Кварц	1400	0
Окислительный   шлак	Жидкое железо	1530—1560	90
То же	Твердое железо	1450—1520	55

 

В табл. 3 приведены некоторые данные о смачивании огнеупорных материалов жидким железом или жидкой сталью, а также огнеупоров и железа окислительным шлаком. Как видно, состав жидкости и подкладки значительно влияет на краевой угол смачивания ?. В частности, с увеличением содержания кислорода в металле, закиси железа в шлаке или в огнеупорном материале величина ? резко уменьшается (возрастает степень смачивания подкладки жидкостью).

Адгезия. Адгезия характеризует взаимное притяжение частиц на границе их раздела. Удельная работа адгезии W, Дж/м², равна количеству энергии, требуемой для разделения фаз, т. е. сумме их свободных поверхностных энергий после разделения за вычетом суммы поверхностных энергий до разделения.

Если, например, необходимо отделить шлак от металла, то удельная работа адгезии

W_м.ш = ?_м.г + ?_ш.г — ?_м.ш.
(4.2)

Если подкладкой считать металл, то по уравнению (4.1) ?_м.ш = ?_м.г — ?ш.г cos ?. Следовательно,

W_м.ш = ?_м.г + ?_ш.г — ?_м.г + ?_ш.г cos ? = ?_ш.г (1 + cos ?).
(4.3)

Чем больше краевой угол ? (незначительнее смачивание шлака металлом), тем меньше cos ? и работа адгезии, т. е. легче отделяется шлак от металла. Так, если ? = 180° (полное несмачивание), то cos ? = — 1 и W_м.ш = ?_ш.г (1 — 1) = 0. При ? = 0 (полное смачивание) cos ? = 1 и W_м.ш = ?_ш.г (1 + 1) = 2 ?_ш.г.

Таким образом, для лучшего отделения шлака от металла желательно, чтобы межфазное натяжение было максимальным. Это достигается при незначительном смачивании металла шлаком, т. е. при большом (близком к 180°) значении краевого угла ?.

Явлением адгезии объясняется запутывание металла в шлаке (потери его в виде корольков при скачивании шлака) и неметаллических включений в металле.

Когезия. Когезия характеризует взаимное притяжение внутренних слоев в одной фазе. Удельная работа когезии, Дж/м², при разрыве столба жидкости сечением 1 м² на две части

М_ког.уд = 2?_ж.г.(4.4)

Суммарная работа когезии, Дж,

W_{ког.сум} = ?S?,
(4.5)
где ?S — суммарная поверхность капель после дробления жидкости, м². Работу когезии необходимо учитывать при продувке жидкой стали, распылении мазута, когда струя воздуха или кислорода дробит жидкую фазу на капли, окруженные газом.