» » Общие принципы разделения фаз ликвацией
15.05.2015

Ликвацией называют нарушение однородности расплава в жидком состоянии или в процессе затвердевания. В расплаве, который становится гетерогенным, фазы постепенно разобщаются, вследствие различия удельных весов, стремясь образовать самостоятельные слои: слой легкой фазы в верхней части объема расплава и слой тяжелой фазы в нижней части этого объема.
Движущей силой процесса ликвации является сила тяжести. При ликвации система стремится к состоянию с наименьшим запасом потенциальной энергии.
В процессах металлургии ликвацию широко используют для разделения фаз, она является наиболее простым и практически единственным приемом разделения при высоких температурах систем, составленных двумя жидкими фазами.
Фазовое состояние определенной системы, т. е. число фаз, состав и количество каждой из фаз, определяется по диаграмме состояния заданием температуры и давления. Для конденсированных систем роль давления незначительна, так что состояние системы достаточно точно определяется заданием температуры.
Рассмотрим течение процесса ликвации при постоянной температуре, которая определяет составы и состояние фаз системы, а следовательно, и все физические характеристики этих фаз, в том числе плотность, вязкость и величины поверхностного натяжения на границе раздела фаз.
Общие принципы разделения фаз ликвацией

В объеме ликвирующего расплава (рис. 1) образуется два жидких слоя; тяжелой жидкости внизу и легкой — вверху. Между слоями вначале процесса нет четкой границы: нижний тяжелый жидкий слой содержит массу капель более легкой жидкости, которые поднимаются к границе между слоями и стремятся слиться со слоем легкой жидкости, верхний легкий жидкий слой содержит капельки тяжелой жидкости, которые опускаются вниз к границе между слоями.
При достаточно длительном спокойном отстаивании будет достигнуто полное разделение: в сосуде будет находиться двухслойный расплав с четкой границей между слоями.
Время, затрачиваемое на полное разделение фаз, зависит от скорости отделения капелек одной фазы от эмульгирующей среды — второй фазы. Процесс разделения описывается формулой Стокса, позволяющей вычислить установившуюся скорость движения малой шарообразной частицы, погруженной в вязкую однородную среду, под действием силы тяжести:
Общие принципы разделения фаз ликвацией

где v — вертикальная скорость движения частицы, причем положительное значение v соответствует движению вниз, а отрицательное — движению вверх, см/сек;
d1 — плотность частицы, г/см3;
d2 — плотность среды, г/см3;
r — радиус шарика, см;
η — вязкость среды, пуаз (г/cм*сек)
Таким образом, по Стоксу, скорость всплывания или погружения малой частицы пропорциональна квадрату радиуса ее и разности плотностей частицы и среды и обратно пропорциональна вязкости среды. Так как время отстаивания сокращается с ростом скорости движения частиц, то увеличение различия в плотностях, укрупнение частиц и уменьшение вязкости жидких фаз будет благоприятствовать ликвации.
Укрупнение частиц жидкости — коалесценция (слияние), протекает при столкновениях частиц эмульсии: это естественный процесс, так как при слиянии частиц уменьшается поверхность раздела, а следовательно. и запас поверхностной энергии на границе раздела фаз. Укрупнению частиц эмульсии благоприятствуют высокие значения поверхностного натяжения на межфазовой границе и малые вязкости жидких фаз.
Важнейшим фактором является различие плотностей разделяемых фаз: при равенстве плотностей разделение невозможно. Повышение температуры способствует ускорению ликвации, так как при этом сильно понижается вязкость жидких фаз. Однако повышение температуры может оказать и отрицательное действие на эффект разделения компонентов. так как при этом, согласно диаграмме состояния систем, расслаивающихся на две жидкости (рис. 2), различие составов жидкостей уменьшается.
Общие принципы разделения фаз ликвацией

В металлургической практике важнейшим процессом разделения двух жидких фаз является отделение шлака от металла или шлака от штейна при плавках. Жидкий металл или штейн всегда является тяжелой фазой системы, шлак — легкой фазой. Металлические и штейновые расплавы характеризуются относительно малыми вязкостями — доли пуаза; для шлаков характерны значительные вязкости, обычно от 5 до 50 пуазов.
В металлических или штейновых слоях вследствие малой вязкости ликвация от жидких включений шлака протекает быстро. Шлаковый слой освобождается от жидких включений металла или штейна много медленнее, так как вязкость эмульгирующей среды много выше. Поэтому конечный результат процесса ликвационного разделения в основном определяется полнотой освобождения шлакового слоя от включений металла или штейна, т. е. наиболее медленным процессом.
В непрерывно действующих плавильных приборах шлак и металл или шлак и штейн непрерывно поступают в ликвационный объем, где постепенно протекает разделение их на два жидких слоя, как это показано на рис. 1.
Верхний слой шлака с наименьшим содержанием включений фазы металла или штейна непрерывно сливается через верхнее отверстие. Металл или штейн выпускают периодически через отверстие (шпур), расположенное у дна ванны, где тяжёлая фаза свободна от включений шлака. Эффективность ликвационного разделения возрастает с увеличением объема ванны и с удалением шлакового порога от места поступления разделяемой эмульсии. Значительное накопление на дне прибора второй фазы действует неблагоприятно, так как при этом уменьшается объем, занятый шлаком, а следовательно, и время отстаивания шлака.
Если ликвационный объем плавильного прибора недостаточно велик, то шлак или всю массу расплава пропускают через дополнительный отстойник большего объема, где завершается разделение. Так поступают, например, при некоторых шахтных плавках медного, никелевого и свинцового сырья.
При ликвационном разделении двух жидких фаз составы и количества фаз определяются по линиям взаимной растворимости двух жидкостей диаграммы состояния системы.
При ликвационном разделении жидкой и твердой фаз составы и количества фаз определяются по линиям ликвидуса и солидуса диаграммы состояния. В атом случае разделение компонентов осуществляется в процессе кристаллизации системы или в процессе расплавления.
В одних системах компоненты при кристаллизации образуют твердые фазы постоянного состава: простые вещества или химические соединения; в других системах — фазы переменного состава: твердые растворы. В первом случае результат разделения компонентов определяется температурой, при которой разделяются фазы. Во втором случае результат разделения компонентов при кристаллизации будет зависеть еще и от скорости охлаждения, определяющей степень диффузионного выравнивания состава кристаллов.
Разделение полученных фаз может быть выполнено путем ликвации под действием силы тяжести, если фазы заметно различаются по плотностям. Течение процесса ликвации мелких кристаллов приближенно описывается формулой Стокса.
Разделение фаз может быть осуществлено также фильтрованием; различие плотностей фаз для этого процесса несущественно.
Поясним высказанные общие положения на примерах ликвационного рафинирования металлов.