5. Кинетика процесса укрупнения неметаллических включений

Кинетический фактор в процессе роста неметаллических включений имеет особенно важное значение для оксидных включений. Поэтому при рассмотрении кинетики процесса укрупнения неметаллических включений основное внимание уделим кинетике роста оксидных включений, хотя закономерности, излагаемые в данном параграфе, носят общий характер.

Интенсивность процесса укрупнения частиц зависит от того, как часто будут сталкиваться они между собой. При этом в зависимости от эффективности столкновений коагуляция может быть быстрой, когда все столкновения эффективны, или медленной, когда лишь часть столкновений приводит к объединению частиц.

Вероятность столкновения сферических частиц в единицу времени в единице объема спокойной жидкости определяется, согласно [243], выражением

1Г0 = АпОиЯцщп,.(Ш.22)

Здесь йц — константа броуновской диффузии обеих частиц;

— радиус коагуляции, равный г1 + Гу, где г1 и г,- — радиусы 1-й и /-й частиц; /гг; п1 — концентрация частиц в объеме.

При перемешивании жидкости вероятность столкновения частиц может заметно измениться. В случае ламинарного движения расплавленного металла

№лам = -±-п0Р?,-^,(111.23)

где п0 — концентрация /-х частиц, которые сталкиваются

с 1-я частицей; --градиент скорости в жидкости.

Уравнение (111.23) при условии, что скорость потока в случае удаления от твердой стенки изменяется линейно, будет справедливо и при коагуляции частиц в турбулентном потоке.

В этом случаеа формула (111.23) примет вид

^=4-«о44-.(ш-24)

где V — скорость движения жидкости; V — кинематическая вязкость жидкости.

Выражение для определения числа актов коагуляции в интенсивном турбулентном потоке жидкости имеет вид:

№т.п = 12лВ' ]/еЯ3п0.(III.25)

Здесь ß' — коэффициент, равный Л= ß0 (а' и ß' — постоянные, значения которых не могут быть определены теоретически);

е0= ед/рж; рж— плотность жидкости; ед=--¿4 ~~ константа,

характеризующая движение (dE3 — потери энергии в единицу времени в единице объема).

Сопоставив вероятность столкновения частиц в потоке,

обусловленную градиентом скорости -т-, с вероятностью столкновений в спокойной жидкости, для случая ламинарного движения жидкости получим

^лам/^0 = Rl -§-/3nDtj.(III .26)

Константа взаимной диффузии при Di,Ru — iD^, где индекс «1» относится к исходным частицам, будет

Du = WjJR,! = 2kTI3ny]Rn.

Тогда отношение (II 1.26) запишется следующим образом:

W»aJW0 = nR]i -§-/2М\(111.27)

Из выражения (III.27) следует, что если = I с-1, а диаметр хотя бы некоторых частиц превышает 2 мкм, то величина №лам/№о становится больше единицы и пренебрегать перемешиванием расплавленного металла нельзя. Если в жидкости находятся частицы размером около 10 мкм, а в сварочной ванне встречаются такие включения, то WnaJW0 Ю4. Следовательно, в сварочной ванне коагуляция, обусловленная перемешиванием металла, будет выполнять определяющую роль.

Вероятность столкновения частиц при перемешивании металла зависит от градиента скорости, величина которого в условиях сварки связана с наличием внешнего электрического поля. Наличие заряда на поверхности жидких оксидных включений свидетельствует о возможности электрокапиллярных движений этих частиц. Сущность этого движения состоит в следующем. На границе между жидким неметаллическим включением и металлом (рис. 32) имеется двойной электрический слой. Внешнее электрическое поле приводит в движение заряды двойного слоя и вместе с ними поверхность капли. При этом благодаря возникновению вихревых потоков капля совершает реактивное движение, направленное в зависимости от знака заряда к катоду или к аноду.

Как показали исследования [269], для электрокапиллярного движения металлических капель характерны довольно