ГЛАВА IV. КИНЕТИКА ПРОЦЕССОВ ГАЗО-И ПЕНООБРАЗОВАНИЯ В УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ ПИРОПЛАСТИЧЕСКИХ СПЕКАХ
Известные закономерности процесса вспенивания пеностекла сводятся к энергетической концепции, которая не объясняет наблюдаемых явлений при образовании новых фаз в пенообразующей смеси и пиропластическом спеке, а также структурных изменений в формирующемся пеностекле. Согласно работам [1, 2, 12, 15, 25, 246, 269, 270], газы, вызывающие вспенивание, образуются в результате химического взаимодействия сульфатной серы и углерода. Насколько каждая из выдвинутых гипотез справедлива, можно, очевидно, убедиться путем теоретического и экспериментального исследований кинетики процессов газо- и пенообразования.
Научно-теоретическое объяснение процесса пенообразования осложнено рядом взаимно связанных и налагающихся друг на друга факторов. Их многочисленность и различный характер действия даже в пределах одного состава пенообразующей смеси затрудняют выбор какого-нибудь одного из них, являющегося ведущим. В связи с этим имеющиеся в литературе данные [3, 7, 11, 12, 45, 52, 57, 58, 60, 66, 68, 88, 92, 93, 97, 115, 143, 176, 191, 269], характеризующие ту или иную сторону рассматриваемого процесса, существенно отличаются как по характеру, так и по значениям. Это является результатом различного рода допущений, положенных в основу изучения процесса пенообразования, а также отсутствия методик его оценки. Представляя себе чрезвычайную трудность разработки методики оценки данного процесса, мы попытались выразить лишь некоторые аспекты этой проблемы, вытекающие из наших исследований и имеющихся данных в литературе [26, 68, 118, 181, 182, 231—236, 246].
Термодинамический анализ предполагаемых реакций между компонентами пенообразующей смеси, качественный и количественный анализ газообразных продуктов и твердого остатка, образующихся в ходе окислительно-восстановительных реакций, протекающих в углеродсодержащих пенообразующих смесях при различных условиях, позволит более полно определить взаимосвязь между составом смеси, структурой и свойствами пеностекла и таким образом уточнить природу процессов газо- и пенообразования.
1. Термодинамический анализ некоторых реакций между компонентами пенообразующей смеси
Термодинамический метод состоит в определении изменения изобарно-изотермического потенциала (ΔG0T) в зависимости от температуры. С его помощью расчетным путем можно определить температурный интервал, в котором возможны те или иные реакции, вычислить соответствующие тепловые эффекты, а также в известной степени предсказать состав конечных продуктов. Следует, однако, заметить, что термодинамическое исследование определяет лишь возможность протекания реакций, но не рассматривает их кинетики, пока неизвестно значение энергии активации [271, 272]. Установлено [271], что при температуре порядка 1000 °К тепловые колебания атомов (ионов) настолько снижают значение энергии активации, что реакции протекают в полном соответствии с термодинамическими расчетами. Из ряда процессов, протекающих в системе, наиболее вероятным является тот, который сопровождается наибольшей убылью Δ.
Сопоставление термодинамической вероятности протекания различных реакций производилось на основании расчетов величин изобарно-изотермического потенциала реакций в интервале температур спекания пенообразующей смеси и формирования структуры пеностекла (800—1150° К). Изменение ΔG0T определялось по уравнению М. И. Темкина и Л. А. Шварцмана [193]:
Расчеты выполнены с учетом изменения энтальпии и энтропии при полиморфных и фазовых превращениях: Исходные термодинамические данные, необходимые для расчетов, приведены в табл. 9. Результаты расчетов представлены в виде графиков функции ΔG0T = f(T) на рис. 4.1—4.5. В табл. 10 приведены расчетные уравнения зависимости ΔG0T основных реакций от температуры, а в табл. 11 и 12 —значения коэффициентов для расчетных уравнений.
- 1 •
- 2 •
- 3 •
- 4 •
- 5 •
- 6 •
- 7 •
- 8 •
- 9 •
- 10 •
- 11 •
- 12 •
- 13 •
- 14 •
- 15
- 16 •
- 17 •
- 18 •
- 19 •
- 20 •
- 21 •
- 22 •
- 23 •
- 24 •
- 25 •
- 26 •
- 27 •
- 28 •
- 29 •
- 30
- 31 •
- 32 •
- 33 •
- 34 •
- 35 •
- 36 •
- 37 •
- 38 •
- 39 •
- 40 •
- 41 •
- 42 •
- 43 •
- 44 •
- 45
- 46 •
- 47 •
- 48 •
- 49 •
- 50 •
- 51 •
- 52 •
- 53 •
- 54 •
- 55 •
- 56 •
- 57 •
- 58 •
- 59 •
- 60
- 61 •
- 62 •
- 63 •
- 64 •
- 65 •
- 66 •
- 67 •
- 68 •
- 69 •
- 70 •
- 71 •
- 72 •
- 73 •
- 74 •
- 75 •
- 76