Вязкость металлов и шлаков

Обновлено: 17.05.2024

Производство стали и ферросплавов в плавильных агрегатах сопровождается получением двух жидких несмешивающихся фаз — металлической и неметаллической, называемой шлаком. Шлаки представляют собой многокомпонентные сплавы различных оксидов, образующих между собой ряд химических соединений, а также твердых и жидких растворов. Основными источниками образования шлаков являются:

продукты окисления примесей чугуна, лома и рудной части шихты;
загрязнения материалов (песок, глина, земля, ржавчина);
продукты разрушения огнеупоров;
добавочные материалы и окислители (известняк, известь, боксит, плавиковый шпат, железная и марганцевая руды, агломерат и др.).

Введением соответствующих добавок определенных материалов обеспечивают получение шлаков требуемого состава, необходимого для развития одних реакций и подавления других. Строение и кристаллическую структуру затвердевших шлаков определяют с помощью методов петрографического и рентгеновского анализов, полученные результаты представляют грфически в виде диаграмм состояния.

Состав и физические свойства шлака

Металлургические шлаки имеют определенный химический состав. Физическими характеристиками шлаков являются: температура плавления, плотность, вязкость, энтальпия (теплосодержание), электрическая проводимость, электросопротивление, поверхностное натяжение. Наиболее распространенными (обычными) компонентами металлургических шлаков являются CaO, SiC>2, AI2O3, FeO, MgO. Указанные оксиды, кроме FeO, имеют высокие температуры плавления (Г_Ш1, °С: MgO – 2800; CaO – 2570; AI2O3– 2050; Si0₂ – 1712), превышающие обычные температуры металлургических процессов получения железа и сплавов (1300-1700 °С). Температура плавления металлургических шлаков существенно ниже температуры плавления отдельных компонентов, входящих в их состав. Это свойство, присущее многокомпонентным шлакам, используется при создании новых составов шлаков, для придания им необходимой температуры плавления.

В кислой печи главной составляющей футеровки является твердый кремнезем, поэтому в процессе плавки шлак обогащается Si0₂. Кроме кремнезема, в состав кислых шлаков входят FeO, MnO, А1₂0₃ и СаО. При увеличении в шлаке содержания СаО от 0 до 12% растворимость Si0₂ повышается до 57%. В основной печи огнеупорная футеровка состоит преимущественно из магнезита MgO. При нормальной эксплуатации печи и использовании основных шлаков содержание в них MgO не превышает 18%.

Химический состав и температура шлака существенно влияют на ход металлургических процессов. Скорость протекания реакций в металлическом и шлаковом расплавах зависит от скорости диффузионных процессов, которые в значительной степени определяют вязкость расплавов.

Вязкость – это внутреннее трение, которое возникает между отдельными слоями жидкости, когда эти слои перемещаются с разными скоростями. Единицей вязкости является «пуаз» (1 Пз = 1 Па*с = 1 Нс/м 2 = 1 г*см -1 *с -1 ).

Высокая вязкость шлака является причиной снижения его реакционной способности, так как замедляются диффузионные процессы, а в результате снижается качество металла. Шлаки с высокой вязкостью при производстве ферросплавов удерживают в себе значительное количество металла в виде застывших капель (корольков), что снижает полезный выход металла. Вязкие шлаки плохо удаляются из плавильных печей и, тем самым, снижают стойкость огнеупорной футеровки.

Вязкость жидкости, в том числе и шлаков, зависит от химического состава и температуры, поэтому разной комбинацией оксидов в шлаке можно получить расплав, обладающий минимальной вязкостью и высокой реакционной способностью.

Обратная величина вязкости — текучесть также используется для качественной оценки шлаков. Наиболее простым способом определения текучести является выливание пробы шлака, взятого ложкой из печи, на железный уголок, установленный под наклоном -10°. Чем большей текучестью (меньшей вязкостью) обладает шлак, тем на большую длину он успеет растечься до момента затвердевания. Иногда для этих целей используют вискозиметр, представляющий собой разъемный металлический стакан с сообщающимися приемной воронкой и каналом. Текучесть шлака оценивают по степени заполнения им канала вискозиметра. Ускоренные способы измерения вязкости (текучести) не претендуют на точность и служат только для качественной оценки шлаков.

Важными характеристиками шлаков сталеплавильного и ферросплавного производств являются теплоемкость и теплота плавления или энтальпия. Под энтальпией шлака понимают все тепло, которое необходимо сообщить шлаку, чтобы нагреть его до температуры плавления, расплавить и нагреть до требуемой темпертары. Энтальпию шлаков определяют эксперементально с применением калориметра.

В шлаках, обладающих относительно большим электрическим сопротивлением, длина дуги короче, чем в шлаках с меньшим сопротивлением. Для лучшей передачи тепла дуги металлической ванне выплавку в мощных электропечах осуществляют на пенистых шлаках.

Представляет интерес такое свойство шлаков, как поверхностное натяжение. На любую частицу, находящуюся в жидкости, действуют взаимно уравновешенные силы сцепления. Если частица оказывается на поверхности раздела фаз жидкость-газ, то она испытывает действие сил внутреннего притяжения жидкости и среды, граничащей с жидкостью. Работа, затраченная на образование поверхности раздела между фазами, называется поверхностным или межфазным натяжением о. Эта характеристика используется и при рассмотрении поверхностных явлений в металлургических системах, состоящих из металла и шлака. Поверхностное натяжение жидкого основного и кислого шлаков на границе с газовой фазой составляет соответственно 0,5-0,6 и 0,3-0,4 мДж/см 2 .

Оксиды MnO, Si0₂, Р₂0₅, ТЮ₂, FeO, Cr₂0₃, V₂0₅ являются по отношению к основному шлаку поверхностно-активными веществами, поэтому с увеличением их содержания в основном шлаке величина о уменьшается. Оксиды CaO, MgO, А1₂0₃ не являются поверхностноактивными веществами, поэтому с увеличением их содержания в основном шлаке значение а увеличивается. Межфазное натяжение на границе железо—шлак, состоящем из CaO, А1₂0₃, Si0₂, находится в пределах 1,0—1,1 мДж/см 2 .

Роль шлаков в сталеплавильном и ферросплавном производствах многообразна. Шлак является:

Вязкость металлов и шлаков

Одним из важных свойств шлака в процессе разделения жидких продуктов плавки является текучесть шлака, характеризующая его как жидкую фазу. При определении плавкости шлака по диаграмме состояния следует иметь в виду, что верхняя критическая точка указывает только температуру, при которой в системе исчезает остаток кристаллической фазы, но эта температура ничего не говорит о подвижности — текучести полученной однофазной системы. Верхняя критическая точка указывает температуру, при которой получается некристаллическое, аморфное состояние. Для подавляющего большинства веществ аморфное состояние характеризуется большой подвижностью — жидкотекучестью. В шлаковых системах мы встречаемся с тем относительно редким случаем, когда аморфное, т. е. жидкое состояние характеризуется очень малой текучестью, так что вещество в этом состоянии больше похоже на твердое тело, чем на жидкость.
Наиболее ярким представителем веществ такого рода является чистая кремневая кислота, имеющая точку плавления при 1710°. При этой температуре устойчивая в области высоких температур кристаллическая модификация SiO2 — кристобалит обратимо переходит в некристаллическое аморфное, т. е. жидкое состояние. При 1710° жидкая кремнекислота (кварцевое стекло) — с трудом деформируется и практически совершенно не течет. Для того чтобы заставить кварцевое стекло вытекать из тигля, нужна температура, превышающая 2000°.
Причина такого поведения кремнекислоты — ассоциация ее молекул SiO2 в сложные, по несколько сот и тысяч молекул, прочные пространственные «цепочки», лишающие эту «жидкость» подвижности. Повышение температуры вызывает распад этих сложных ассоциаций на более простые, с чем связано уменьшение вязкости. Подобно кремневой кислоте ведут себя В2О3, Р2О5, а также целый ряд органических веществ. Все эти вещества с трудом кристаллизуются, легко сохраняя аморфное стеклообразное состояние.
Подобно кремневой кислоте ведут себя ее сплавы с другими окислами — шлаки с большим содержанием кремнекислоты. Очень резко выражены эти свойства в стеклах — сплавах 70—90% SiО2 с окислами щелочных металлов и окисью кальция. Достаточно резко выражены подобные же свойства в кислых шлаках со степенью кислотности 2 и выше. Прибавление к SiО2 других компонентов смещает область состояния с большой вязкостью к более низким температурам и сокращает температурный интервал состояния с большой вязкостью. Другие компоненты шлаковых систем, несмотря на высокие температуры плавления (2050° для Аl2О3, 2570° для СаО, 2800° для MgO) дают в точках плавления неассоциированные жидкости с малой вязкостью. Окислы тяжелых металлов (Fe, Ni, Mn, Pb) также дают в точках плавления подвижные жидкости.
Таким образом, диаграмма состояния системы для сплавов с большим содержанием кремнекислоты не дает точных указаний о температуре нагрева, необходимой для перевода шлака в состояние подвижной жидкости, каким обязательно должен быть металлургический шлак.
Поэтому данные по плавкости для кислых шлаков должны быть дополнены данными по изменению вязкости этих шлаков с изменениями температур и составов. Количественной характеристикой вязкости является коэффициент вязкости или коэффициент внутреннего трения η измеряемый в пуазах (г/см*сек).
Такие данные получают опытным путем — непосредственно измерением вязкости расплавленных шлаков. Наиболее наглядным является способ определения вязкости расплавленного шлака наблюдением за движением в шлаке небольшого платинового шарика. В расплавленный шлак опускают платиновый шарик известного диаметра, подобранного так, чтобы его движение в шлаке подчинялось закону Стокса (1,1). Тигель с расплавленным шлаком просвечивают рентгеновыми лучами. За движением шарика следят по движению его тени на флюоресцирующем экране. Измеряв скорость движения тени шарика, можно вычислить его действительную скорость движения в шлаке и затем, по формуле Стокса, вычислить вязкость шлака при заданной температуре. Этот способ позволяет осуществить прямое измерение вязкости шлака, но требует дорогой аппаратуры.
Другой широко применяемый способ косвенного определения вязкости шлаков использует аппаратуру, схема которой дана на рис. 27.

В печи, поддерживающей определенную заданную температуру, на столике, который может вращаться с небольшой и строго постоянной скоростью, установлен тигель с исследуемым шлаком. В шлак погружен цилиндр из огнеупорного материала, суженный конец которого выходит из печи и подвешен на упругой нити. К концу подвешенного цилиндра прикреплена стрелка, передвигающаяся над циферблатом и указывающая угол поворота цилиндра. При вращении столика со шлаком погружённый в шлак цилиндр повернется на определенный угол от положения своего равновесия без вращения столика. Этот угол будет тем больше, чем больше вязкость шлака. Так как угол поворота стрелки подвешенного цилиндра зависит от ряда факторов конструктивного характера, а не просто пропорционален вязкости шлака, то прибор предварительно градуируют по жидкостям с известной вязкостью.
Результаты исследования вязкости двухкомпонентных систем дают в форме кривых состав — свойство: по оси абсцисс отложен состав в процентах, по оси ординат — вязкость в пуазах. Точки, соответствующие одинаковым температурам, образуют линии — изотермы вязкости. На диаграммах с несколькими изогермами (рис. 28) для каждой изотермы указана ее температура.

Значительно сложнее изображение результатов исследования вязкости трехкомпонентных шлаков. На концентрационном треугольнике наносят точки составов исследуемых сплавов и у каждой точки указывают вязкость соответствующего сплава при одной и той же фиксированной температуре для всех точек данного треугольника. Затем точки с одинаковой вязкостью соединяют линиями, образующими кривые постоянной вязкости — изокомы; значение этой вязкости в пуазах указывают на линии. Вся такая диаграмма (рис. 29) относится к одной определенной температуре; для другой температуры следует строить другую диаграмму.
Подобные диаграммы вязкости имеются для важнейшей шлаковой системы SiO2—CaO—Аl2О3, описывающей вязкость шлаков доменной плавки при температурах 1450—1550°.
В металлургической практике приходится иметь дело со шлаками вязкостью от долей пуаза до 50, редко до 100 пуазов. Шлаки с вязкостью до 2—3 пуазов считаются жидкими, шлаки с вязкостью 10—20 пуазов — шлаками средней вязкости, шлаки с вязкостью 50 пуазов и более — очень вязкими густыми, такие шлаки медленно вытекают печей.
Закономерность изменения вязкости шлаковых систем от температуры может быть выражена формулой Ле-Шателье:

где lg lg η — двойной логарифм вязкости, пуазы;
А и В — постоянные (коэффициенты для шлака данного состава.
У основных шлаков изменение вязкости с температурой происходит быстро: подъем температуры на 20—30° делает очень вязкий неспособный течь шлак совершенно жидким; для кислых шлаков такое изменение протекает гораздо медленнее, в интервале температур, растягивающемся на 200—300°.
Такое изменение свойств шлаков с единственным кислотообразующим окислом кремневой кислотой (SiO2) описывается диаграммой плавкости шлаков, составленной В.Я. Мостовичем (рис. 30).

Изображенная на рис. 91 примерная диаграмма демонстрирует изменения вязкости короткого и длинного шлаков при изменении их температуры, предполагая одинаковой начальную вязкость для обоих шлаков. Если же сравнить древесноугольные (кислые, «длинные») и коксовые (основные, «короткие») шлаки, то изменения их вязкости с температурой будут отличаться не только наклоном кривой, но и начальным значением. Кислые шлаки не только «длинные», но и более вязкие в расплавленном состоянии по сравнению с основными «короткими». Эта существенная разница видна на рис. 100.
Основные шлаки при перегреве выше температуры ликвидуса имеют вязкость порядка 3-4 пуаз, но после достижения точки ликвидуса резко сгущаются вследствие выпадения кристаллов избыточного компонента. Кислые шлаки, наоборот, более вязки при высокой температуре, но вязкость их при охлаждении повышается медленно в связи с малой склонностью к кристаллизации. В расплавленном состоянии их вязкость достигает 15—20, а иногда 20—30 пуаз. Такой шлак все же течет, хотя и плохо, поэтому шлаки такой вязкости допустимы при древесноугольной плавке, когда неизбежное понижение температуры при выпуске на 20—30° не может существенно повысить вязкость шлака и не затрудняет его выпуска.

Иное дело при основном шлаке: допустить вязкость этого шлака даже 8—10 пуаз нельзя, потому что при самом незначительном изменении температуры его вязкость резко возрастает и может достигнуть таких значений, при которых шлак не будет течь.
На рис. 101 приведены результаты измерений вязкости шлаков литейного, бессемеровского и мартеновского чугунов, по данным И.П. Семика. Шлаки, анализ которых приведен на рисунке, много лет применяются в доменном производстве и потому рекомендованы для широкого применения М.А. Павловым. Нетрудно видеть, что хотя все приведенные шлаки являются основными, характер изменения их вязкости неодинаков: если при температуре выше 1480° почти все шлаки подвижны (вязкость менее 5 пуаз), то при более низкой температуре наиболее вязкими оказываются шлаки литейного чугуна, менее — бессемеровского, а наименее вязкими — мартеновского,— при требуемом нагреве горна (2—4% Si — в литейном чугуне и менее 1 % Si — в мартеновском).
Резкое возрастание вязкости глиноземистого шлака при температуре 1440° и выплавке литейного чугуна объясняется высоким содержанием в шлаке Al2O3. Понижение вязкости шлака при переходе к обычному литейному и бессемеровскому чугуну происходит вследствие уменьшения содержания Al2O3 и увеличения FeO и MnO. В шлаке мартеновского чугуна много SiO2, повышенное количество MnO и MgO и меньше CaO в сравнении со шлаком бессемеровского чугуна. При плавке литейного чугуна допускается шлак состава 1: хотя его вязкость повышается от 12 до 75 пуаз при понижении температуры от 1440 до 1430°, однако опасаться этого не следует, потому что такой шлак всегда перегрет до температуры, которая много превышает опасный интервал. Сказанное относится и к шлаку состава 2. Наоборот, при шлаках 3 и 4, хотя и относящихся к коксовой плавке, но достаточно «длинных», даже при довольно низких температурах горна (например, 1400°) резкого загустевания не произойдет, почему и невозможно аварийное загромождение горна вязким шлаком.

Рассмотрим влияние на вязкость шлака трех важнейших его компонентов — SiO2, Al2O3 и CaO. Исследования этой трехкомпонентной системы проведены Мак-Кеффери, а у нас — Н.В. Рулла и другими. Результаты этих исследований могут быть использованы в том случае, когда в шлаках содержатся незначительные количества MgO, MnO и FeO. При другом составе эти данные применимы лишь для общих суждений о влиянии на вязкость каждого из трех основных компонентов, но при прочих неизменных условиях. Данные Мак-Кеффери условны еще и потому, что при обработке и графическом оформлении результатов измерений автор в ряде случаев допускал весьма приближенною графическую интерполяцию. Кроме того, большое влияние на количественные результаты определения вязкости оказывают условия опыта: форма шпинделя, скорость охлаждения. Данные Н.В. Рулла отличны от данных Мак-Кеффери (большая скорость охлаждения и круглая форма шпинделя), а результаты измерений И.П. Семика не сходятся с исследованиями Н.В. Руллы, но близки к данным Мак-Кеффери (применено квадратное сечение шпинделя).

Влияние трех важнейших компонентов при разных температурах представлены Мак-Кеффери на трехосных диаграммах. На рис. 102 и 103 нанесены кривые вязкости шлака для температур 1400 и 1500°.
На рис. 104 и 105 приведены аналогичные диаграммы Н.В. Руллы, полученные при других условиях, но дающие те же общие закономерности, что и диаграммы рис. 102 и 103. Следует отметить, что для кремнеземистых шлаков (SiO2 более 40%) в большинстве случаев вязкость повышается с возрастанием в них содержания SiO2 (рис. 102 и 103). Исключение составляют только шлаки с содержанием глинозема менее 7%, которые при увеличении SiO2 до 45—50% могут дать некоторое понижение вязкости. При возрастании содержания Al2O3 у всех шлаков, в которых менее 50% SiO2, вязкость понижается до определенного значения, а затем резко возрастает. То же следует из рис. 104 и 105, но только при иных значениях SiO2 или Al2O3.
Температура плавления шлака повышается (рис. 94) с увеличением содержания SiC2 выше 65% независимо от содержания глинозема. При изменении содержания SiO2 от 45 до 65% температура плавления остается примерно постоянной при неизменном содержании Al2O3. С возрастанием Al2O3 до 15—20% шлак плавится при более низкой температуре, а при дальнейшем увеличении содержания глинозема температура плавления возрастает.
Таким образом, температура плавления и вязкость кислых шлаков, в общем, возрастают с увеличением содержания SiO2. С увеличением содержания Al2O3 вязкость и температура плавления сначала понижаются, а после перехода через некоторый минимум (при разных содержаниях Al2O3 для разной кислотности) возрастают. В основных шлаках глинозем в общем вызывает понижение вязкости, но также до некоторого предела, за которым наступает возрастание вязкости.

Особый интерес представляют основные шлаки, содержащие, например, 35—40% SiO2 при 5—15% Al2O3 и 50—55% СаО, более или менее близкие к шлакам коксовой плавки в условиях Юга России. Эти шлаки имеют высокие температуры плавления (1300—1700°), резко возрастающие с понижением содержания SiO2. При 10% Al2O3 понижение SiO2 с 38 до 36% (при повышении содержания CaO соответственно с 52 до 54%) вызывает возрастание температуры плавления с 1500 до 1700° (рис. 94 и 95). Переход к более высокому содержанию Al2O3 (например, выше 15% Al2O3 при 38% SiO2) или понижение SiO2 менее 35—40% дает настолько высокие температуры плавления, что вообще делает эти шлаки неприемлемыми в практике. Аналогично температурам плавления и вязкости тех же шлаков при 1400 и 1500° резко возрастают с понижением SiO2 и возрастанием СаО, а с изменением Al2O3 вязкости этих шлаков сперва снижаются, а потом, после прохождения через некоторое значение Al2O3 возрастают (только вязкость при 1400° и 10% Al2O3 на рис. 102 имеет минимум не при 38%, а при 42% SiO3).
Нетрудно понять тесную связь вязкости и температур плавления основных шлаков между собой: чем выше температура начала затвердевания шлака, тем больше выпавшей кристаллической фазы в гетерогенной системе, тем более вязкой она кажется.
Вязкость шлаков, содержащих CaO меньше 50%, при 1500° (рис. 103) остается сравнительно постоянной при меняющихся отношениях SiO2 : Al2O3 и неизменной CaO.
Некоторые влияния неодинаковы по диаграммам Мак-Кеффери и Н.В. Рулла. На кривых вязкости Мак-Кеффери при 1400—1600° при увеличении любого компонента имеется одно минимальное значение и два максимальных. На диаграммах Н.В. Рулла кривые вязкости шлаков извилисты; на них можно видеть несколько минимальных и еще больше, максимальных значений. Так, при 1500° шлак, содержащий 42% SiO2, при возрастании Al2O3 и уменьшении CaO имеет вязкость более 100 пуаз при 2% Al2O3, 3 пуаза при 10% Al2O3, 10 пуаз при 14% Al2O3, 4 пуаза при 18% Al2O3 и 20 пуаз при 27% Al2O3, т.е. два минимума и три максимума вязкости. При постоянном отношении CaO : SiO2 = 1,43 шлаки имеют наибольшую вязкость при 12 и 16% Al2O3, а при отношении 1,25 — при 13 и 17% Al2O3. Разные результаты у разных исследователей объясняются различием методики измерений, но при этом не исключается идентичность отмеченных выше общих тенденций.
До сих пор рассматривались температуры плавления шлаков с использованием известных исследований Ренкина. Н.В. Рулла показал, что по диаграммам η — t (типа рис. 100 и 101) можно определить температуру затвердевания шлака, т. е. температуру плавления по Ренкину. Основанием такого заключения является обнаруженная Ле-Шателье зависимость вязкости всякого шлака от его температуры:

Следовательно, двойной логарифм вязкостей должен представлять собой прямолинейную функцию температуры. Однако шлак при температуре выше начала кристаллизации представляет собой гомогенную фазу, а при низкой температуре — гетерогенную. Эти шлаки отличаются по свойствам, поэтому в приведенном уравнении количественные значения постоянных M и P будут разные. Если подсчитать двойной логарифм для каждого значения вязкости, то для двух состояний шлака получатся две прямые, пересекающиеся в точке, соответствующей температуре начала кристаллизации. H.В. Рулла обнаружил хорошее совпадение своих исследований, обработанных исчислением двойного логарифма, с данными Ренкина.
И.П. Семик показал, что по кривой η—t можно найти ту температуру, при которой шлаки становятся практически нетекучими. Так, для «короткого» шлака состава 1 на рис. 101 эта температура находится в интервале 1440—1480°. Для длинных же коксовых и древесноугольных шлаков предлагается принимать за температуру плавления ту, при которой вязкость достигает 25 пуаз, поскольку более высокая вязкость свидетельствует уже о нетекучести шлака.
Температуры, при которых шлак начинает действительно течь, исследователи пытались установить при непосредственном определении температур образования капель шлака вместо измерения его вязкости. Эта попытка объясняется тем, что иногда трудно установить то значение вязкости, при котором шлак действительно начинает течь. Температура же, при которой шлак начинает капать, или та, при которой первые капли отделяются от жидкой массы, технически более четко определяет начало подвижности шлака.
Определения температур каплеобразования шлаков проводил М.Я. Остроухов. Он показал, что представление о подвижности шлаков, создаваемое совместным рассмотрением диаграмм плавкости и вязкости, правильно. Так, для эвтектического состава с температурой плавления 1165°, но приобретающего достаточную подвижность лишь при 1600°, образование первых капель начинается при температуре выше 1450°. Смесь, содержащая 6,75% Al2O3 с температурой плавления по Ренкину 1450°, начинала оплавляться при 1400°, но при 1420° не давала еще падающей капли. Всякое повышение содержания CaO в шлаке повышает температуру каплеобразования. Далее исследовалось влияние на температуру каплеобразования MgO, Fe2O3, FeO, MnO, причем было найдено, что эти составляющие понижают температуру каплеобразования, как и температуру плавления и вязкость шлака.
Таким образом, независимо от способа определения плавкости шлаков, оказывается, что величина эта связана с вязкостью и изменяется аналогично последней.
Однако иногда указанной аналогии может и не быть. Имеются случаи, когда при высокой температуре плавления вязкость низкая, и наоборот. Ряд наблюдений в этом направлении недавно опубликован П.П. Козакевичем.

Вязкость шлаков разного состава при различной температуре исследовалась многими учеными, и в настоящее время хорошо известен характер изменения величины вязкости шлаков в зависимости от их состава и температуры.
Известно, что при одинаковых температурах вязкость шлака снижается, если увеличить содержание FeO, Na2О, MnO, CaF (до 3%). CaO (до 6—11%). и повышается, если увеличить содержание (SiO2, Al2O3, MgO, CaO (выше 10—11%). При содержании 10% ВаО вязкость наивысшая, при увеличении ее содержания до 20% значительно снижается; присутствие ВаО делает шлаки короткими.
Вязкость вытекающего из печи шлака оценивается двумя моментами: во-первых, температурой начала жидкотекучести шлаков, или так называемой температурой каплепадения шлаков, когда шлак размягчается настолько, что может оторваться под влиянием силы тяжести, и, во-вторых, характером изменения вязкости с температурой.
Уже было отмечено, что снижение вязкости при повышении температуры происходит по более или менее крутой кривой (см. рис. 2). Чем круче кривая, тем короче шлак, тем выше его жидкоплавкость при одной и той же степени перегрева.
Наиболее длинные шлаки — с высоким содержанием кремнезема, фосфорного ангидрида и окиси натрия (см. кривые 5, 7. 8, 9 рис. 2). Наиболее короткие шлаки — основные, с высоким содержанием закиси железа и особенно окисей кальция и магния (см. кривые 2, 3, 4. 10).
Поскольку величина вязкости сказывается на скорости коалесценции мелких частиц штейна и оседания этих частиц, естественно ожидать получения более бедных шлаков при снижении их вязкости. Однако оказалось, что те рекомендации, которые вытекали из сравнения величины вязкости шлаков разного состава при средних температурах плавки, не оправдались. Это видно хотя бы из сопоставления влияния состава шлаков на вязкость (см. рис. 2) и на содержание металлов (см. рис. 5—12). Действительно, повышение содержания кремнезема увеличивает вязкость шлаков, но снижает содержание в них меди, никеля и кобальта. Например, Карсакпайский медеплавильный завод работает на очень вязких шлаках отражательной плавки, содержащих более 50% кремнезема, и получает шлаки беднее, чем на других заводах. Повышение содержания закиси железа снижает вязкость, но резко увеличивает потери металлов. Некоторые никелевые заводы работают на шлаках, содержащих 15—20% окиси магния, и получают бедные по никелю шлаки.
Все эти наблюдения заставили многих металлургов отказаться от мысли о непосредственной связи потерь металлов с величиной вязкости шлаков. Так, Ф.М. Лоскутов указывает, что «для снижения потерь меди в шлаках нужно не столько уменьшение вязкости шлака во время отстаивания, сколько изменение его химического состава в сторону повышения кислотности».
Несоответствие между влиянием состава шлаков на их вязкость и на содержание в них металлов в основном объясняется тем, что степень перегрева шлаков в печах очень мало меняется при одинаковом режиме плавки. Эту степень перегрева, составляющую обычно 150—200°, следует считать от температуры образования шлаков в печи, т. е. от температуры каплепадения первичного шлака, образующегося в зоне плавления шахтной, отражательной или электрической лечи. Этим объясняется более высокая температура, с которой из печи вытекают тугоплавкие, например магнезиальные, шлаки.
Поэтому и не удается достичь произвольного изменения температуры и вязкости шлаков, вытекающих из печи, без соответствующего изменения их состава.
Если по кривой зависимости вязкости шлаков от температуры откладывать постоянную разницу температур в 150—200° от тон температуры, при которой шлак достигает подвижности, достаточной для каплепадения (80—100 пуазов), то станет ясно, что короткие, например магнезиальные, шлаки окажутся более горячими и жидкими, чем более длинные.
Делались попытки снизить вязкость различных шлаков добавкой в плавку натриевых солей, фосфатов или плавикового шпата. Эти попытки не могли дать положительного эффекта, так как при этом получались легкоплавкие и длинные шлаки; температура, с которой они вытекали из печи была низкой и фактически вязкость таких шлаков повышалась, и от таких добавок отказывались.

Современные трубопроводы используются для транспортировки самых разнообразных веществ. Это не только вода, сточные воды, газ или нефть.

Оборудование, которое впервые появилось в Союзе в 39 году прошлого столетия. Это были небольшие мобильные заправки, которые использовались для заправки газом бытовых.

В строительстве, реставрации, облицовке и утеплении зданий пользуются строительными лесами.

Покупка столешницы из натурального мрамора на кухню – довольно ответственный шаг, так как стоимость таких изделий достаточно высока. Перед тем, как заказать столешницу.

На протяжении последних лет фотографии переживает второе рождение. Многие пользователи поняли, что снимок, распечатанный на домашнем принтере, далек от идеала.

Газо-плазменный станок с ЧПУ – это сложная конструкционная система, позволяющая осуществлять обработку металлических заготовок с точными преднастройками.

Токарные станки являются востребованным оборудованием на предприятиях самого различного направления, включая сталелитейные, машиностроительные, текстильные.

Любые современные строения, инсталляции, малые архитектурные формы в большинстве основаны на металлоконструкциях. Это не всегда относится к беседкам, МАФам и другим.

Физические свойства шлака

Плотность шлака зависит от плотности составляющих его компонентов. Ниже приведены значения плотности некоторых оксидов при комнатной температуре.

Плотность шлака прежде всего определяется содержанием тяжелых оксидов: FeO, Fe₂O₃ и MnO. Зависимость плотности твердого шлака от суммы указанных оксидов приведена на рисунке 4, из которого видно, что даже при высоком содержании тяжелых оксидов плотность шлака примерно в два раза меньше плотности металла.

Плотность жидких шлаков зависит как от состава, так и температуры. С повышением температуры от 1400 до 1700° С плотность основного шлака, содержащего ∼25% тяжелых оксидов, уменьшается от 3,14 до 2,77 г/см 3 , т. е. примерно на 0,12 г/см 3 при повышении температуры на 100° С.

Поверхностное и межфазное натяжение

Между частицами жидкости действуют силы сцепления. Частицы внутренних слоев жидкости окружены со всех сторон такими же частицами, и, следовательно, силы притяжения, действующие на данную частицу с разных сторон, взаимно уравновешиваются (рис. 5, а). В поверхностном слое действуют силы притяжения со стороны внутренних слоев жидкости и со стороны среды, граничащей с поверхностным слоем, которые в общем случае не уравновешиваются.

В связи с отмеченными особенностями поверхностных частиц для увеличения поверхности раздела между фазами требуется затратить некоторую работу. Эту работу, отнесенную к 1 см 2 поверхности, называют поверхностным натяжением и обозначают σ. Размерность σ — МДж/м 2 (эрг/см 2 ). Иногда поверхностное натяжение выражают как силу на единицу длины (дин/см). Численные значения поверхностного натяжения, выраженного в эрг/см 2 и дин/см, совпадают. Если рассматриваются поверхностные явления на границе раздела двух конденсированных фаз, например шлак — металл, то пользуются термином «межфазное натяжение».

Примеси, присутствующие в жидкости, по-разному ведут себя на поверхностях раздела. Если сила связи частиц примеси с частицами растворителя невелика, то частицы примеси выталкиваются на поверхность, уменьшают силы сцепления между поверхностными частицами и уменьшают таким образом поверхностное (межфазное) натяжение (рис. 5, б). Такие примеси называются поверхностно активными веществами и их концентрация в поверхностном слое будет больше, чем в объеме. Вместе с тем, если частицы примеси имеют с частицами растворителя большие силы взаимодействия, чем частицы растворителя между собой, то концентрация этих примесей в поверхностном слое будет меньше, чем в объеме (рис. 5, в). Такие вещества называются поверхностно инактивными.

Поверхностное натяжение жидкого основного и кислого шлаков на границе с газовой фазой составляет соответственно 500—600 и 300—400 эрг/см 2 (0,5—0,6 и 0,3—0,4 мДж/см 2 ). При увеличении в основном шлаке таких оксидов, как MnO, SiO₂, P₂O₅, TiO₂, V₂O₅, FeO, Cr₂O₃, значение σ уменьшается, т. е. эти оксиды являются по отношению к основному шлаку поверхностно активными. Увеличение содержания CaO, MgO и Al₂O₃ в основном шлаке приводит к повышению поверхностного натяжения, в данном случае эти оксиды являются поверхностно инактивными.

Межфазное натяжение на границе железо — шлак из CaO, Al₂O₃ и SiO₂ составляет 1—1,1 мДж/см 2 (1000— 1100 эрг/см 2 ). Увеличение содержания CaO и Al₂O₃ в шлаке повышает межфазное натяжение, а FeO, MnO и Na₂O являются и в этом случае поверхностно активными оксидами и снижают межфазное натяжение.

Температура плавления

Главными компонентами сталеплавильного шлака являются CaO, FeO, SiO₂, Al₂O₃. Температура плавления этих оксидов приведена ниже:

Температура плавления двойных и вообще многокомпонентных оксидных систем, как правило, ниже температуры плавления самого тугоплавкого из оксидов. Например, в расплаве, состоящем из CaO, Al₂O₃ и SiO₂, имеется большая область с температурой плавления

Температура жидкой сталеплавильной ванны в процессе плавки колеблется в пределах 1450—1700° С, что ниже температуры плавления большинства приведенных оксидов. Для того чтобы процессы между шлаком и металлом проходили достаточно быстро, температура шлака должна быть на 100—200° С выше температуры его плавления. Соответствующим подбором содержания компонентов шлака достигается получение необходимой температуры плавления шлака.

Вязкость и жидкотекучесть шлака

Одним из основных факторов, определяющих скорость физико-химических процессов с участием шлака, является его вязкость. Вязкостью называется внутреннее трение, которое возникает между отдельными слоями жидкости, когда эти слои перемещаются с различными скоростями. За единицу вязкости принимают Па·с (паскаль·секунда, размерность Н·с/м 2 ), или пуаз (П, размерность г·см -1 ·с -1 ). Величину, обратную вязкости (Ф = 1/η), называют жидкотекучестью.

Вязкость жидкости зависит от ее природы, состава и температуры. Для сравнения ниже приведена вязкость некоторых веществ:

Вязкость жидкого шлака составляет ∼0,02 Па·с (0,2 П), густого шлака ~0,2 Па·с (2 П) и выше. С повышением температуры вязкость шлаков уменьшается, а жидкотекучесть возрастает (рис. 6).

Вязкость сталеплавильного основного шлака в значительной степени зависит от присутствия в нем твердых частиц, какими чаще всего могут быть частицы магнезии и оксидов хрома при их содержании выше соответственно 12—15 и 6—8%. Вязкость основных шлаков, содержащих 10—20% SiO₂, 40—50% CaO и 8—15% FeO, возрастает при 1600° С от 0,02 до 0,25 Па·с (от 0,2 до 2,5 П) при увеличении содержания MgO с 6—8 до 15—20%. Вязкость как основных, так и кислых шлаков понижают компоненты, обеспечивающие разрушение крупных ионов, например кремнекислородных комплексов, и устойчивое существование ионов малого размера. Для
основных шлаков в качестве разжижающих добавок служат Al₂O₃ и CaF₂. Так, вязкость известково-глиноземистого шлака, содержащего 50% CaO и 50% Al₂O₃ при 1600° С, составляет 0,23 Па·с (2,3 П), а при добавлении ~8% CaF₂ снижается до 0,11 Па·с (1,1 П).

Действие плавикового шпата на шлак является кратковременным вследствие разложения CaF₂ водяными парами по реакции CaF₂+2H₂O = Ca(OH)₂+2HF↑ и улетучивания фтористого водорода.

В заводских условиях жидкотекучесть шлака иногда контролируют при помощи вискозиметра Герти, представляющего собой разъемную металлическую форму (рис. 7). При сборке вискозиметра штыри одной половины формы входят в гнезда другой. Шлак, отобранный ложкой из печи, заливают в приемную воронку вискозиметра. Мерой жидкотекучести шлака является длина его натекания в канал диаметром 6,4 мм, т. е. в этом случае определяют относительную жидкотекучесть шлака. Для оценки полученных результатов необходимо, чтобы условия отбора проб шлака и заливки его в вискозиметр были одинаковыми.

Главным фактором, определяющим относительную жидкотекучесть шлака, является его основность: с повышением основности жидкотекучесть шлака уменьшается (рис. 8).

Вязкость шлака в значительной степени определяет скорость диффузии примесей в нем; с повышением вязкости уменьшается скорость диффузии. Поэтому компоненты шлака, увеличивающие его вязкость, одновременно снижают скорость диффузии примесей. Скорость диффузии примесей в шлаке примерно в десять раз меньше, чем в металле. Для обеспечения необходимой скорости процессов по ходу плавки присаживают различные флюсы, снижающие вязкость шлака.

Электропроводность и энтальпия шлака

Шлаки являются проводниками второго рода и их электропроводность возрастает с повышением температуры. Одновременно электропроводность шлака зависит от вида и числа ионов. Ионы Fe 2+ и Mn 2+ очень подвижны и с повышением их содержания в шлаке возрастает его электропроводность, Например, электропроводность шлака, содержащего 45% CaO, 42% Al₂O₃ и 13% FeO при температуре 1100 и 1400° С, составляет соответственно 0,106 и 0,266 1/(Ом·см), а шлака состава 42% CaO, 27% SiO₂ и 31% FeO при тех же температурах 0,11 и 0,86 1/(Ом·см).

Электропроводность шлаков, состоящих из CaO, Al₂O₃ и CaF₂, возрастает с повышением содержания CaF₂.

Расход тепла на нагрев шлака определяется по уравнению

q = 1,17t + 209 кДж/кг (q = 0,28t + 50 ккал/Кг),

где 1,17(0,28)—средняя теплоемкость шлака, кДж/(°С·кг) (ккал/(°С·кг);

209 (50) — теплота плавления шлака, кДж/кг (ккал/кг);

t — температура, °С.

Энтальпия шлака при 1600° С составляет 2085 кДж/кг (498 ккал/кг) [для стали 1465 кДж/кг (350 ккал/кг) ].

Некоторые основные шлаки подвержены силикатному распаду при остывании, связанному с изменением модификаций 2CaO·SiO₂, имеющих различный удельный объем. Самоизмельчаются также карбидные шлаки в связи с взаимодействием карбида кальция и паров воды.

Читайте также: