Физические свойства шлака

Плотность шлака

В процессе выплавки стали непре­рывно взаимодействуют две жидкие фазы — металл и шлак. Однако после получения заданного химического состава металла необходимо обеспечить максимальное удаление шлаковой фазы из металла. Подобное отделе­ние основано преимущественно на разности плотности металла и шлака. Плотность твердого железа равна 7,86 г/см³, твердой стали в зависимости от ее состава 6,8-8,2 г/см³, а плотность жидкой стали колеблется в пределах 6,5—7 г/см³.

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/см³, т. е. примерно на 0,12 г/см³ 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 см² поверхности, называют поверхност­ным натяжением и обозначают σ. Размерность σ — МДж/м² (эрг/см²). Иногда поверхностное натяжение выражают как силу на единицу длины (дин/см). Числен­ные значения поверхностного натяжения, выраженного в эрг/см² 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/см² (0,5—0,6 и 0,3—0,4 мДж/см²). 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/см² (1000— 1100 эрг/см²). 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 <1400° С.

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/м²), 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 Fe²⁺ и Mn²⁺ 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.