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.