§ 6. Зависимость вязкости жидкостей от температуры, как указывалось выше, описывается уравнением я. И. Френкеля

где А — постоянная величина; Е — энергия активации вязкого течения.

По экспериментальным данным установлено, что температурная зависимость вязкости простых недиссоциированных жидкостей подчиняется экспоненциальному закону. Отклонение от этой закономерности наблюдается у ассоциированных жидкостей, к числу которых относятся металлургические шлаки.

Так как металлургические шлаки являются в основном силикатными системами, то для получения представлений об их структуре целесообразно рассмотреть кристаллические решетки твердых силикатов. Все модификации SіО₂ построены из кремнекислородных тетраэдров, в которых атомы кремния занимают центральное положение, а атомы кислорода, окружающие атом кремния, располагаются в вершинах тетраэдров.

Вязкость жидкоcтей расплавленных металлов и шлаков определяется при помощи приборов, называемых вискозиметрами. Наибольшее распространение получили вискозиметры торсионные, ротационные и вибрационные.

Понятие вязкости обычно относят к гомогенным жидкостям. Вязкость шлаков является действительной вязкостью только при температурах выше температуры начала их кристаллизации. При температурах между линиями ликвидуса и солидуса шлаки, хотя и находятся в подвижном состоянии, представляют собой гетерогенную систему. Замеряемая вязкость в таких температурных интервалах — кажущаяся.

При изготовлении углеродистых и легированных сталей ответственного назначения шлаки применяются для особо глубокой десульфурации, раскисления и удаления неметаллических включений. К таким шлакам относятся известково-глиноземистые синтетические (предназначаемые для внепечной обработки металла, т.е. в ковшах); шлаки для электрошлакового переплава; шлаки, образующиеся при сгорании экзотермических смесей и др. Эффективность действия указанных шлаков определяется их химическим составом и вязкостью при соответствующих температурах.

Вязкость основных шлаков понижают такие компоненты, как А1₂О₃, Р₂О₅, и особенно СаF₂.

Вязкость кислых шлаков понижается с увеличением концентрации основных окислов FеО, МпО, СаО и МgО.

Kак показали результаты исследований, наиболее значительное повышение температуры плавления конвертерного шлака , связано с появлением двухкальциевого силиката 2СаО-SіО₂.

После определения вязкости проб шлака наблюдалось значительное уменьшение содержания в них СаF₂, что свидетельствует oб улетучивании значительной части фтора и, следовательно, о кратковременности разжижающего действия СаF₂. Исходя из этого плавиковый шпат следует вводить в конвертер небольшими порциями по ходу плавки.

§ 7. Вспенивание жидкостей также связано с поверхностными явлениями. При вспенивании основных мартеновских шлаков ухудшается передача тепла и кислорода из атмосферы печи, замедляются физико-химические процессы взаимодействия металла и шлака, повышается температура свода в результате перегрева шлака с поверхности и увеличивается уровень шлака в печи.

На основании исследований, проведенных при низких температурах с различными веществами, установлено, что вспениваемость жидкостей обусловлена низким поверхностным натяжением на границе жидкость — газ при наличии прочных адсорбционных пленок. Пена представляет собой дисперсную систему, состоящую из заполненных газом ячеек, разделенных между собой пленками жидкости. Она является неустойчивой системой, так как обладает большим запасом поверхностной энергии на границе фаз жидкость — газ. При пенообразовании значительно увеличивается поверхность, чему способствует малое поверхностное натяжение жидкости на границе с газом.

Для образования устойчивой пены низкое поверхностное натяжение на границе жидкость — газ необходимое, но недостаточное условие. Большое значение имеет механическая прочность поверхностных пленок и способность их претерпевать без разрушения значительные деформации. Вещества, добавляемые в небольших количествах в систему, способствующие возникновению на границе раздела фаз адсорбционных слоев и препятствующие слиянию пузырьков газа, относятся к стабилизаторам.

Химический состав шлака оказывает большое влияние на поверхностное натяжение. С повышением концентрации закиси железа поверхностное натяжение интенсивно снижается, а плотность повышается от 2700 до 4800 кг/м³.

Ниже приведены данные о плотности и цвете основных составляющих металлургических шлаков:

Oкисел	Цвет	Плотность, кг/м3
СаО	Белый	3400
Al2O3	То же	3970
SiO2	То же	2200
MgO	То же	3650
MnO	Зеленый	5180
FeO	Черный	5700

Т а б л и ц а 2.

Влияние отдельных компонентов шлака на пенообразование при поверхностном кипении мартеновской ванны

Наименование	Компоненты шлака
	FeO + Fe2O3	Cr2O3	WO3	V2O5	P2O5	SiO2	MnO	CaO	MgO	Al2O3	CaF3
Пенообразователи шлака	+	+	+	+
Поверхностно-активные компоненты на границе шлак-газ	+	+	+	+	+
Поверхностно - инактивные компоненты на границе шлак-газ								+	+	+	+

Таблица 3. Поверхностное натяжение железа на границе с окисной фазой, содержащей FеО, при температуре 1560°С

Состав шлака, %						Плотность шлака кг/м3	Межфазное Натяжение мДж/м3
FeO	Fe2O3	СаО	SiO2	MgO	Al2O3
	0,03	58,5	29,2	5,9	2,5	2700	1060
	0,4	52,3	28,6	6,3	2,5	2780	860
	0,9	52,4	30,1	7,4	2,5	2810	750
	1,6	48,2	26,1	8,6	6,0	2860	710
	2,1	40,9	28,8	12,4	2,5	2930	620
	2,0	42,6	28,0	9,4	2,0	3000	590
	3,3	32,0	26,5	13,0	2,5	3100	560
	4,3	29,5	29,4	11,5	1,1	3230	490
37,2	8,0	12,0	21,3	17,3	3,2	3600	440
47,5	2,4	1,5	18,0	21,5	2,0	3670	390
56,1	6,0	1,0	16,9	18,3	1,4	3720	370
59,2	7,1	0,9	15,5	14,4	1,5	3800	360
62,9	5,6	2,1	12,4	12,5	1,2	3810	360
68,6	4,3	-	17,9	9,2	-	3900	260
85,5	9,2	2,3	0,5	3,4	-	4800	180

Конечные шлаки доменного и электросталеплавильного процессов при незначительном содержании закиси железа

(0,3—0,8%) имеют белый цвет. Черный цвет шлаков кислородно-конвертерного и мартеновского процессов обусловлен высоким содержанием окислов железа (10—20%). Шлаки с повышенным содержанием МnО имеют зеленоватый цвет.

Отрицательное влияние высокожелезистых шлаков заключается в том, что под влиянием окислов железа резко снижается поверхностное натяжение на границе металл — шлак. Шлаковые расплавы обладают электропроводностью. В общем виде электропроводность вещества определяется произведением числа носителей заряда на их подвижность:

æ = neλ

где n — число носителей заряда; е — заряд электрона;

λ — подвижность.

Изучение электропроводности жидких силикатов подтверждает ионную природу силикатных расплавов. В зависимости от состава абсолютная величина электропроводности металлургических шлаков колеблется в пределах от 0,1 до 10 Ом/см. С увеличением кислотности электропроводность шлаков понижается и повышается с ростом содержания в них основных окислов. Носителями зарядов в железистых шлаках являются как ионы, так и электроны проводимости, а также дырки. Таким образом, общая величина удельной электропроводности составит

æ = æ_n + æ_э

где æ_n — ионная проводимость; æ_э— электронно-дырочная проводимость.

С повышением температуры электропроводность шлаковых расплавов увеличивается. Зависимость электропроводности жидкостей подчиняется экспоненциальному закону

æ =

где А_n — коэффициент пропорциональности; æ — удельная злектро-проводность; K — постоянная Больцмана; Е_а — энергия активации электропроводности.

Расплавленные, а в определенных случаях и твердые шлаки могут служить электролитами в гальванических элементах. На свойствах шлаков как ионных проводников или проводников второго ряда основаны электрошлаковый переплав и обычный сталеплавильный процесс в дуговых печах.

8. При растворении извести и других флюсующих материалов в шлаковой фазе на границе растворяющийся материал — шлаковая фаза возникает диффузионный пограничный слой, через который протекает молекулярная диффузия.

Раннее получение активного шлака в сталеплавильных процессах — одна из важных технологических задач. В основном сталеплавильном процессе сдерживающей стадией шлакообразования является растворение извести в шлаковом расплаве. Ускорению растворения извести в шлаке способствуют его компоненты FеО и МnО. При высоких температурах этот процесс начинается с образования твердых растворов путем замещения в решетке СаО части ионов Са²⁺ ионами Fе²+ и Мn²+. С повышением концентрации ионов Fе²+ и Мп²⁺ в твердом растворе постепенно снижается температура плавления и наружные слои извести начинают оплавляться. Активное растворяющее действие окислов железа и марганца на известь обусловлено также и тем, что с увеличением содержания FеО и МnО существенно улучшается смачивание кусков извести шлаком, в результате чего усиливается проникновение шлака в поры и трещины кусочков извести.

Растворение извести в шлаке можно рассматривать как про-цесс, состоящий из двух этапов:

- На первом этапе (проникновение и диффузия жидкой фазы в массу куска извести) увеличивается поверхность соприкосновения обеих фаз и понижается температура плавления извести в результате образования твердых растворов и химических соединений. На втором этапе растворяется поверхностный слой извести в шлаке, и растворенная окись кальция отводитcя в объем жидкого шлака путем диффузии.

Kинетика растворения извести в значительной мере определяет десульфурацию металлической ванны в сталеплавильных процессах, при этом немаловажное значение имеет качество извести. Последнее обычно оценивалось только по химическому и гранулометрическому составам (% СаО_общ, размер кусков). Вместе с тем из опытных данных следует, что при одних и тех же высоком содержании СаО_общ и гранулометрическом составе скорость растворения извести в шлаке может быть различной.

Главную роль при растворении играет реакционная способность извести, связанная с ее кристаллической структурой и определяемая количеством молекул, находящихся в активном состоянии.

Реакционная способность извести зависит от ее пористости, числа активных молекул СаО и характеризуется скоростью гашения: чем быстрее она гасится, тем выше реакционная способность.

Мягкообожженная известь, полученная в печи кипящего слоя, имеет большое количество мелких пор. Наличие последних облегчает диффузию легкоплавких компонентов шлака в глубинные слой куска извести и тем самым ускоряет аcсимиляцию ее шлаком.

Одним из основных направлений ускорения шлакообразования в металлургических процеосах является применение шлакообразующих материалов, в частиости комплексных флюсов. Особенность комплексных флюсов — наличие в их составе химических соединений СаО с окислами железа.

Растворению частиц извести в жидком шлаке предшествует смачивание и пропитывание их шлаковым расплавом, при этом скорость указанных стадий процесса в конечном итоге оказывает влияние на скорость растворения извести. Глубина проникновения шлака в поры извести δ определяется из уравнения

а линейная скорость

где — поверхностное натяжение шлака на границе с газом; — радиус поры; — время.

Результаты исследований смачиваемости извести и флюса промышленными шлаками показали, что по внешнему виду флюс представлял куски извести, покрытые оболочкой химических соединений с окислами железа. Такой флюс получался при совместном обжиге известняка и прокатной окалины. Опыты по определению краевых углов смачивания проводились на лабораторной установке при температуре 1400—1450°С. Шлаки для опытов отбирали из промышленного конвертера. Подложки изготовлялись из мягкообожженной извести и комплексного флюса. Процесс смачивания снимали кинокамерой со скоростью 24 кадра в секунду.

Исследованиями установлено, что подложки из комплексного флюса смачиваются лучше, чем известью. Это обусловлено более близким сходством структур шлака и оболочки флюса. С повышением содержания в шлаках Fе₂О₃, FеО, МnО смачиваемость извести и комплексного флюса улучшается, причем различие в смачиваемости этих материалов менее выражено.

Рис. 1. Tройная диаграмма

(СаО +МnО)—SіО₂—(FеО + Fе₂О₃) изменения состава шлака в период продувки в кислородном конвертере.

Глоссарии

Шлак – металлургический, расплав (после затвердевания — камневидное или стекловидное вещество), обычно покрывающий поверхность жидкого металла при металлургических процессах — плавке сырья, обработке расплавленных промежуточных продуктов и рафинировании металлов. Представляет собой сплав окислов переменного состава; главные компоненты 

Вязкость (внутреннее трение) — одно из явлений переноса, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Механизм внутреннего трения в жидкостях и газах заключается в том, что хаотически движущиеся молекулы переносят импульс из одного слоя в другой, что приводит к выравниванию скоростей — это описывается введением силы трения. Вязкость твёрдых тел обладает рядом специфических особенностей и рассматривается обычно отдельно.

Основность шлака – это отношение основных оксидов к кислым оксидам.

Кислотность – это отношение кислых шлаков к основным оксидам.

Ион — одноатомная или многоатомная электрически заряженная частица, образующаяся в результате потери или присоединения атомом или молекулой одного или нескольких электронов. Ионизация (процесс образования ионов) может происходить при высоких температурах, под воздействием электрического поля.

Блиц – тест

Что такое гетерогенный процесс? Гетерогенный процесс – это процесс, протекающий в системах:

Неоднородных, многофазных Однородных, многофазных Однородных химических, многофазных Неоднородных химических и однородных физических Неоднородных физических и однородных химических