12(1). Металлические и шлаковые расплавы металлургических систем, их характеристики и физико-химические свойства

Расплавленные металлы обладают комплексом свойств, с одной стороны, сходных со свойствами неметаллических жидкостей, а с другой – со свойствами твердых металлов. Характерными отличительными признаками металлических расплавов от всех остальных жидкостей являются: высокие электрические и гальваномагнитные свойства, высокая плотность в размещении частиц (ионов); при этом удельный объем металлической жидкости в точке плавления не превышает удельный объем кристалла более чем на 2-6%, т.е. при плавлении кристалла расстояния между составляющими его частицами изменяются незначительно.

Свойства жидкости, которые зависят от изменения ее структуры, называют структурно-чувствительными. К их числу прежде всего относят плотность, вязкость, поверхностное натяжение, электрическую проводимость, теплопроводность, скорость распространения звука и др.

Плотность является одним из важнейших структурно-чувствительных свойств и определяется выражением p=1/V_уд, где V_уд – удельный объем жидкого (или твердого) металла. В большинстве исследований отмечен линейный (без перегибов) характер изменения плотности жидких металлов от температуры.

Существует зависимость между типом кристаллической решетки металла и изменением плотности при плавлении. Металлы, обладающие плотными кристаллическими решетками, плавятся с увеличением объема, понижением плотности. Металлы, имеющие «рыхлые» кристаллические решетки плавятся с увеличением плотности и уменьшением удельного объема.

Вязкость характеризует свойство текучих тел оказывать сопротивление необратимому перемещению одной их части относительно другой при сдвиге, растяжении или других видах деформации. Примеси, особенно неметаллические включения, заметно увеличивают вязкость.

При ведении плавки в ванну обычно добав­ляют различные флюсы и добавочные материалы. В результате образуется неметаллическая фаза, называемая шлаком.

Жидкие расплавленные шлаки в металлургическом агрегате характеризуются наличием между составляющими шлака и ковалентной, и ионной связи. Преобладающей считается ионная связь.

Таким образом, сталеплавильные шлаки обычно имеют в своем составе такие катионы, как Fe²⁺, Mn²⁺, Са²⁺, Mg²⁺, Сг²⁺, и такие анионы, как S^2-, О^2- и т. п. Кроме того, в шлаке могут быть и сложные комплексы, близ­кие к составам таких соединений, как (CaO)₄-SiO₂ и др. Те данные, которые сталевар получает после анализа пробы шлака, далеко не полностью отражают истин­ную картину того, что находится непосредственно в печи.

Шлаки, в которых преобладают основные окислы (CaO, MgO, MnO, FeO), называют основными шлаками, а шлаки, в которых преобладают кислотные окислы (Si02, Р2О6) — кислыми шлаками. В зависимости от характера шлаков и процессы называют основными или кислыми (например, основной мартеновский процесс, кислый мар­теновский процесс).

Кроме основности шлака, другой важной его характеристикой является величина, называемая «окисленностью» шлака. Эта вели­чина характеризует способность шлака окислять металл и его при­меси. В качестве меры окисленности обычно принимают или содер­жание (в%) в шлаке FeO, или содержащуюся в нем сумму FeO + 4Fe₂O₃, или содержание в шлаке железа.

Помимо химического состава, важнейшей характеристикой шлака является его вязкость, которая обычно значительно выше вязкости стали.

Увеличение степени перегрева над температурой плавления повы­шает жидкотекучесть шлаков. С помощью диаграмм состояния можно определить пути снижения температуры плавления реальных шлаков. Обычно для разжижения основных шлаков используют добавки, пла­викового шпата, в не­которых случаях песка; для «сгущения» основных шлаков используют добавки извести (СаО), иногда — магнезита (MgO). Наоборот, добавки песка (SiO2) «сгущают» кислые шлаки, а добавки извести их разжижают.

Роль шлака в сталеплавильном производстве чрезвычайно ве­лика. Удаление, например, из металла таких вредных примесей, как сера и фосфор, заключается в переводе этих элементов в шлак и создании условий, препятствующих их обратному переходу из шлака в металл. Изменяя состав шлака, его количество и темпера­туру, можно добиться увеличения или уменьшения содержания в металле марганца, кремния, хрома и других элементов. Поэтому во многих случаях задача сталеплавильщика заключается в получе­нии шлака необходимой консистенции и химического состава.