Етоды контроля состава и свойств шлака.
Наиболее распространенным методом контроля шлака является отбор шлака специальной пробной ложкой с последующим химическим или спектральным анализом. Обычно контролируют содержание FeO и MnO в шлаке. Кроме того, в тех случаях, когда этотребуется, определяется также содержание SiO2, CaO, MgO и т.п.
Широкое распространение получил также метод контроля шлака по внешнему виду поверхности и характеру излома шлаковых лепешек. Степень подвижности или обратная ей величина – вязкость шлака – играют большую роль в процессах взаимодействия шлака и металла, особенно в тех случаях, когда скорость всего процесса определяется скоростью диффузии.
Чем меньше вязкость шлака, тем интенсивнее идет диффузия. Следует иметь в виду, что вязкость шлака обычно в несколько раз выше, чем вязкость стали. Так, при температуре около 16000С вязкость стали в зависимости от состава колеблется в пределах 0,002-0,006 П, в то время как вязкость даже весьма жидких шлаков составляет не менее 0,02 П. Вязкость шлака определяют в лабораторных условиях на специальных установках. В заводских условиях при проведении исследований определяют жидкотекучесть шлака.
Измерение вязкости шлаков. В лабораторных условиях применяются вискозиметры ротационные (вращение в жидком шлаке коаксиальных цилиндров) или работающие по принципу затухающих колебаний.
Для текущего контроля текучести шлака (величины, обратной вязкости) применяют более простые методы измерений.
«Вискозиметр» Герти (рис. 3.14, а) – разъемный на две части стальной брусок с воронкой и горизонтальным каналом длиной 250...300 
и диаметром 6,4...9,0 . В воронку быстро заливают жидкий шлак. Длина затекшей и застывшей в канале струи шлака 
характеризует жидкоподвижность шлака.
| Жидкотекучесть шлака |  при  |
| пониженная (густой шлак)………. | 0…50 |
| нормальная………………………… | 100…150 |
| повышенная……………………….. | 180 и более |
1 – тигель с отверстием 9 мм; 2 – шайба для определения глубины погружения стакана; 3 – трубка для выхода воздуха; 4 – стакан
Рисунок 3.14 — Приборы для измерения текучести жидкого шлака.
Этот метод недостаточно точно характеризует текучесть шлака, так как длина пробега шлака в канале зависит от скорости кристаллизации, связанной с интервалом температур ликвидуса и солидуса шлака. Кроме того, на показания прибора влияет метод отбора проб шлака из печи (место отбора, прогрев ложки, быстрота слива шлака в воронку прибора).
Предложенный [27] «вискозиметр погружения» (рис. 3.14, б) дает более точные результаты. Прибор погружают на 10 
в шлак до уровня шайбы (этим создается постоянный напор жидкого шлака). Перед погружением, прибор прогревают в пламени также в течение 10 . Жидкотекучесть шлака характеризуется затекшей его массой в стакан ( 
) через отверстие тигелька постоянного диаметра.
В отличие от прибора Герти, где длина пробега шлака зависит от скорости кристаллизации, в этом приборе шлак сохраняет жидкое состояние при прохождении через калиброванное отверстие и скорость протекания шлака зависит исключительно от его вязкости. Примерные значения текучести шлака при диаметре отверстия в тигельке 9 :
| Шлак…………………… | густой | нормальный | жидкоподвижный |
| Количество, …….. | 50…100 | 150…200 | 250 и более |
Вязкость жидкости определяет скорость диффузии (перемещения частиц растворенного компонента в направлении уменьшения свободной энергии системы). Коэффициент диффузии численно равен количеству растворенного компонента, диффундирующего в единицу времени через единичное поперечное сечение при градиенте концентраций, равном единице, т. е. при изменении концентрации на единицу на каждый метр расстояния.
Коэффициенты диффузии в шлаках ( 
). По формуле Стокса-Эйнштейна
(3.56)
где 
– постоянная Больцмана;
– эффективный радиус частицы, 
;
– динамическая вязкость, 
.
Порядок величины 
для стали ( 
)
При постоянных значениях и 
. (3.57)
Поскольку у шлака на один порядок больше, чем у металла, то в шлаке 
. Для катионов и свободных анионов 
значительно больше, чем для молекул и сложных ионов, имеющих большие размеры .
При перемешивании металла и шлака коэффициенты диффузии в объеме фаз (коэффициенты турбулентной диффузии или эффективные коэффициенты диффузии 
увеличиваются на 7–8 порядков и составляют в металле 
, а в шлаке 
. Однако коэффициенты молекулярной диффузии тоже имеют огромное значение, так как влияют на скорость массопереноса через неподвижные пограничные слои на границах раздела фаз (шлак–металл, шлак–твердая известь, жидкий металл–твердый скрап, металл–пузыри и др.).
Поверхностное натяжение шлаков 
. Поверхностное натяжение (сила сжатия, действующая в перпендикулярном направле 
нии на единицу длины контура, ограничивающего поверхность) отражает информацию о межчастичных силах в расплавах и о строении их поверхности. Величина его тем больше, чем сильнее взаимодействие между частицами, поскольку поверхностные частицы в этом случае с большей силой втягиваются в объем расплава, который при этом приобретает наименьшую возможную площадь при данных давлении, температуре и составе. Численно поверхностное натяжение равно поверхностной энергии. В зависимости от состава поверхностное натяжение шлаков на границе с газом 
колеблется в пределах 200...600 
, т.е. она в 3–9 раз меньше, чем у жидкого железа (1800 ).
Поверхностно-активные оксиды (снижающие ): 
; поверхностно-инактивные оксиды (увеличивающие ): 
.
Некоторые авторы (С.И. Сапиро и др.) считают, что поверхностно-активные оксиды способствуют вспениванию шлака, так как они адсорбируются на поверхности пузырьков 
, образуя устойчивые пленки (наподобие «мыльной» пены). Однако это не единственный источник образования пены, зависящий не только от , но и от вязкости шлака и механической прочности пленок.
Согласно правилу Антонова (межфазное натяжение равно разности поверхностных натяжений соприкасающихся фаз) межфазное натяжение металла и шлака всегда меньше поверхностного натяжения металла на границе с газом 
, т.е. 
.
Это правило не всегда выполняется. Исследования С.И. Попеля показали, что некоторые оксиды снижают и одновременно 
. Покажем, что правило Антонова выполняется лишь при полном смачивании металла шлаком.
Снижение в ряде случаев нежелательно, так как характеризует повышенное «прилипание» шлака к металлу (смачивание). Это вызывает повышение потерь металла в виде корольков, а также загрязнение металла неметаллическими включениями. Так, при наличии карбидных шлаков в электроплавке 
(малая величина), металл загрязняется карбидными включениями и необходимо перевести карбидный шлак в «белый» (известково-кремнеземистый) за счет присадок ферросилиция.