Изические свойства шлаков. Методы контроля состава и свойств шлака.

екция №15

Шлаки сталеплавильных процессов.

Физические свойства шлаков

Физические свойства шлаков можно подразделить на статические (активность компонентов, поверхностное натяжение, плотность и т. п.), относящиеся обычно к состоянию термодинамического равновесия, и на динамические (вязкость, теплопроводность, диффузия, электропроводность и т. п.), связанные с нарушением этого равновесия.

Одной из важнейших динамических характеристик шлаковых расплавов является теплопроводность – распространение теплоты от более нагретых объемов тела к менее нагретым.

Одним из основных факторов, определяющих скорость процесса окисления или передачи элементов (серы, водорода, азота и т.д.) из атмосферы печи к металлу, является вязкость.

Теплопроводность шлаков , что на порядок меньше, чем у металла ( ). Следовательно, тепловое сопротивление слоя шлака толщиной примерно такое же, как у слоя металла толщиной .

При перемешивании ванны во время ее кипения и при продувке газами резко возрастает так называемый «виртуальный» коэффициент теплопроводности шлаков (до ), но и при этом он на порядок меньше, чем у кипящего металла.

Теплосодержание (энтальпия) шлака незначительно зависит от его состава. В интервале 1200...1600 °С оно может быть рассчитано по формуле:

. (3.52)

Истинная теплоемкость шлака при данной температуре

. (3.53)

Теплосодержание жидкого железа может быть рассчитано по приближенной формуле

. (3.54)

Из приведенных формул следует, что энтальпия и теплоемкость шлака значительно ниже, чем у железа (при 1600 °С): , , , . С жидким шлаком уносится много теплоты. При количестве шлака 10% массы металла (100 ) шлак уносит 186700 стали, что при коэффициенте использования теплоты топлива в мартеновской печи 30% требует дополнительного расхода теплоты топлива в мартеновской печи около 20% общего расхода.

Плотность шлака колеблется в пределах 2800...3200 . Повышение температуры на 100 °С снижает на 70 . Увеличение и способствует возрастанию , так как и .

Электропроводность шлаков смешанная (ионная и электронная); она составляет 0,001...0,009 , что несоизмеримо меньше, чем у металлов (10^-4) и у электролитов (0,02...0,07), но значительно больше, чем у диэлектриков (10^-10). С увеличением и электропроводность шлака повышается до 0,16 , что связано с увеличением концентрации ионов , и в шлаке. Замена на и (особенно при основности ) приводит к падению электропроводности шлака. На этом основании некоторые авторы (У. Хейнман, Н.М. Чуйко и др.) полагают, что в основном шлаке присутствуют малоподвижные электронейтральные молекулы .

Вязкость (внутреннее трение) расплавов характеризует сопротивление, испытываемое его слоями при движении их относительно друг друга. Причина внутреннего трения заключается в переносе импульсов частицами или группами частиц (единицами вязкого течения), которые под влиянием внешней силы, перемещаясь из слоя, движущегося с большей скоростью, увеличивают скорость более медленно перемещающегося слоя и наоборот.

Динамическая вязкость представляет собой импульс, передаваемый через единицу площади соприкасающихся слоев.

Динамическая вязкость шлаков колеблется в широких пределах (0,01...0,4 ) и служит важнейшим фактором, определяющим скорость всех диффузионных процессов в сталеплавильной ванне.

Коэффициент динамической вязкости численно равен силе , затраченной на перемещение слоя жидкости площадью , относительно другого слоя жидкости, расположенного на расстоянии , со скоростью :

(3.55)

Кинематическая вязкость – частное от деления динамической вязкости на плотность жидкости. Это импульс, передаваемый единицей массы частиц, находящихся в единице объема, через единицу площади соприкасающихся слоев.

Кинематическая вязкость сталеплавильных шлаков колеблется в пределах , что значительно выше, чем у воды ( ) и жидкой стали ( ), но ниже, чем у глицерина ( ) и касторового масла ( ).

Факторы, влияющие на вязкость шлаков. Вязкость гомогенного (физически однородного) шлака непрерывно снижается с ростом его основности . Кислые шлаки, содержащие крупные кислородные анионы, имеют высокую вязкость, так как перемещение крупных комплексов частиц затруднено. Например, анион имеет форму «цепочки»:

…–	–	–	–	–	–	– –…

Такие громоздкие комплексы оказывают большое сопротивление движению жидкости под действием внешних сил. С повышением резко снижается вязкость, так как увеличивается концентрация малых по размерам и подвижных ионов и .

Вязкость гомогенного шлака растет с увеличением основности , что обусловлено повышением количества нерастворенных в шлаке частиц извести. При наличии гетерогенных шлаков повышение неэффективно для удаления из металла серы и фосфора (степень десульфурации и дефосфорации металла оказывается значительно ниже теоретически возможной, которая достигается лишь при наличии гомогенного шлака).

Повышение температуры и присадка раскислителей (боксита, плавикового шпата, окалины) снижают вязкость шлака и увеличивают оптимальный верхний предел его основности, что способствует растворению в шлаке твердых частиц оксидов кальция и магния.

Резкое увеличение вязкости шлака (рис. 3.13) наблюдается при температуре, близкой к точке ликвидуса, когда увеличивается количество микро– и макрокристаллов в шлаке.

– температура ликвидуса; 1 – область гетерогенных шлаков

Рисунок 3.13 — Схема влияния основности (а) и температуры (б)

шлака на его вязкость

Минимальная вязкость шлака обычно обеспечивается при основности . Однако за счет увеличения степени перегрева шлака над линией ликвидуса, достигаемого повышением температуры и добавкой разжижителей, можно получить жидкоподвижные шлаки при основности 3 и выше.