3.3 Физические свойства шлаков

1. Температура плавления шлаков

Т

Рис. 1.

емпература плавления шлаков (шлаки имеют многокомпонентный состав и плавятся в интервале температур, т.е. имеют начало и конец плавления. Здесь и в дальней­шем имеется в виду температура конца плавления шлаков) является их основной физичес­кой характеристикой, определяющей другие важные физико-химичес­кие свойства. Это связано с тем, что в любом сталеплавильном аг­регате в каждый период плавки температура металла и шлака изме­няется в узких пределах, поэтому перегрев шлаков выше температу­ры плавления в основном определяется температурой плавления. Степень перегрева шлака определяет поведение шлака, его физи­ческие свойства (вязкость, электрическую проводимость) и химичес­кую активность (рафинирующее действие на металл, поглощение газов из газовой фазы и т.д.). На температуру плавления шлака может влиять любой его компонент. Однако, как показывают исследования, для обычных окислительных шлаков первостепенное значение имеет изменение содержания SiO₂ (см. рис. 1).

Наиболее легкоплавкие шлаки (tпл = 1200-1300°С) содержат 30-40% SiO₂. Как снижение, так и увеличение содержания SiO₂ в шлаке выше указанных пределов приводит к повышению температуры плав­ления, которая для тугоплавких шлаков до­стигает >1550°С.

Содержание SiO₂ равное 30-40%, обычно наблюдается в начале плавки как в основных, так и в кислых процессах. По ходу плавки в основных процессах содержание SiO₂ снижается, а в кислых процессах повышается, поэтому температура плавления шлаков по ходу плавки обычно повышается.

По ходу плавки наблюдается своего рода авторегулирование температуры плавления сталеплавильных шлаков: в начале плав­ки, когда температура ванны самая низкая, образуются шлаки с минимальной температурой плавления, к концу процесса темпе­ратура ванны и температура плавления шлаков достигают мак­симальных значений. Это изменение температуры плавления шлаков по ходу плавки обычно составляет 150-200°С и объяс­няется главным образом изменением условий растворения важ­нейших компонентов шлака: в основных процессах СаО, в кис­лых SiO₂.

2. Вязкость шлаков

Вязкость шлака является важнейшим из свойств. Повышенная вязкость шлака затрудняет тепло- и массоперенос в шлаке, вызывает замедление всех процессов на­грева и рафинирования металла, приводит к излишнему угару раскисляющих и легирующих присадок, уменьшает выход годной стали. Вязкость шлака зависит от его температуры и состава.

З

Рис. 2.

ависимость вязкости шлаков пе­риода плавления в основной марте­новской печи от температуры приве­дена на рис.2, из которого видно, что в области умеренно низких тем­ператур начала плавки (вблизи тем­пературы плавления) вязкость шла­ков высока и возрастает при увели­чении их основности. К моменту расплавления, когда перегрев шлака над температурой плавления превышает 100-150°С, го­могенные шлаки разного состава имеют практически одинаковую вязкость. Значения вязкости нормальных шлаков по ходу плавки обычно находятся в пределах 0,1-0,3 Па с, чрезмерно жидкоподвижные шлаки имеют вязкость <0,1 Па-с, а вязкость густых шлаков может достигать 0,8-1 Па-с и более. Такая высокая вязкость характерна для кислых шлаков, насыщенных SiO₂.

Компонентами шлака, резко повышающими его вязкость, прежде всего являются МgО (> 10-12%) и Сг₂О₃ (>5-6%); эти компоненты при содержаниях выше указанных пределов обогащают шлак мелкодисперсными частицами.

Вязкость основных шлаков существенно снижается при введе­нии 2-5% CaF₂ 5-7% Al₂O₃, 5-7% Na₂O или К₂О.

При температуре около 1600 °С вязкость стали составляет 0,0025 Па-с; вязкость относительно жидких шлаков равна 0,02- 0,04 Па-с, густых - выше 0,2 Па-с.

3. Поверхностное и межфазное натяжение

Поверхностное натяжение шлака, обычно обозначаемое σ, определяется силой связи между элементарными частицами, составляющими шлак. Поверхностное натяжение сталеплавильных шлаков зависит от состава и температуры и при 1400-1600°С составляет 200-600 кДж/ м², т.е. значительно меньше поверхностного натяжения металла (1200-1900 кДж/м²). Поверхностное натяжение уменьшается при введении в шлак поверхностно-активных соединений. В основных шлаках поверхностно-активны TiO₂, SiО₂, Na₂O, CaF₂, и P₂O₅. Повы­шение температуры на 100°С сопровождается уменьшением σ на 25-40 кДж/м², т.е. влияние температуры незначительно.

Величина межфазного натяжения металл-основной шлак (σ_М-Ш) обычно составляет 1000-1200 кДж/м², т.е. несколько меньше, чем σ_Ме-Газ =1200-1900 кДж/м². В зависимости от состава металла изменя­ется σ_М-Ш. Повышение концентрации поверхностно-активных фос­фора, углерода, серы и кислорода уменьшает σ_М-Ш. Значения σ_М-Ш мало изменяются при добавлении в шлак СаО или Al₂O₃, но умень­шаются при повышении концентрации FeO, SiО₂ CaF₂.

4. Вспенивание шлака

Вспенивание шлака вызывают мелкие пузыри СО, образующи­еся в результате окисления углерода металла и остающиеся в шлаке ввиду того, что архимедова (подъемная) сила из-за боль­шой удельной поверхности оказывается недостаточной для преодо­ления сопротивления (силы трения) шлакового расплава. Крупные пузыри, имея меньшую удельную поверхность, легко преодолева­ют сопротивление среды и в шлаке не задерживаются.

Некоторое, не чрезмерное вспенивание шлака в кислородных конвертерах с верхней подачей дутья и дуговых электропечах играют положительную роль. Чрезмерное вспенивание приводит к выбросам значительных объемов шлака из любого агрегата, что недопустимо. В мартеновских печах даже умеренное вспенивание, не приводящее к выбросам шлака, нежелательно, поскольку пени­стый шлак, обладая низкой теплопроводностью, ухудшает тепло­передачу от факела к металлу, что вызывает удлинение плавки и повышение износа футеровки, особенно свода печи, поскольку значительная часть неусвоенного металлом тепла поглощается футеровкой, а это приводит к ее перегреву.

Положительная роль умеренного вспенивания шлака в кисло­родных конвертерах выражается в затоплении кислородной струи, при котором повышается и стабилизируется усвоение кислорода ванной, создаются препятствия выпуску из конвертера капель металла и поглощению азота из подсасываемого через горловину воздуха.

Причиной чрезмерного вспенивания шлака могут быть повышен­ное содержание в шлаке SiO₂ и Р₂О₅ образующие поверхностно-активные анионы SiO₄^4- и РО₄^3-, которые повышают устойчивость пены. Аналогичное действие оказывает наличие в шлаке очень мелких твердых частиц, которые повышают механическую прочность шлаковых пленок (служат "каркасом").

Для снижения склонности шлака к чрезмерному вспениванию из-за наличия в нем очень мелких твердых частиц необходимо повышение температуры, которое обеспечивает растворение твер­дых частиц в шлаке. Если же чрезмерное вспенивание вызывается повышенным содержанием в шлаке SiO₂ и Р₂О₅, то необходимо повысить основность шлака присадкой в ванну извести, еще лучше присадка CaF₂, и оксидов щелочных металлов.

В мартеновском процессе повышение кинетической энергии факела, например, увеличением расхода мазута при отоплении печи газо-мазутным топливом также уменьшает вспенивание шлака. Поскольку основной причиной вспенивания шлака служит окисле­ние углерода на границе раздела металл-шлак и на поверхности корольков углеродистого металла в шлаке, которое получает боль­шое развитие, когда шлак гетерогенный, образование гомогенного шлака является основной мерой борьбы с пеной.

5. Коэффициент теплопроводимости

Коэффициент теплопроводности спокойного неперемешиваемо­го шлака в среднем составляет 2-3 Вт/(м-К), что в 6-10 раз мень­ше коэффициента теплопроводности расплавленного спокойного металла. Перемешивание металла и шлака газовыми пузырями при кипении металла повышает коэффициент теплопередачи как слоя шлака, так и металла. Так перемешивание шлака при активном обезуглероживании металла вызывает увеличение коэффициента теплопроводности шлака до 100-200 Вт/(м-К).

6. Плотность шлаков

Оксиды, составляющие шлак, значительно различаются по плот­ности. Плотности компонентов шлака при нормальной темпера­туре составляют:

Оксиды . . P₂О₅ SiO₂ CaO MgO AI₂O₃ Сг₂О₃ Fe₂O₃ MnO FeО

ρ, г/см³ . . 2,39 2,65 3,40 3,65 4,0 5,21 5,24 5,43 5,7

Вследствие такого различия плотности компонентов плотность шлака в значительной степени зависит от состава. Плотность шлака возрастает по мере увеличения содержания в нем тяжелых окси­дов.

При выполнении различных расчетов плотность холодного твер­дого основного шлака можно принимать равной 3,5 г/см³. Плотность жидких шлаков значительно ниже. По данным В. И. Явойского, сред­нюю плотность основных жидких шлаков можно принимать 3 г/см³. При этом следует иметь в виду, что повышение температуры на 100°С приводит к уменьшению плотности шлака примерно на 0,07 г/см³.