Видеокурс по SIMATIC STEP 7


Физические свойства шлака

Физические свойства шлака
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 Лш=2,3...3,5 Вт/(м*К), что на порядок меньше, чем у металла (ЛFe=21...23 Вт/(м*К)). Следовательно, тепловое сопротивление д/Л слоя шлака толщиной д = 0,1 м примерно такое же, как у слоя металла толщиной 1 м.

При перемешивании ванны во время ее кипения и при продувке газами резко возрастает так называемый “виртуальный” коэффициент теплопроводности шлаков (до 116...230 Вт/(м*К)), но и при этом он на порядок меньше, чем у кипящего металла.

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

iш=0,276(T–273)+0,569*10-3(T–273)2 кДж/кг. (3.52)


Истинная теплоемкость шлака при данной температуре

кДж/кг. (3.53)


Теплосодержание жидкого железа может быть рассчитано по приближенной формуле

iFe=52,31+0,831*(T–273) кДж/кг. (3.54)


Из приведенных формул следует, что энтальпия и теплоемкость шлака значительно ниже, чем у железа (при 1600oС): iш=1890 кДж/кг, Сш=2,09 кДж/(кг*К), iFe=1390 кДж/кг, CFe=0,84 кДж/(кг*К). С жидким шлаком уносится много теплоты. При количестве шлака 10% массы металла (100 кг/т) шлак уносит 186700 кДж/т 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 pш колеблется в пределах 2800...3200 кг/м3. Повышение температуры на 100oС снижает pш на 70 кг/м3. Увеличение (FeO) и (MnO) способствует возрастанию pш, так как p(FeO)=5800 кг/м3 и p(MnO)=5700 кг/м3.

Электропроводимость шлаков смешанная (ионная и электронная); она составляет 0,001...0,009 (Ом*м)-1, что несоизмеримо меньше, чем у металлов (104) и чем у электролитов (0,02...0,07), но значительно больше, чем у диэлектриков (10-10). С увеличением (FeO) и (MnO) электропроводимость шлака повышается до 0,16 (Ом*м)-1, что связано с увеличением концентрации ионов Fe2+, Mn2+ и O-2 в шлаке. Замена FeO на CaO и SiO2 (особенно при основности В=2,0) приводит к падению электропроводимости шлака. На этом основании некоторые авторы (Хейнман, Чуйко и др.) полагают, что в основном шлаке присутствуют малоподвижные электронейтральные молекулы 2CaO*SiO2.

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), которое 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 Па*с) и служит важнейшим фактором, определяющим скорость всех диффузионных процессов в сталеплавильной ванне.

Коэффициент динамической вязкости n численно равен силе F, H, затраченной на перемещение слоя жидкости площадью S, м2, относительно другого слоя жидкости, расположенного на расстоянии Х=1 м, со скоростью v=1 м/с:

;
|n|=кг•м/(с2•1/с•м2)=кг/(м•c)=Н•с/м2. (3.55)


Кинематическая вязкость , м2/с - 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 v сталеплавильных шлаков колеблется в пределах 3*(10-6...10-4) м2/с, что значительно выше, чем у воды (9*10-7) и жидкой стали (4*10-7...8*10-7), но ниже, чем у глицерина (5*10–4) и касторового масла (8*10–4).

Факторы, влияющие на вязкость шлаков. Вязкость гомогенного (физически однородного) шлака непрерывно снижается с ростом его основности В. 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 В резко снижается вязкость, так как увеличива-ется концентрация малых по размерам и подвижных ионов Са2+ и О2-.

Вязкость гомогенного шлака растет с увеличением основности В, что обусловлено повышением количества нерастворенных в шлаке частиц извести. При наличии гетерогенных шлаков повышение В 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).


Рис. 17. Схема влияния основности (а) и температуры (б) шлака на его вязкость (tл - температура ликвидуса)


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

Резкое увеличение вязкости шлака (рис. 17) наблюдается при температуре, близкой к точке ликвидуса, когда увеличивается количество микро- и макрокристаллов в шлаке.


Рис. 18. Приборы для измерения текучести жидкого шлака: 1 - тигель с отверстием 9 мм; 2 - шайба для определения глубины погружения стакана; 3 - трубка для выхода воздуха; 4 - стакан


Минимальная вязкость шлака обычно обеспечивается при основности (CaO/SiO2)~2. Однако за счет увеличения степени перегрева шлака над линией ликвидуса, достигаемого повышением температуры и добавкой разжижителей, можно получить жидкоподвижные шлаки и при основности 3 и выше.

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. 18, а) - разъемный на две части стальной брусок с воронкой и горизонтальным каналом длиной 250...300 мм и диаметром 6,4...9,0 мм. В воронку быстро заливают жидкий шлак. Длина затекшей и застывшей в канале струи шлака l характеризует жидкоподвижность шлака.

Жидкотекучесть шлака - l, мм, при d=6,4 мм
пониженная (густой шлак) - 0...50
нормальная - 100...150
повышенная - 180 и более

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 нами “вискозиметр погружения” (рис. 18, б) дает более точные результаты. Прибор погружают в шлак до уровня шайбы (этим создается постоянный напор жидкого шлака). Перед погружением, длительность которого 10 с, прибор прогревают в пламени в течение также 10 с. Жидкотекучесть шлака характеризуется затекшей его массой в стакан (г/5 с) через отверстие тигелька постоянного диаметра.

В отличие от прибора Герти, где длина пробега шлака зависит от скорости кристаллизации, в этом приборе при прохождении через калиброванное отверстие шлак сохраняет жидкое состояние и скорость протекания шлака зависит исключительно от его вязкости. Примерные значения текучести шлака при диаметре отверстия в тигельке 9 мм:

Шлак - Количество, г/5 с
Густой - 50...100
Нормальный - 150...200
Жидкоподвижный - 250 и более

Вязкость жидкости обычно рассматривают свойство, определяющее скорости диффузии (перемещения частиц растворенного компонента в направлении уменьшения свободной энергии системы). Ко-эффициент 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 (D ,м2/с). По формуле Стокса-Эйнштейна

, (3.56)


где k=R/NA=1,38*10-23 Дж/К - постоянная Больцмана; r - эффективный радиус частицы, м; n - динамическая вязкость, Па*с.

Порядок величины D для стали (n=5*10-3Па*с; r=10-10 м; Т=1800К)


м2/с.


При постоянных значениях r и Т

(3.57)


Поскольку у шлака n на один порядок больше, чем у металла, то в шлаке D=10-10 м2/с. Для катионов и свободных анионов O2- D значительно больше, чем для молекул и сложных ионов, имеющих большие размеры r.

При перемешивании металла и шлака коэффициенты диффузии в объеме фаз (коэффициенты турбулентной диффузии или эффективные коэффициенты диффузии Dэф увеличиваются на 7-8 порядков и составляют в металле 10-2...10-1 м2/с, а в шлаке 10-3...10-2 м2/с). 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 дш. Поверхностное натяжение (сила сжатия, действующая в перпендикулярном направлении 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 дш.г. колеблется в пределах 200..600 мДж/м2, т.е. она в 3-9 раз меньше, чем у жидкого железа (1800 мДж/м2).

Поверхностно-активные оксиды (снижающие дш.г.): P2O5, CaF2, SiO2, Na2O, K2O, Fe2O3; поверхностно-инактивные оксиды (увеличивающие дш.г.): CaO, MgO, Al2O3.

Некоторые авторы (С.И. Сапиро и др.) считают, поверхностно-активные оксиды способствуют вспениванию шлака, так как они адсорбируются на поверхности пузырьков СО, образуя устойчивые пленки (наподобие “мыльной” пены). Однако это не единственный источник образования пены, зависящего не только от дш.г., но и от вязкости шлака и механической прочности пленок.

Межфазное натяжение металла и шлака дш.г. согласно правилу Антонова всегда меньше поверхностного натяжения металла на границе с газом дн.г., т.е. дн.ш. = дм.г.дш.г.

Это правило не всегда выполняется. Исследования С.И Попеля показали, что некоторые оксиды снижают дш.г. и одновременно дм.ш. Покажем, что правило Антонова выполняется лишь при полном смачивании металла шлаком.

Снижение дн.ш. 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 дм.ш.=200...300 мДж/м2 (малая величина), металл загрязняется карбидными включениями и необходимо перевести карбидный шлак в “белый” (известково-кремнеземистый) за счет присадок ферросилиция.

Чем больше убыль изобарного потенциала (максимальная работа) системы при протекании реакции, т.е. чем больше Amax= - G, тем прочнее полученное соединение и больше...

Химические свойства шлаков

Такие способы определения основности шлака достаточны для производственных целей, так как удаление серы и фосфора из металла определяется главным образом...

Металлургические расплавы находятся в жидком состоянии и по степени подвижности составляющих их частиц занимают промежуточное положение между твердыми...