Фізичні властивості шлаків, в’язкість
Серед фізичних властивостей шлаку найбільше впливає швидкість окислення домішок і перенесення в шлаку в'язкість , т. е. властивість шлаку чинити опір течії чи внутрішньому зрушенню. Як відомо, в'язкість визначається співвідношенням:
де F - сила, необхідна для створення між шарами площею S градієнта швидкості dw/dy, n-коефіцієнт в'язкості, н-с/м 2 або пз (гс/см-с). Отже, величина в'язкості визначається коефіцієнтом в'язкості.
В'язкість істотно впливає на швидкість дифузії компонентів. У разі, коли шлак нерухомий, справедливе рівняння nD = const (де D — коефіцієнт швидкості дифузії, див 2 /с). Отже, швидкість дифузії обернено пропорційна в'язкості.
У неспокійному шлаку зі збільшенням його в'язкості зменшується швидкість масопереносу компонентів внаслідок зменшення інтенсивності перемішування. В'язкість шлаку залежить від його температури та складу. Зі збільшенням температури в'язкість шлаку зменшується. Ця залежність виражається рівнянням:
де А - постійна, характерна для цієї рідини; ехр - експонент або показник ступеня при основі е натурального логарифму (у = ехр записують замість Y = О) Еn - енергія активації в'язкої течії.
При температурі сталеплавильних процесів (1550-1650 ° С) основні шлаки характеризуються низькою в'язкістю, що становить 0,01-0,3 Н-с/м 2 (0,1-Зпз) [відзначимо для порівняння, що в'язкість води при 20 ° С становить 0,001 Н - с/м 2 (0,01 пз), лляної олії 0,05 Н-с/м 2 (0,5 пз), рідкої сталі при 1600 ° С
0,04 пз)]. Але зі зниженням температури в'язкість цих шлаків різко зростає.
В'язкість основних шлаків збільшується з підвищенням вмісту СаО і особливо MgO. Істотно підвищуєтьсяв'язкість шлаку, що здається, при наявності в ньому нерозчинених частинок розміром 10-3 10-2 мм, що викликають значне збільшення внутрішнього тертя. В основному шлаку такими частинками можуть бути кристали періклазу (MgO), вапна, оксидів хрому. В'язкість основних шлаків зменшується при введенні Fe2O3, SiO2, Al2O3 та CaF2. Так як ці компоненти збільшують розчинність СаО і MgO в шлаку, їх присадка в шлак викликає зниження і в'язкості, що здається.
Найбільш сильний ефект зниження в'язкості основного шлаку спостерігається при введенні до нього плавикового шпату (CaF2). Цим широко користуються при виплавці сталі в дугових печах і особливо при ЕШП. Як зазначалося, CaF2 є одним з головних компонентів більшості флюсів, які застосовуються для отримання шлаку при електрошлаковому переплаві.
Вплив CaF2 на в'язкість шлаків системи СаО-Аl2O3-CaF2 показано малюнку, з якого видно, що збагачення розплаву фтористим кальцієм знижує в'язкість шлаків. Збільшення вмісту СаО в шлаку при незмінній частці Аl2O3 або збільшення вмісту Аl2O3 при постійній частці СаО викликає збільшення в'язкості.
В'язкість кислих шлаків значно вище в'язкості основних шлаків і може перевищувати її на цілий порядок. В'язкість кислих шлаків істотно зростає з підвищенням вмісту кремнезему вище за межу розчинності, коли він знаходиться в шлаку у вигляді суспензії кристаликів. Знижується в'язкість таких шлаків з підвищенням вмісту в них СаО або оксидів заліза. Тому присадки у ванну кислої дугової печі вапна та залізної руди викликають підвищення рідкорухливості шлаку та інтенсифікацію окисних процесів.
Електропровідність рідких шлаків як цікавить вивчення їх структури, а й має значення протіканняпроцесів в електросталеплавильних агрегатах Можна, наприклад, відзначити електрошлаковий переплав, при якому нагрів ванни відбувається за рахунок тепла, що виділяється при проходженні струму через шлак.
Електропровідність рідких шлаків може бути обумовлена рухом електронів або іонів або одночасно тими та іншими частинками. Іонна провідність на відміну від електронної пов'язана з масопереносом у розплаві та з розвитком електродних реакцій, тобто електролізом. Це дозволяє визначати частку кожної із провідності за результатами визначення виходу за силою струму. Як відомо, цей вихід дорівнює відношенню фактично отриманого при електролізі продукту до його кількості, що відповідає закону Фарадея.
Шлаки сталеплавильних процесів мають переважно іонну провідність. Значна частка електронної провідності буває лише за високого вмісту в шлаку закису заліза, на яку такий вид провідності характерний. Вплив закису заліза на вихід за силою струму і на характер провідності залізо-силікатного розплаву за даними Г. Дерджа показано малюнку. З малюнка видно, що з підвищенні вмісту кремнезему в шлаку понад 10% відбувається різке збільшення виходу за силою струму, т. е. збільшується частка іонної провідності.
Зміна характеру та кількості іонів певного сорту може спричинити зміну провідності. Тому електропровідність шлаку змінюється із його складом. Відомо, наприклад, що часткова заміна FeO або МnО в шлаку на СаО в розплавлених силікатах знижує їхню електропровідність. Це, очевидно, пояснюється меншою рухливістю щодо великих катіонів Сам 2+ проти Feм 2+ і Мnм 2+ .
Вплив складу на електропровідність шлаків системи СаО-Аl2O3-CaF2.що представляє особливий інтерес для електрошлакового переплаву, видно на малюнку, де нанесені лінії постійної питомої електропровідності - ізокондукт при 1600 ° С. Провідність таких шлаків зростає при збагаченні розплавів фтористим кальцієм.
З підвищенням температури електропровідність шлаків зростає, причому ця залежність має експоненційний характер:
де - постійна, характерна для даного електроліту; Ех-енергія активації.
Важливе значення для вирішення питання про структуру шлакових розплавів та для процесів плавки має поверхнева енергія, яку на кордоні з газовою фазою зазвичай називають поверхневою енергією, а на кордоні з іншою конденсованою фазою (металом) міжфазним натягом. Міжфазне натяг визначає можливість поділу або прилипання металу і шлаку, поглинання шлаком неметалевих включень з металу, інтенсивність надходження в метал кисню, водню з пічної атмосфери.
Поверхневий та міжфазний натяг шлаку залежать від його складу. На малюнку наведено приклад впливу складу шлаку на міжфазний натяг шлаку на кордоні з рідким залізом за результатами дослідження С. І. Попеля. Як видно з малюнка, підвищення вмісту Аl2О3 та СаО в розплаві СаО-Аl2O3-SiO2 викликає підвищення міжфазного натягу. Добавки до такого розплаву FeO і МnО викликають значне зниження міжфазного натягу.
Загалом можна відзначити, що в сталеплавильних процесах міжфазний натяг шлаку на кордоні з металом дуже велике, що робить малу величину адгезії, що характеризується роботою, яку необхідно витратити проти сил зчеплення двох рідин, що стикаються між собою.
Робота адгезії між металом та шлаком зазвичай менше роботи когезії (роботипроти сил зчеплення частинок в одній із фаз - для шлаку WK = 2аш г). Це забезпечує відмінне відділення металу від шлаку.