Фізичні властивості шлаку
Щільність шлаку
У процесі виплавки стали безперервно взаємодіють дві рідкі фази - метал і шлак. Однак після отримання заданого хімічного складу металу необхідно забезпечити максимальне видалення фази шлакової з металу. Подібне відділення засноване переважно на різницю щільності металу та шлаку. Щільність твердого заліза дорівнює 7,86 г/см 3 , твердої сталі залежно від її складу 6,8-8,2 г/см 3 а щільність рідкої сталі коливається в межах 6,5-7 г/см 3 .
Щільність шлаку залежить від щільності складових його компонентів. Нижче наведено значення густини деяких оксидів при кімнатній температурі.
Щільність рідких шлаків залежить від складу, і температури. З підвищенням температури від 1400 до 1700° З щільність основного шлаку, що містить 25% важких оксидів, зменшується від 3,14 до 2,77 г/см 3 , тобто приблизно на 0,12 г/см 3 при підвищенні температури на 100 ° С.
Поверхневий та міжфазний натяг
Між частинками рідини діють сили зчеплення. Частинки внутрішніх шарів рідини оточені з усіх боків такими ж частинками, і, отже, сили тяжіння, що діють на цю частинку з різних сторін, врівноважуються взаємно (рис. 5, а). У поверхневому шарі діють сили тяжіння з боку внутрішніх шарів рідини та з боку середовища, що межує з поверхневим шаром, які в загальному випадку не врівноважуються.
У зв'язку з зазначеними особливостями поверхневих частинок збільшення поверхні поділу між фазами потрібно витратити деяку роботу. Цю роботу, віднесену до 1 см 2 поверхні, називають поверхневим натягом та позначаютьσ. Розмірність σ - МДж/м 2 (ерг/см 2). Іноді поверхневе натяг виражають як силу на одиницюдовжини (Дін/см). Чисельні значення поверхневого натягу, вираженого в ерг/см 2 і дин/см, збігаються. Якщо розглядаються поверхневі явища межі розділу двох конденсованих фаз, наприклад шлак — метал, користуються терміном «міжфазний натяг».
Домішки, що є в рідині, по-різному поводяться на поверхнях розділу. Якщо сила зв'язку частинок домішки з частинками розчинника невелика, то частинки домішки виштовхуються на поверхню, зменшують сили зчеплення між поверхневими частинками і таким чином зменшують поверхневий (міжфазний) натяг (рис. 5, б). Такі домішки називаються поверхнево активними речовинами та їх концентрація у поверхневому шарі буде більшою, ніж в обсязі. Разом з тим, якщо частинки домішки мають з частинками розчинника більші сили взаємодії, ніж частинки розчинника між собою, концентрація цих домішок у поверхневому шарі буде меншою, ніж в обсязі (рис. 5, в). Такі речовини називають поверхнево інактивними.
Поверхневий натяг рідкого основного та кислого шлаків на кордоні з газовою фазою становить відповідно 500-600 та 300-400 ерг/см 2 (0,5-0,6 та 0,3-0,4 мДж/см 2 ). При збільшенні переважно шлаку таких оксидів, як MnO, SiO2, P2O5, TiO2, V2O5, FeO, Cr2O3, значення σ зменшується, тобто ці оксиди є по відношенню до основного шлаку поверхнево активними. Збільшення вмісту CaO, MgO та Al2O3 в основному шлаку призводить до підвищення поверхневого натягу, в даному випадку ці оксиди є поверхнево інактивними.
Міжфазний натяг на кордоні залізо - шлак з CaO, Al2O3 і SiO2 становить 1-1,1 мДж/см 2 (1000 - 1100 ерг/см 2). Збільшення вмісту CaO та Al2O3 у шлаку підвищує міжфазний натяг, а FeO, MnO та Na2O є і в цьому випадкуповерхнево активними оксидами та знижують міжфазний натяг.
Температура плавлення
Головними компонентами сталеплавильного шлаку є CaO, FeO, SiO2, Al2O3. Температура плавлення цих оксидів наведена нижче:
Температура плавлення подвійних і взагалі багатокомпонентних оксидних систем, як правило, нижча за температуру плавлення самого тугоплавкого з оксидів. Наприклад, у розплаві, що складається з CaO, Al2O3 і SiO2, є велика область з температурою плавлення 2 ), або пуаз (П, розмірність см·1 -с -1 ). Величину, обернену в'язкості (Ф = 1/η), називають жидкотекучостью.
В'язкість рідини залежить від її природи, складу та температури. Для порівняння нижче наведено в'язкість деяких речовин:
В'язкість рідкого шлаку становить 0,02 Па·с (0,2 П), густого шлаку
0,2 Па·с (2 П) та вище. З підвищенням температури в'язкість шлаків зменшується, а рідина плинність зростає (рис. 6).
В'язкість сталеплавильного основного шлаку значною мірою залежить від присутності в ньому твердих частинок, якими найчастіше можуть бути частинки магнезії та оксидів хрому при їх вмісті вище відповідно 12-15 та 6-8%. В'язкість основних шлаків, що містять 10-20% SiO2, 40-50% CaO і 8-15% FeO, зростає при 1600 ° С від 0,02 до 0,25 Па · с (від 0,2 до 2,5 П) зі збільшенням вмісту MgO з 6—8 до 15—20%. В'язкість як основних, так і кислих шлаків знижують компоненти, що забезпечують руйнування великих іонів, наприклад кремнекисневих комплексів, та стійке існування іонів малого розміру. Для основних шлаків в якості розріджують добавок служать Al2O3 і CaF2. Так, в'язкість вапняно-глиноземистого шлаку, що містить 50% CaO і 50% Al2O3 при 1600°С, становить 0,23 Па·с (2,3 П), а при додаванні
8% CaF2 знижується до0,11 Па · с (1,1 П).
Дія плавикового шпату на шлак є короткочасним внаслідок розкладання CaF2 водяними парами за реакцією CaF2+2H2O = Ca(OH)2+2HF↑ і випаровування фтористого водню.
У заводських умовах рідина плинність шлаку іноді контролюють за допомогою віскозиметра Герті, що є роз'ємною металевою формою (рис. 7). При складанні віскозиметра штирі однієї половини форми входять до гнізда іншої. Шлак, відібраний ложкою з печі, заливають у приймальну лійку віскозиметра. Мірою рідинної шлаку є довжина його натікання в канал діаметром 6,4 мм, тобто в цьому випадку визначають відносну рідину. Для оцінки отриманих результатів необхідно, щоб умови відбору проб шлаку та заливання його у віскозиметр були однаковими.
Головним фактором, що визначає відносну рідину текучість шлаку, є його основність: з підвищенням основності рідиннотекучість шлаку зменшується (рис. 8).
В'язкість шлаку значною мірою визначає швидкість дифузії домішок у ньому; із підвищенням в'язкості зменшується швидкість дифузії. Тому компоненти шлаку, що збільшують його в'язкість, одночасно знижують швидкість дифузії домішок. Швидкість дифузії домішок у шлаку приблизно в десять разів менша, ніж у металі. Для забезпечення необхідної швидкості процесів по ходу плавки присаджують різні флюси, що знижують в'язкість шлаку.
Електропровідність та ентальпія шлаку
Шлаки є провідниками другого роду та його електропровідність зростає з підвищенням температури. Одночасно електропровідність шлаку залежить від виду та числа іонів. Іони Fe 2+ і Mn 2+ дуже рухливі і з підвищенням їх вмісту в шлаку зростає його електропровідність, Наприклад, електропровідність шлаку,містить 45% CaO, 42% Al2O3 і 13% FeO при температурі 1100 і 1400° С становить відповідно 0,106 і 0,266 1/(Ом·см), а шлаку складу 42% CaO, 27% SiO2 і 31% FeO при тих же температурах 0,11 та 0,86 1/(Ом·см).
Електропровідність шлаків, що складаються з CaO, Al2O3 та CaF2, зростає з підвищенням вмісту CaF2.
Витрата тепла на нагрівання шлаку визначається за рівнянням
q = 1,17t + 209 кДж/кг (q = 0,28t + 50 ккал/кг),
де 1,17(0,28)-середня теплоємність шлаку, кДж/(°С·кг) (ккал/(°С·кг);
209 (50) - теплота плавлення шлаку, кДж/кг (ккал/кг);
t – температура, °С.
Ентальпія шлаку при 1600 ° С становить 2085 кДж/кг (498 ккал/кг) [для сталі 1465 кДж/кг (350 ккал/кг)].
Деякі основні шлаки схильні до силікатного розпаду при охолодженні, пов'язаному зі зміною модифікацій 2CaO·SiO2, що мають різний питомий обсяг. Самоподрібнюються також карбідні шлаки у зв'язку із взаємодією карбіду кальцію та пари води.