етоды контроля состава и свойств шлака.

Наиболее распространенным методом контроля шлака является отбор шлака специальной пробной ложкой с последующим химическим или спектральным анализом. Обычно контролируют содержание FeO и MnO в шлаке. Кроме того, в тех случаях, когда этотребуется, определяется также содержание SiO₂, CaO, MgO и т.п.

Широкое распространение получил также метод контроля шлака по внешнему виду поверхности и характеру излома шлаковых лепешек. Степень подвижности или обратная ей величина – вязкость шлака – играют большую роль в процессах взаимодействия шлака и металла, особенно в тех случаях, когда скорость всего процесса определяется скоростью диффузии.

Чем меньше вязкость шлака, тем интенсивнее идет диффузия. Следует иметь в виду, что вязкость шлака обычно в несколько раз выше, чем вязкость стали. Так, при температуре около 1600⁰С вязкость стали в зависимости от состава колеблется в пределах 0,002-0,006 П, в то время как вязкость даже весьма жидких шлаков составляет не менее 0,02 П. Вязкость шлака определяют в лабораторных условиях на специальных установках. В заводских условиях при проведении исследований определяют жидкотекучесть шлака.

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

 

 

Жидкотекучесть шлака	при
пониженная (густой шлак)……….	0…50
нормальная…………………………	100…150
повышенная………………………..	180 и более

 

 

1 – тигель с отверстием 9 мм; 2 – шайба для определения глубины погружения стакана; 3 – трубка для выхода воздуха; 4 – стакан

Рисунок 3.14 — Приборы для измерения текучести жидкого шлака.

 

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 [27] «вискозиметр погружения» (рис. 3.14, б) дает более точные результаты. Прибор погружают на 10 в шлак до уровня шайбы (этим создается постоянный напор жидкого шлака). Перед погружением, прибор прогревают в пламени также в течение 10 . Жидкотекучесть шлака характеризуется затекшей его массой в стакан ( ) через отверстие тигелька постоянного диаметра.

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

 

Шлак……………………	густой	нормальный	жидкоподвижный
Количество, ……..	50…100	150…200	250 и более

 

Вязкость жидкости определяет скорость диффузии (перемещения частиц растворенного компонента в направлении уменьшения свободной энергии системы). Коэффициент 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 ( ). По формуле Стокса-Эйнштейна

(3.56)

где – постоянная Больцмана;

– эффективный радиус частицы, ;

– динамическая вязкость, .

Порядок величины для стали ( )

При постоянных значениях и

. (3.57)

Поскольку у шлака на один порядок больше, чем у металла, то в шлаке . Для катионов и свободных анионов значительно больше, чем для молекул и сложных ионов, имеющих большие размеры .

При перемешивании металла и шлака коэффициенты диффузии в объеме фаз (коэффициенты турбулентной диффузии или эффективные коэффициенты диффузии увеличиваются на 7–8 порядков и составляют в металле , а в шлаке . 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 . Поверхностное натяжение (сила сжатия, действующая в перпендикулярном направле нии 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 колеблется в пределах 200...600 , т.е. она в 3–9 раз меньше, чем у жидкого железа (1800 ).

Поверхностно-активные оксиды (снижающие ): ; поверхностно-инактивные оксиды (увеличивающие ): .

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

Согласно правилу Антонова (межфазное натяжение равно разности поверхностных натяжений соприкасающихся фаз) межфазное натяжение металла и шлака всегда меньше поверхностного натяжения металла на границе с газом , т.е. .

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

Снижение 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 (малая величина), металл загрязняется карбидными включениями и необходимо перевести карбидный шлак в «белый» (известково-кремнеземистый) за счет присадок ферросилиция.