Свойства жидких шлаков

Химические свойства шлаков характеризуются их химическим составом. Основные характеристики шлака:

- основность;

- окислительная способность;

- химическая активность.

Металлургические шлаки, являясь многокомпонентными системами, состоят в основном из оксидов. Все оксиды по их химическим свойствам подразделяются на:

- кислотные(SiO₂, P₂O₅, TiO₂),

- основные(CaO, MgO, MnO, FeO, PbO, Na₂O);

- нейтральные (Al₂O₃, ZnO, Cr₂O₃, Fe₂O₃).

В зависимости от преимущественного содержания в шлаке кислотных или основных оксидов шлаки делят на:

- кислые,

- основные и

- нейтральные.

Критерием, указывающим на принадлежность шлака к той или иной группе, служит показатель, называемый основностью шлаков.

Под основностью шлака понимается отношение суммарного количества всех основных оксидов в шлаке к суммарному количеству кислотных оксидов:

. (51)

На практике для определения основности используют упрощенную формулу, учитывающую содержание в шлаке только CaO и SiO₂ – главных представителей основных и кислотных оксидов.

В том случае, если - шлаки кислые;

- шлаки нейтральные;

– шлаки основные.

В процессах плавки состав шлака (кислый или основной) зависит от того, из каких материалов выполнена огнеупорная футеровка. Если футеровка выполнена из кислых огнеупорных материалов (шамот, песок), то шлаки наводят кислые. Если футеровка основная (магнезит), то шлаки наводят основные. В противном случае будет протекать активное химическое взаимодействие между шлаком и футеровкой, что приводит к разрушению футеровки.

Изменение состава шлака осуществляет присадками кварцевого песка (SiO₂) или извести (СаО).

Важной характеристикой шлака является его окислительная способность. Окислительная способность шлака возрастает с увеличением его основности. Кислые шлаки в отличие от основных характеризуются пониженной окислительной способность.

В любых условиях все процессы взаимодействия между жидким металлом и шлаком подчиняются закону распределения:

отношение концентраций растворенного вещества в двух несмешивающихся жидкостях является величиной постоянной при постоянной температуре

(52)

Количество кислорода, переходящего из шлака в сталь, в соответствии с законом распределения определяется с помощью константы распределения, которая в рассматриваемом случае служит константой равновесия.

или точнее .

Согласно принятым в литературе обозначениям, элемент или соединение, которые находятся в шлаковом расплаве, заключают в круглые скобки ( ); квадратные скобки [ ] означают, что вещество находится в расплаве металла; фигурные { } – в газовой фазе.

При плавке часто применяют специальные рафинирующие шлаки, которые служат для удаления вредных примесей. Для таких шлаков основной характеристикой является их химическая активность.

Физические свойства шлаков:

- тепловые константы - температура плавления, теплоемкость, теплосодержание, скрытая теплота плавления;

- вязкость в жидком состоянии и изменение ее с температурой;

- скорость диффузии компонентов в шлаке;

- газопроницаемость;

- поверхностное натяжение;

- плотность в жидком состоянии.

Шлаки плавятся в интервале температур. Обычно интервал плавления у кислых шлаков больше, чем у основных.

Химическая активность жидких шлаков в значительной степени зависит от вязкости, которая является функцией химического состава и температуры. Вязкость – это свойство жидкостей (и газов) оказывать сопротивление при перемещении одной части жидкости относительно другой.

Вязкость силикатных расплавов увеличивается с повышением содержания в них SiO₂. В том случае, когда к SiO₂ добавляется какой-нибудь основной оксид, происходит резкое снижение вязкости и уменьшение энергии вязкого течения.

От величины вязкости шлака зависят такие процессы, как диффузия, теплоперенос, газопроницаемость и др. С вязкостью связана не только скорость самодиффузии частиц жидкости, но и особенности диффузии примесей, находящихся шлаке.

Газопроницаемость шлака – способность шлака пропускать выделяющиеся из металла газы. Скорость выделения газов из металлов зависит от их давления над поверхностью металла. Если у шлака плохая газопроницаемость, то на поверхности металла создается повышенное давление газа, препятствующее их дальнейшему выделению.

Поверхностное натяжение любой жидкости является важным физико-химическим свойством, предопределяющим их поведение в тех или иных процессах.

Химические процессы, протекающие в гетерогенных системах, обычно начинают развиваться с поверхностей раздела фаз, перемещаясь затем в глубь системы. Условия существования молекул поверхностного слоя отличаются от тех, в которых находятся молекулы внутренних слоев. Поэтому свойства поверхности отличаются от свойств внутренних слоев вещества. Особенности свойств поверхностных слоёв наиболее сильно проявляются в системе жидкость – газ, слабее на границе двух несмешивающихся жидкостей и в системе твёрдое тело – жидкость, ещё слабее на границе двух твёрдых фаз. Проявление этих свойств является результатом наличия на поверхности раздела фаз определенной энергии - энергии поверхностного натяжения.

Поверхностное натяжение шлаков зависит от их химического состава. В металлургических процессах плавки большое значение имеет величина межфазной энергии на границе металл – шлак, которая значительно больше, чем на границе жидкого металла и его кристалла. Величину межфазной энергии значительно уменьшают сера, углерод, фосфор в сплавах на основе Fe.

Чем больше межфазная удельная энергия на границе металл – шлак и чем меньше на границе включения – шлак, т.е. чем больше адгезия шлака к включениям, тем легче шлак поглощает эти включения.

Состав и свойства шлаков в соответствии с требуемыми его физическими и химическими свойствами регулируют с помощью флюсов. В отличие от компонентов шлака, образующихся в процессе плавки, флюсы специально подбираются, и вводятся в расплав. Флюсы могут быть:

– кислые (кремнезем);

- основные (оксиды кальция, магния, марганца и др.);

- нейтральные (глинозем);

- хлориды и фториды щелочных и щелочноземельных металлов.