Теоретические основы металлургического производства
  5.1 Современные представления о строении расплавленных шлаков

Исторически первой возникла молекулярная теория строения шлаков, которую разрабатывала немецкая школа металлургов под руководством Г. Шенка.

Согласно молекулярной теории жидкие шлаки представляют собой расплавы, которые состоят из электронейтральных молекул основных и кислотных оксидов. Предполагалось, что молекулы образующих шлак оксидов могут находиться в нем в «свободном» состоянии, а также вступать между собой в реакции с образованием разнообразных химических соединений. Различные теоретические модели, основанные на молекулярной теории строения шлаков, различаются главным образом принятыми в них допущениями о том, какие реакции возможны между компонентами шлакового расплава.

Во всех вариантах молекулярной теории строения шлаков активность оксида в шлаке принимается численно равной мольной доле «свободного» оксида.

Впоследствии был накоплен большой экспериментальный материал, который позволяет предполагать, что основными структурными единицами жидкого шлака являются не электронейтральные молекулы, а ионы. Существование ионов в шлаковых расплавах подтверждается следующим:

  1. Расплавленные шлаки электропроводны. Электропроводность шлаков ниже электропроводности жидких металлов, но значительно выше электропро-водности жидких веществ, которые состоят из молекул (жидкие изоляторы). Электропроводность различных материалов составляет:
    • расплавленные металлы – 105 – 106 Ом-1•см-1;
    • расплавленные соли – 10-1 – 10 Ом-1•см-1;
    • жидкие шлаки – 10-3 – 1 Ом-1•см-1;
    • жидкие изоляторы – 10-15 – 10-6 Ом-1•см-1.

    На свойствах шлаков как проводников второго рода основан ряд технологических процессов, например, электрошлаковый переплав.

  2. Жидкие шлаки можно подвергать электролизу с осаждением на катоде железа, марганца и др., что означает протекание процессов
  3. Расплавленные, а иногда и твердые шлаки, могут служить электролитами в гальванических элементах.
  4. Экспериментально установлено, что при прохождении электрического тока через границу раздела металл-шлак изменяется величина межфазного натяжения на поверхности раздела фаз. Такое явление наблюдается только в случае, когда на границе соприкасающихся фаз существует скачок электрического потенциала, который может быть вызван протеканием процессов (5.1)
  5. Реакции (5.1) – (5.5) могут протекать только при существовании в шлаке соответствующих ионов.

Исходя из этого, получила распространение ионная теория строения шлаков, в развитие которой большой вклад внесла уральская школа металлургов во главе с О.А. Есиным.

Первой теоретической моделью, основанной на ионной теории строения шлаков, была теория совершенных ионных растворов. Она предполагала, что расплавленные шлаки состоят из ионов Ca2+, Fe2+, Mn2+, Mg2+, O2-, S2-, SiO4-4, PO3-4, FeO-2, AlO-2 и др. При этом предполагалось хаотичное расположение ионов в шлаке, так как считалось, что все ионы одного знака равноценны и любой катион имеет одинаковое окружение из анионов и наоборот.

Впоследствии появились варианты ионной теории строения шлаков, которые предполагали возможность взаимодействия между катионами и анионами и существования в расплавленном шлаке неоднородных группировок ионов. Упорядоченное расположение ионов в шлаке приводит к тому, что смешение образующих шлак компонентов сопровождается изменением энтропии и энтальпии системы. Примером их может служить теория регулярных ионных растворов.

Существует также мнение, согласно которому отклонение реальных шлаковых расплавов от свойств совершенных ионных растворов можно объяснить различной степенью электролитической диссоциации соединений, образующих шлаковый расплав.

Такие представления о структуре расплавленного шлака получили развитие в работах Н.М. Чуйко. Считалось, что соединения в шлаке могут иметь различные химические связи – от связи, близкой к чисто ионной (гетерополярной), когда возможна практически полная диссоциация соединения на ионы, до связи, близкой к ковалентной (гомеополярной), когда степень диссоциации пренебрежимо мала. Различная степень электролитической диссоциации образующих шлак оксидов и солей объяснялась различной долей ионной связи в соединении. В последние годы получила распространение предложенные А.Г. Пономаренко представления о расплавленном шлаке как фазе, имеющей коллективную электронную систему. Было показано, что активности компонентов шлака могут меняться в широких пределах при практически неизменном составе шлака. Это означает, что состояние оксидной фазы, а, следовательно, и весь комплекс физико-химических свойств шлаков не может быть полностью охарактеризован при помощи температуры, давления и химического состава шлака.

  5.1 Современные представления о строении расплавленных шлаков
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ