Теоретические основы металлургического производства
  5.2 Физические свойства сталеплавильных шлаков

Температура плавления шлаков. Переход шлаков из твердого состояния в жидкое обычно происходит в некотором интервале температур, то есть шлаки имеют температуру начала и конца плавления. Поэтому под температурой плавления шлака обычно подразумевают температуру конца плавления.

Температура плавления шлака меняется при изменении содержания любого из его компонентов. Однако, наиболее сильное влияние на температуру плавления обычных окислительных шлаков оказывает содержание кремнезема. Зависимость температуры плавления шлаков от концентрации кремнезема с достаточной точностью описывает эмпирическое уравнение

Результаты вычислений по уравнению (5.6) показаны на рисунке 5.1.

Зависимость температуры плавления мартеновских шлаков от содержания в них кремнезема

Рисунок 5.1 – Зависимость температуры плавления мартеновских шлаков от содержания в них кремнезема: I – основные шлаки; II – кислые шлаки

Наиболее легкоплавкими являются шлаки с содержанием кремнезема 30 – 40%. Такое содержание SiO2 обычно наблюдается в шлаках начального периода плавки в основных и кислых процессах. По ходу плавки содержание SiO2 в основных шлаках уменьшается, в кислых шлаках – увеличивается. Это приводит к повышению температуры плавления шлаков, которая за время плавки изменяется на 150 – 200оС.

Вязкость шлаков. При низких температурах начального периода плавки вязкость шлаков имеет высокие значения и увеличивается при повышении основности шлака. Когда перегрев шлака над температурой плавления превышает 150 – 200оС, гомогенные шлаки разного состава имеют практически одинаковую вязкость.

Значения вязкости нормальных шлаков по ходу плавки обычно находятся в пределах 0,1 – 0,3 Па•с. Чрезмерно подвижные шлаки имеют вязкость менее 0,1 Па•с, Вязкость густых шлаков может достигать 0,8 – 1,0 Па•с и более.

Высокая вязкость обычно характерна для гетерогенных шлаков, содержащих не полностью ассимилированные присадки извести, кварцита, частицы заправочных материалов и др. При этом к резкому повышению вязкости шлаков приводит присутствие в нем не малого количества кусков значительных размеров, а многочисленные мелкие частицы, размер которых составляет 10-2 – 10-3 мм и приближается к размерам колоидных частиц. Высокая вязкость характерна для кислых шлаков, насыщенных SiO2. Вязкость основных шлаков резко увеличивается при наличии в них свыше 10 – 12% MgO, более 5 – 6% Cr2O3 и др.

Вязкость основных сталеплавильных шлаков существенно понижается при введении 2 – 5% CaF2, 5 – 7% Al2O3, 5 – 7% Na2O или K2O.

Поверхностное натяжение сталеплавильных шлаков при температурах 1400 – 1600оС составляет 200 – 600 мДж/м2, что значительно меньше поверхностного натяжения металла. Повышение температуры на 100оС сопровождается уменьшением поверхностного натяжения на 25 – 40 мДж/м2, что позволяет охарактеризовать влияние температуры как незначительное.

Поверхностное натяжение шлаков уменьшается при наличии в их составе поверхностно-активных веществ (ПАВ). В основных сталеплавильных шлаках к числу ПАВ относятся TiO2, SiO2, Na2O, CaF2, P2O5.

Межфазное натяжение на границе металл-основной шлак обычно составляет 1000 – 1200 мДж/м2. Величина его понижается при наличии ПАВ в металле или шлаке.

Коэффициент теплопроводности спокойного не перемешиваемого шлака составляет 2 – 5 Вт/(м•К), что в 6 – 10 раз меньше коэффициента теплопроводности спокойного расплавленного металла.

Перемешивание шлака при активном обезуглероживании ванны способствует росту коэффициента теплопроводности до 100 – 200 Вт/(м•К). Однако, коэффициент теплопроводности металла при этом также увеличивается до 1800 – 2000 Вт/(м•К). Отсюда следует, что у кипящего металла и шлака соотношение коэффициентов теплопередачи такое же, как и у спокойных. Поэтому металл во всех случаях быстро снимает перегрев шлака. Перегрев над температурой металла более 50 – 80оС может наблюдаться только для поверхностных слоев вспененного шлака при плавке в мартеновских печах. В конвертерах и двухванных мартеновских печах температуры металла и шлака близки.

Теплоемкость и энтальпия шлаков. Зависимость удельной теплоемкости шлаков от температуры удовлетворительно описывается следующими уравнениями: для основных шлаков (В > 2,5)

для кислых шлаков

Зная удельную теплоемкость шлака, определить изменение энтальпии его можно по формуле

Для определения изменения энтальпии основных шлаков в интервале температур 1450 – 1650оС можно пользоваться упрощенной формулой

Плотность и объемная масса шлаков. Плотности компонентов шлака при нормальной температуре показаны в таблице 5.1.

Таблица 5.1 – Плотность оксидов при нормальной температуре

Плотность оксидов при нормальной температуре

Продолжение таблицы 5.1

Плотность оксидов при нормальной температуре

Плотность шлака существенно увеличивается при повышении содержания тяжелых оксидов. Плотность основных шлаков с 40% (Fe2O3+FeO) может достигать 4000 кг/м3, тогда как плотность кислых шлаков обычно не превышает 3000 кг/м3.

В оценочных расчетах плотность твердого основного шлака при нормальной температуре можно принимать равной 3500 кг/м3, среднюю плотность жидкого основного шлака – 3000 кг/м3.

При сливе из агрегата сталеплавильные шлаки могут быть в различной степени вспенены. Например, объемная масса застывшего мартеновского шлака при сливе в первой половине периода плавления составляет 1200 – 1400 кг/м3, в начале доводки 2000 кг/м3, при выпуске плавки 2800 – 3000 кг/м3. Это отличие объемной массы шлака от его плотности следует учитывать при определении количества и объема шлаковых чаш.

  5.2 Физические свойства сталеплавильных шлаков
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ