Материал: Электрометаллургия стали и ферросплавов учебное пособие.

ного содержания кислорода повторяют кривые изоактивности (по­ стоянной активности) закиси железа (рис. 72).

ности не постоянны при постоянном содержании (FeO). Для приня­ того содержания закиси железа в шлаке ее активность изменяется, достигая максимума при составах шлака, отвечающих образованию ортосиликата (Са, Mg)2 Si04. Это соответствует основности, равной 2, при выражении ее в виде (СаО + MgO)/(Si02). При увеличении или уменьшении основности активность закиси железа понижается вследствие повышения энергии связи ее с расплавом. При высокой основности это является, по-видимому, результатом образования группировок типа феррита кальция (2СаО • Fe2 0 3), а при низкой основности — группировок типа силикатов.

Лишь для кислых шлаков, содержащих около 40% и более S i0 2 и до 10% FeO, линии изоактивности закиси железа почти параллельны стороне (СаО + MgO) — (Si02), т. е. активность закиси железа

155

примерно пропорциональная ее концентрации. Следовательно, при расчете распределения кислорода между металлом и кислым шлаком можно пользоваться концентрациями закиси железа в шлаке, а не активностями. Согласно исследованию А. Д. Крамарова, коэффи­ циент распределения между металлом и таким шлаком выражается уравнением

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ШЛАКОВ

Среди физических свойств шлака наиболее сильное влияние на скорость окисления примесей и переноса их в шлаке оказывает вязкость, т. е. свойство жидкого шлака сопротивляться течению или внутреннему сдвигу. Как известно, вязкость определяется соотно­ шением

где F — сила, необходимая для создания между слоями площадью S градиента скорости dw/dy,

г| — коэффициент вязкости, и-с/м3, или пз (гс/см-с). Следовательно, величина вязкости определяется коэффициентом вязкости.

Вязкость оказывает существенное влияние на скорость диффузии компонентов. В условиях, когда шлак неподвижен, справедливо уравнение pD = const (где D — коэффициент скорости диффузии, см3 /с). Следовательно, скорость диффузии обратно пропорциональна вязкости.

В неспокойном шлаке с увеличением его вязкости уменьшается скорость массоперепоса компонентов вследствие уменьшения интен­ сивности перемешивания.

Вязкость шлака зависит от его температуры и состава.

С увеличением температуры вязкость шлака уменьшается. Эта зависимость выражается уравнением

Ч = А ехр (ЕЦШТ),

где А — постоянная, характерная для данной жидкости; ехр — экспонент или показатель степени при основании е нату­

рального логарифма (у = ехр г записывают вместо

У= ег)]

Еп — энергия активации вязкого течения.

При температуре сталеплавильных процессов (1550—1650° С) основные шлаки характеризуются низкой вязкостью, составляющей

(—0,04 пз)]. Но с понижением температуры вязкость этих шлаков резко возрастает, как показано в качестве примера на рис. 73.

156

Вязкость основных шлаков увеличивается с повышением содер­ жания СаО и особенно MgO. Существенно повышается «кажущаяся вязкость» шлака при наличии в нем нерастворенных частиц размером 1 0 - 3 -т-1 0 -г мм, вызывающих значительное увеличение внутреннего трения. В основном шлаке такими частицами могут быть кристаллы периклаза (MgO), извести, окислов хрома.

мость СаО и MgO в шлаке, их присадка в шлак вызывает понижение и кажущейся вязкости.

Наиболее сильный эффект понижения вязкости основного шлака наблюдается при введении в него плавикового шпата (CaF3). Этим широко пользуются при выплавке стали в дуго­ вых печах и особенно при ЭШП. Как отмеча­

лось, CaF2 является одним из главных компо­ нентов большинства флюсов, применяемых для получения шлака при электрошлаковом пере­ плаве.

Влияние CaF2 на вязкость шлаков системы СаО—А1.,Оа—CaF3 показано на рис. 74, из ко­ торого видно, что обогащение расплава фтори­ стым кальцием понижает вязкость шлаков. Увеличение содержания СаО в шлаке при неиз­ менной доле А12 0 3 или увеличение содержа­ ния A1S0 3 при постоянной доле СаО вызывает увеличение,вязкости.

Вязкость кислых шлаков значительно выше вязкости основных шлаков и может превышать

ее на целый порядок. Вязкость кислых шлаков существенно возра­ стает с повышением содержания кремнезема выше предела раство­ римости, когда он находится в шлаке в виде взвеси кристалликов. Понижается вязкость таких шлаков с повышением содержания в них СаО или окислов железа. Поэтому присадки в ванну кислой печи извести и железной руды вызывают повышение жидкоподвижности шлака и интенсификацию окислительных процессов.

Электропроводность жидких шлаков не только представляет интерес для изучения их структуры, но и имеет значение для про­ текания процессов в электросталеплавильных агрегатах. Можно, например, отметить электрошлаковый переплав, при котором нагрев ванны происходит за счет тепла, выделяемого при прохождении тока

через шлак.

Электропроводностьь жидких шлаков может быть обусловлена движением электронов или ионов или одновременно теми и другими частицами. Ионная проводимость в отличие от электронной связана с массопереносом в расплаве и с развитием электродных реакций, т. е. электролизом. Это позволяет определять долю каждой из про­ водимости по результатам определения выхода по силе тока. Как известно, этот выход равен отношению фактически полученного при электролизе продукта к количеству его, отвечающему закону Фарадея.

157

t = t600'C

I=1600 г

70 80

Oafz

158

Шлаки сталеплавильных процессов обладают преимущественно ионной проводимостью. Значительная доля электронной проводи­ мости бывает лишь при высоком содержании в шлаке закиси железа, для которой такой вид проводимости характерен. Влияние закиси железа на выход по силе тока и соответственно на характер прово­ димости железо-силикатного расплава по данным Г. Дерджа пока­ зано на рис. 75. Из рисунка видно, что при повышении содержания кремнезема в шлаке более 1 0 % происходит резкое увеличение вы­ хода по силе тока, т. е. увеличивается доля ионной проводимости.

Изменение характера и количества ионов определенного сорта может вызвать изменение проводимости. Поэтому электропровод­ ность шлака изменяется с его составом. Известно, например, что

возрастает при обогащении расплавов фтористым кальцием.

С повышением температуры электропроводность шлаков воз­ растает, причем зависимость эта имеет экспоненциальный характер:

х = В exp (E J R T ),

где В — постоянная, характерная для данного электролита; Ек — энергия активации.

Важное значение для решения вопроса о структуре шлаковых расплавов и для процессов плавки имеет поверхностная энергия, которую на границе с газовой фазой обычно называют поверхностной энергией, а на границе с другой конденсированной фазой (метал­ лом) — межфазным натяжением. Поверхностная энергия определяет возможность разделения или прилипания металла и шлака, погло­ щение шлаком неметаллических включений из металла, интенсив­ ность поступления в металл кислорода, водорода из печной атмо­ сферы.

Поверхностное и межфазное натяжение шлака зависят от его состава. На рис. 77 приведен пример влияния состава шлака на меж­ фазное натяжение шлака на границе с жидким железом по резуль­ татам исследования С. И. Попеля. Как видно из рисунка, повышение содержания А12 0 3 и СаО в расплаве СаО—А12 0 3 —S i0 2 вызывает

159

повышение межфазного натяжения. Добавки к такому расплаву FeO

пМпО вызывают существенное понижение межфазного натяжения.

Вобщем можно отметить, что в сталеплавильных процессах

межфазное натяжение шлака на границе с металлом очень велико, что делает малой величину адгезии, характеризуемой работой (№а), которую необходимо затратить против сил сцепления двух соприка­ сающихся между собой жидкостей:

Wa = °м. г + °ш. г — °М. ш Дж/СМ2 (э р г /С М 2) ,

где оы г и аш г — соответственно поверхностные натяжения ме­ талла и шлака;

ом ш— межфазное натяжение на границе металла со шлаком.

Работа адгезии между металлом и шлаком обычно меньше работы когезии (работы против сил сцепления частиц в одной из фаз — для шлака \V7K= 2аш г). Это обеспечивает хорошее отделение металла от шлака.

Большой величиной адгезии к стали (более 0,08 мДж/см2, или 800 эрг/см2) обладают лишь шлаки с повышенным содержанием СаС2 (4—6 %) — карбидные шлаки. Как показали исследования С. И. Попеля, с повышением содержания СаС2 в шлаке адгезия его к стали увеличивается (особенно с повышением содержания в ней углерода), а когезия в шлаке убывает. Вследствие превышения адге­ зии фаз над когезией металл плохо отделяется от шлака и загряз­ няется окиснымп включениями.

Глава 10

РЕАКЦИИ ОКИСЛЕНИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ

ОСОБЕННОСТИ ПРОТЕКАНИЯ ОКИСЛИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕКТРОПЕЧАХ

Электроплавка стали по сравнению с другими способами стале­ плавильного производства отличается рядом принципиальных осо­ бенностей, связанных с условиями протекания окислительно-вос­ становительных процессов в ванне.

При мартеновском процессе нагрев ванны осуществляется в ре­ зультате сжигания топлива в рабочем пространстве печи. Для хоро­ шей теплотехнической работы печи воздух вводят с избытком (5— 15%), поэтбму над ванной всегда бывает окислительная атмосфера.

Окислительный характер печной атмосферы относительно ме­ талла определяется значительным перепадом давлений кислорода между этими фазами. Парциальное давление кислорода в атмосфере мартеновской печи составляет примерно 1 кПа (10- 2 ат). В то же время упругость диссоциации закиси железа (равновесное парциаль­ ное давление кислорода реакции окисления железа до закиси)

160