» » Вязкость трехкомпонентных доменных шлаков. Связь ее с плавкостью
09.06.2015

Изображенная на рис. 91 примерная диаграмма демонстрирует изменения вязкости короткого и длинного шлаков при изменении их температуры, предполагая одинаковой начальную вязкость для обоих шлаков. Если же сравнить древесноугольные (кислые, «длинные») и коксовые (основные, «короткие») шлаки, то изменения их вязкости с температурой будут отличаться не только наклоном кривой, но и начальным значением. Кислые шлаки не только «длинные», но и более вязкие в расплавленном состоянии по сравнению с основными «короткими». Эта существенная разница видна на рис. 100.
Основные шлаки при перегреве выше температуры ликвидуса имеют вязкость порядка 3-4 пуаз, но после достижения точки ликвидуса резко сгущаются вследствие выпадения кристаллов избыточного компонента. Кислые шлаки, наоборот, более вязки при высокой температуре, но вязкость их при охлаждении повышается медленно в связи с малой склонностью к кристаллизации. В расплавленном состоянии их вязкость достигает 15—20, а иногда 20—30 пуаз. Такой шлак все же течет, хотя и плохо, поэтому шлаки такой вязкости допустимы при древесноугольной плавке, когда неизбежное понижение температуры при выпуске на 20—30° не может существенно повысить вязкость шлака и не затрудняет его выпуска.
Вязкость трехкомпонентных доменных шлаков. Связь ее с плавкостью
Вязкость трехкомпонентных доменных шлаков. Связь ее с плавкостью

Иное дело при основном шлаке: допустить вязкость этого шлака даже 8—10 пуаз нельзя, потому что при самом незначительном изменении температуры его вязкость резко возрастает и может достигнуть таких значений, при которых шлак не будет течь.
На рис. 101 приведены результаты измерений вязкости шлаков литейного, бессемеровского и мартеновского чугунов, по данным И.П. Семика. Шлаки, анализ которых приведен на рисунке, много лет применяются в доменном производстве и потому рекомендованы для широкого применения М.А. Павловым. Нетрудно видеть, что хотя все приведенные шлаки являются основными, характер изменения их вязкости неодинаков: если при температуре выше 1480° почти все шлаки подвижны (вязкость менее 5 пуаз), то при более низкой температуре наиболее вязкими оказываются шлаки литейного чугуна, менее — бессемеровского, а наименее вязкими — мартеновского,— при требуемом нагреве горна (2—4% Si — в литейном чугуне и менее 1 % Si — в мартеновском).
Резкое возрастание вязкости глиноземистого шлака при температуре 1440° и выплавке литейного чугуна объясняется высоким содержанием в шлаке Al2O3. Понижение вязкости шлака при переходе к обычному литейному и бессемеровскому чугуну происходит вследствие уменьшения содержания Al2O3 и увеличения FeO и MnO. В шлаке мартеновского чугуна много SiO2, повышенное количество MnO и MgO и меньше CaO в сравнении со шлаком бессемеровского чугуна. При плавке литейного чугуна допускается шлак состава 1: хотя его вязкость повышается от 12 до 75 пуаз при понижении температуры от 1440 до 1430°, однако опасаться этого не следует, потому что такой шлак всегда перегрет до температуры, которая много превышает опасный интервал. Сказанное относится и к шлаку состава 2. Наоборот, при шлаках 3 и 4, хотя и относящихся к коксовой плавке, но достаточно «длинных», даже при довольно низких температурах горна (например, 1400°) резкого загустевания не произойдет, почему и невозможно аварийное загромождение горна вязким шлаком.
Вязкость трехкомпонентных доменных шлаков. Связь ее с плавкостью

Рассмотрим влияние на вязкость шлака трех важнейших его компонентов — SiO2, Al2O3 и CaO. Исследования этой трехкомпонентной системы проведены Мак-Кеффери, а у нас — Н.В. Рулла и другими. Результаты этих исследований могут быть использованы в том случае, когда в шлаках содержатся незначительные количества MgO, MnO и FeO. При другом составе эти данные применимы лишь для общих суждений о влиянии на вязкость каждого из трех основных компонентов, но при прочих неизменных условиях. Данные Мак-Кеффери условны еще и потому, что при обработке и графическом оформлении результатов измерений автор в ряде случаев допускал весьма приближенною графическую интерполяцию. Кроме того, большое влияние на количественные результаты определения вязкости оказывают условия опыта: форма шпинделя, скорость охлаждения. Данные Н.В. Рулла отличны от данных Мак-Кеффери (большая скорость охлаждения и круглая форма шпинделя), а результаты измерений И.П. Семика не сходятся с исследованиями Н.В. Руллы, но близки к данным Мак-Кеффери (применено квадратное сечение шпинделя).
Вязкость трехкомпонентных доменных шлаков. Связь ее с плавкостью

Влияние трех важнейших компонентов при разных температурах представлены Мак-Кеффери на трехосных диаграммах. На рис. 102 и 103 нанесены кривые вязкости шлака для температур 1400 и 1500°.
На рис. 104 и 105 приведены аналогичные диаграммы Н.В. Руллы, полученные при других условиях, но дающие те же общие закономерности, что и диаграммы рис. 102 и 103. Следует отметить, что для кремнеземистых шлаков (SiO2 более 40%) в большинстве случаев вязкость повышается с возрастанием в них содержания SiO2 (рис. 102 и 103). Исключение составляют только шлаки с содержанием глинозема менее 7%, которые при увеличении SiO2 до 45—50% могут дать некоторое понижение вязкости. При возрастании содержания Al2O3 у всех шлаков, в которых менее 50% SiO2, вязкость понижается до определенного значения, а затем резко возрастает. То же следует из рис. 104 и 105, но только при иных значениях SiO2 или Al2O3.
Температура плавления шлака повышается (рис. 94) с увеличением содержания SiC2 выше 65% независимо от содержания глинозема. При изменении содержания SiO2 от 45 до 65% температура плавления остается примерно постоянной при неизменном содержании Al2O3. С возрастанием Al2O3 до 15—20% шлак плавится при более низкой температуре, а при дальнейшем увеличении содержания глинозема температура плавления возрастает.
Таким образом, температура плавления и вязкость кислых шлаков, в общем, возрастают с увеличением содержания SiO2. С увеличением содержания Al2O3 вязкость и температура плавления сначала понижаются, а после перехода через некоторый минимум (при разных содержаниях Al2O3 для разной кислотности) возрастают. В основных шлаках глинозем в общем вызывает понижение вязкости, но также до некоторого предела, за которым наступает возрастание вязкости.
Вязкость трехкомпонентных доменных шлаков. Связь ее с плавкостью

Особый интерес представляют основные шлаки, содержащие, например, 35—40% SiO2 при 5—15% Al2O3 и 50—55% СаО, более или менее близкие к шлакам коксовой плавки в условиях Юга России. Эти шлаки имеют высокие температуры плавления (1300—1700°), резко возрастающие с понижением содержания SiO2. При 10% Al2O3 понижение SiO2 с 38 до 36% (при повышении содержания CaO соответственно с 52 до 54%) вызывает возрастание температуры плавления с 1500 до 1700° (рис. 94 и 95). Переход к более высокому содержанию Al2O3 (например, выше 15% Al2O3 при 38% SiO2) или понижение SiO2 менее 35—40% дает настолько высокие температуры плавления, что вообще делает эти шлаки неприемлемыми в практике. Аналогично температурам плавления и вязкости тех же шлаков при 1400 и 1500° резко возрастают с понижением SiO2 и возрастанием СаО, а с изменением Al2O3 вязкости этих шлаков сперва снижаются, а потом, после прохождения через некоторое значение Al2O3 возрастают (только вязкость при 1400° и 10% Al2O3 на рис. 102 имеет минимум не при 38%, а при 42% SiO3).
Нетрудно понять тесную связь вязкости и температур плавления основных шлаков между собой: чем выше температура начала затвердевания шлака, тем больше выпавшей кристаллической фазы в гетерогенной системе, тем более вязкой она кажется.
Вязкость шлаков, содержащих CaO меньше 50%, при 1500° (рис. 103) остается сравнительно постоянной при меняющихся отношениях SiO2 : Al2O3 и неизменной CaO.
Некоторые влияния неодинаковы по диаграммам Мак-Кеффери и Н.В. Рулла. На кривых вязкости Мак-Кеффери при 1400—1600° при увеличении любого компонента имеется одно минимальное значение и два максимальных. На диаграммах Н.В. Рулла кривые вязкости шлаков извилисты; на них можно видеть несколько минимальных и еще больше, максимальных значений. Так, при 1500° шлак, содержащий 42% SiO2, при возрастании Al2O3 и уменьшении CaO имеет вязкость более 100 пуаз при 2% Al2O3, 3 пуаза при 10% Al2O3, 10 пуаз при 14% Al2O3, 4 пуаза при 18% Al2O3 и 20 пуаз при 27% Al2O3, т.е. два минимума и три максимума вязкости. При постоянном отношении CaO : SiO2 = 1,43 шлаки имеют наибольшую вязкость при 12 и 16% Al2O3, а при отношении 1,25 — при 13 и 17% Al2O3. Разные результаты у разных исследователей объясняются различием методики измерений, но при этом не исключается идентичность отмеченных выше общих тенденций.
До сих пор рассматривались температуры плавления шлаков с использованием известных исследований Ренкина. Н.В. Рулла показал, что по диаграммам η — t (типа рис. 100 и 101) можно определить температуру затвердевания шлака, т. е. температуру плавления по Ренкину. Основанием такого заключения является обнаруженная Ле-Шателье зависимость вязкости всякого шлака от его температуры:
Вязкость трехкомпонентных доменных шлаков. Связь ее с плавкостью

Следовательно, двойной логарифм вязкостей должен представлять собой прямолинейную функцию температуры. Однако шлак при температуре выше начала кристаллизации представляет собой гомогенную фазу, а при низкой температуре — гетерогенную. Эти шлаки отличаются по свойствам, поэтому в приведенном уравнении количественные значения постоянных M и P будут разные. Если подсчитать двойной логарифм для каждого значения вязкости, то для двух состояний шлака получатся две прямые, пересекающиеся в точке, соответствующей температуре начала кристаллизации. H.В. Рулла обнаружил хорошее совпадение своих исследований, обработанных исчислением двойного логарифма, с данными Ренкина.
И.П. Семик показал, что по кривой η—t можно найти ту температуру, при которой шлаки становятся практически нетекучими. Так, для «короткого» шлака состава 1 на рис. 101 эта температура находится в интервале 1440—1480°. Для длинных же коксовых и древесноугольных шлаков предлагается принимать за температуру плавления ту, при которой вязкость достигает 25 пуаз, поскольку более высокая вязкость свидетельствует уже о нетекучести шлака.
Температуры, при которых шлак начинает действительно течь, исследователи пытались установить при непосредственном определении температур образования капель шлака вместо измерения его вязкости. Эта попытка объясняется тем, что иногда трудно установить то значение вязкости, при котором шлак действительно начинает течь. Температура же, при которой шлак начинает капать, или та, при которой первые капли отделяются от жидкой массы, технически более четко определяет начало подвижности шлака.
Определения температур каплеобразования шлаков проводил М.Я. Остроухов. Он показал, что представление о подвижности шлаков, создаваемое совместным рассмотрением диаграмм плавкости и вязкости, правильно. Так, для эвтектического состава с температурой плавления 1165°, но приобретающего достаточную подвижность лишь при 1600°, образование первых капель начинается при температуре выше 1450°. Смесь, содержащая 6,75% Al2O3 с температурой плавления по Ренкину 1450°, начинала оплавляться при 1400°, но при 1420° не давала еще падающей капли. Всякое повышение содержания CaO в шлаке повышает температуру каплеобразования. Далее исследовалось влияние на температуру каплеобразования MgO, Fe2O3, FeO, MnO, причем было найдено, что эти составляющие понижают температуру каплеобразования, как и температуру плавления и вязкость шлака.
Таким образом, независимо от способа определения плавкости шлаков, оказывается, что величина эта связана с вязкостью и изменяется аналогично последней.
Однако иногда указанной аналогии может и не быть. Имеются случаи, когда при высокой температуре плавления вязкость низкая, и наоборот. Ряд наблюдений в этом направлении недавно опубликован П.П. Козакевичем.