» » Вязкость металлургических шлаков
15.05.2015

Одним из важных свойств шлака в процессе разделения жидких продуктов плавки является текучесть шлака, характеризующая его как жидкую фазу. При определении плавкости шлака по диаграмме состояния следует иметь в виду, что верхняя критическая точка указывает только температуру, при которой в системе исчезает остаток кристаллической фазы, но эта температура ничего не говорит о подвижности — текучести полученной однофазной системы. Верхняя критическая точка указывает температуру, при которой получается некристаллическое, аморфное состояние. Для подавляющего большинства веществ аморфное состояние характеризуется большой подвижностью — жидкотекучестью. В шлаковых системах мы встречаемся с тем относительно редким случаем, когда аморфное, т. е. жидкое состояние характеризуется очень малой текучестью, так что вещество в этом состоянии больше похоже на твердое тело, чем на жидкость.
Наиболее ярким представителем веществ такого рода является чистая кремневая кислота, имеющая точку плавления при 1710°. При этой температуре устойчивая в области высоких температур кристаллическая модификация SiO2 — кристобалит обратимо переходит в некристаллическое аморфное, т. е. жидкое состояние. При 1710° жидкая кремнекислота (кварцевое стекло) — с трудом деформируется и практически совершенно не течет. Для того чтобы заставить кварцевое стекло вытекать из тигля, нужна температура, превышающая 2000°.
Причина такого поведения кремнекислоты — ассоциация ее молекул SiO2 в сложные, по несколько сот и тысяч молекул, прочные пространственные «цепочки», лишающие эту «жидкость» подвижности. Повышение температуры вызывает распад этих сложных ассоциаций на более простые, с чем связано уменьшение вязкости. Подобно кремневой кислоте ведут себя В2О3, Р2О5, а также целый ряд органических веществ. Все эти вещества с трудом кристаллизуются, легко сохраняя аморфное стеклообразное состояние.
Подобно кремневой кислоте ведут себя ее сплавы с другими окислами — шлаки с большим содержанием кремнекислоты. Очень резко выражены эти свойства в стеклах — сплавах 70—90% SiО2 с окислами щелочных металлов и окисью кальция. Достаточно резко выражены подобные же свойства в кислых шлаках со степенью кислотности 2 и выше. Прибавление к SiО2 других компонентов смещает область состояния с большой вязкостью к более низким температурам и сокращает температурный интервал состояния с большой вязкостью. Другие компоненты шлаковых систем, несмотря на высокие температуры плавления (2050° для Аl2О3, 2570° для СаО, 2800° для MgO) дают в точках плавления неассоциированные жидкости с малой вязкостью. Окислы тяжелых металлов (Fe, Ni, Mn, Pb) также дают в точках плавления подвижные жидкости.
Таким образом, диаграмма состояния системы для сплавов с большим содержанием кремнекислоты не дает точных указаний о температуре нагрева, необходимой для перевода шлака в состояние подвижной жидкости, каким обязательно должен быть металлургический шлак.
Поэтому данные по плавкости для кислых шлаков должны быть дополнены данными по изменению вязкости этих шлаков с изменениями температур и составов. Количественной характеристикой вязкости является коэффициент вязкости или коэффициент внутреннего трения η измеряемый в пуазах (г/см*сек).
Такие данные получают опытным путем — непосредственно измерением вязкости расплавленных шлаков. Наиболее наглядным является способ определения вязкости расплавленного шлака наблюдением за движением в шлаке небольшого платинового шарика. В расплавленный шлак опускают платиновый шарик известного диаметра, подобранного так, чтобы его движение в шлаке подчинялось закону Стокса (1,1). Тигель с расплавленным шлаком просвечивают рентгеновыми лучами. За движением шарика следят по движению его тени на флюоресцирующем экране. Измеряв скорость движения тени шарика, можно вычислить его действительную скорость движения в шлаке и затем, по формуле Стокса, вычислить вязкость шлака при заданной температуре. Этот способ позволяет осуществить прямое измерение вязкости шлака, но требует дорогой аппаратуры.
Другой широко применяемый способ косвенного определения вязкости шлаков использует аппаратуру, схема которой дана на рис. 27.
Вязкость металлургических шлаков

В печи, поддерживающей определенную заданную температуру, на столике, который может вращаться с небольшой и строго постоянной скоростью, установлен тигель с исследуемым шлаком. В шлак погружен цилиндр из огнеупорного материала, суженный конец которого выходит из печи и подвешен на упругой нити. К концу подвешенного цилиндра прикреплена стрелка, передвигающаяся над циферблатом и указывающая угол поворота цилиндра. При вращении столика со шлаком погружённый в шлак цилиндр повернется на определенный угол от положения своего равновесия без вращения столика. Этот угол будет тем больше, чем больше вязкость шлака. Так как угол поворота стрелки подвешенного цилиндра зависит от ряда факторов конструктивного характера, а не просто пропорционален вязкости шлака, то прибор предварительно градуируют по жидкостям с известной вязкостью.
Результаты исследования вязкости двухкомпонентных систем дают в форме кривых состав — свойство: по оси абсцисс отложен состав в процентах, по оси ординат — вязкость в пуазах. Точки, соответствующие одинаковым температурам, образуют линии — изотермы вязкости. На диаграммах с несколькими изогермами (рис. 28) для каждой изотермы указана ее температура.
Вязкость металлургических шлаков

Значительно сложнее изображение результатов исследования вязкости трехкомпонентных шлаков. На концентрационном треугольнике наносят точки составов исследуемых сплавов и у каждой точки указывают вязкость соответствующего сплава при одной и той же фиксированной температуре для всех точек данного треугольника. Затем точки с одинаковой вязкостью соединяют линиями, образующими кривые постоянной вязкости — изокомы; значение этой вязкости в пуазах указывают на линии. Вся такая диаграмма (рис. 29) относится к одной определенной температуре; для другой температуры следует строить другую диаграмму.
Подобные диаграммы вязкости имеются для важнейшей шлаковой системы SiO2—CaO—Аl2О3, описывающей вязкость шлаков доменной плавки при температурах 1450—1550°.
В металлургической практике приходится иметь дело со шлаками вязкостью от долей пуаза до 50, редко до 100 пуазов. Шлаки с вязкостью до 2—3 пуазов считаются жидкими, шлаки с вязкостью 10—20 пуазов — шлаками средней вязкости, шлаки с вязкостью 50 пуазов и более — очень вязкими густыми, такие шлаки медленно вытекают печей.
Закономерность изменения вязкости шлаковых систем от температуры может быть выражена формулой Ле-Шателье:
lg lg η = AT + В,

где lg lg η — двойной логарифм вязкости, пуазы;
А и В — постоянные (коэффициенты для шлака данного состава.
У основных шлаков изменение вязкости с температурой происходит быстро: подъем температуры на 20—30° делает очень вязкий неспособный течь шлак совершенно жидким; для кислых шлаков такое изменение протекает гораздо медленнее, в интервале температур, растягивающемся на 200—300°.
Такое изменение свойств шлаков с единственным кислотообразующим окислом кремневой кислотой (SiO2) описывается диаграммой плавкости шлаков, составленной В.Я. Мостовичем (рис. 30).
Вязкость металлургических шлаков