Физические свойства шлаков можно подразделить на статические (активность компонентов, поверхностное натяжение, плотность и т.п.), относящиеся обычно к состоянию термодинамического равновесия, и на динамические (вязкость, теплопроводность, диффузия, электропроводность и т.п.), связанные с нарушением этого равновесия.

Одной из важнейших динамических характеристик шлаковых расплавов является теплопроводность — распространение теплоты от более нагретых объемов тела к менее нагретым.

Одним из основных факторов, определяющих скорость процесса окисления или передачи элементов (серы, водорода, азота и т.д.) из атмосферы печи к металлу, является вязкость.

Теплопроводность шлаков Л_ш=2,3…3,5 Вт/(м*К), что на порядок меньше, чем у металла (Л_Fe=21…23 Вт/(м*К)). Следовательно, тепловое сопротивление д/Л слоя шлака толщиной д = 0,1 м примерно такое же, как у слоя металла толщиной 1 м.

При перемешивании ванны во время ее кипения и при продувке газами резко возрастает так называемый “виртуальный” коэффициент теплопроводности шлаков (до 116…230 Вт/(м*К)), но и при этом он на порядок меньше, чем у кипящего металла.

Теплосодержание (энтальпия) шлака i_ш незначительно зависит от его состава. В интервале 1200…1600^oС оно может быть рассчитано по формуле

i_ш=0,276(T–273)+0,569*10^-3(T–273)² кДж/кг. (3.52)

Истинная теплоемкость шлака при данной температуре

кДж/кг. (3.53)

Теплосодержание жидкого железа может быть рассчитано по приближенной формуле

i_Fe=52,31+0,831*(T–273) кДж/кг. (3.54)

Из приведенных формул следует, что энтальпия и теплоемкость шлака значительно ниже, чем у железа (при 1600^oС): i_ш=1890 кДж/кг, Сш=2,09 кДж/(кг*К), i_Fe=1390 кДж/кг, C_Fe=0,84 кДж/(кг*К). С жидким шлаком уносится много теплоты. При количестве шлака 10% массы металла (100 кг/т) шлак уносит 186700 кДж/т стали, что при коэффициенте использования теплоты топлива в мартеновской печи 30 % требует дополнительного расхода теплоты топлива в мартеновской печи около 20% общего расхода.

Плотность шлака p_ш колеблется в пределах 2800…3200 кг/м³. Повышение температуры на 100^oС снижает p_ш на 70 кг/м³. Увеличение (FeO) и (MnO) способствует возрастанию p_ш, так как p_(FeO)=5800 кг/м³ и p_(MnO)=5700 кг/м³.

Электропроводимость шлаков смешанная (ионная и электронная); она составляет 0,001…0,009 (Ом*м)^-1, что несоизмеримо меньше, чем у металлов (10⁴) и чем у электролитов (0,02…0,07), но значительно больше, чем у диэлектриков (10^-10). С увеличением (FeO) и (MnO) электропроводимость шлака повышается до 0,16 (Ом*м)^-1, что связано с увеличением концентрации ионов Fe²⁺, Mn²⁺ и O^-2 в шлаке. Замена FeO на CaO и SiO₂ (особенно при основности В=2,0) приводит к падению электропроводимости шлака. На этом основании некоторые авторы (Хейнман, Чуйко и др.) полагают, что в основном шлаке присутствуют малоподвижные электронейтральные молекулы 2CaO*SiO₂.

Вязкость (внутреннее трение) расплавов характеризует сопротивление, испытываемое его слоями при движении их относительно друг друга. Причина внутреннего трения заключается в переносе импульсов частицами или группами частиц (единицами вязкого течения), которое под влиянием внешней силы, перемещаясь из слоя, движущегося с большей скоростью, увеличивают скорость более медленно перемещающегося слоя и наоборот.

Динамическая вязкость представляет собой импульс, передаваемый через единицу площади соприкасающихся слоев.

Динамическая вязкость шлаков колеблется в широких пределах (0,01…0,4 Па*с) и служит важнейшим фактором, определяющим скорость всех диффузионных процессов в сталеплавильной ванне.

Коэффициент динамической вязкости n численно равен силе F, H, затраченной на перемещение слоя жидкости площадью S, м², относительно другого слоя жидкости, расположенного на расстоянии Х=1 м, со скоростью v=1 м/с:

;
|n|=кг•м/(с²•1/с•м²)=кг/(м•c)=Н•с/м². (3.55)

Кинематическая вязкость

, м²/с — частное от деления динамической вязкости на плотность жидкости. Это импульс, передаваемый единицей массы частиц, находящихся в единице объема, через единицу площади соприкасающихся слоев.

Кинематическая вязкость v сталеплавильных шлаков колеблется в пределах 3*(10^-6…10^-4) м²/с, что значительно выше, чем у воды (9*10^-7) и жидкой стали (4*10^-7…8*10^-7), но ниже, чем у глицерина (5*10^–4) и касторового масла (8*10^–4).

Факторы, влияющие на вязкость шлаков. Вязкость гомогенного (физически однородного) шлака непрерывно снижается с ростом его основности В. Кислые шлаки, содержащие крупные кислородные анионы, имеют высокую вязкость, так как перемещение крупных комплексов частиц затруднено. Например, анион

имеет форму “цепочки”:

Такие громоздкие комплексы оказывают большое сопротивление движению жидкости под действием внешних сил.

С повышением В резко снижается вязкость, так как увеличива-ется концентрация малых по размерам и подвижных ионов Са²⁺ и О^2-.

Вязкость гомогенного шлака растет с увеличением основности В, что обусловлено повышением количества нерастворенных в шлаке частиц извести. При наличии гетерогенных шлаков повышение В неэффективно для удаления из металла серы и фосфора (степень десульфурации и дефосфорации металла оказывается значительно ниже теоретически возможной, которая достигается лишь при наличии гомогенного шлака).

Рис. 17. Схема влияния основности (а) и температуры (б) шлака на его вязкость (t_л — температура ликвидуса)

Повышение температуры и присадка раскислителей (боксита, плавикового шпата, окалины) снижают вязкость шлака и увеличивают оптимальный верхний предел его основности, так как способствуют растворению в шлаке твердых частиц оксидов кальция и магния.

Резкое увеличение вязкости шлака (рис. 17) наблюдается при температуре, близкой к точке ликвидуса, когда увеличивается количество микро- и макрокристаллов в шлаке.

Рис. 18. Приборы для измерения текучести жидкого шлака: 1 — тигель с отверстием 9 мм; 2 — шайба для определения глубины погружения стакана; 3 — трубка для выхода воздуха; 4 — стакан

Минимальная вязкость шлака обычно обеспечивается при основности (CaO/SiO₂)~2. Однако за счет увеличения степени перегрева шлака над линией ликвидуса, достигаемого повышением температуры и добавкой разжижителей, можно получить жидкоподвижные шлаки и при основности 3 и выше.

Измерение вязкости шлаков. В лабораторных условиях применяются вискозиметры ротационные (вращение в жидком шлаке коаксиальных цилиндров) или работающие по принципу затухающих колебаний.

Для текущего контроля текучести шлака (величины, обратной вязкости) применяют более простые методы измерений.

“Вискозиметр” Герти (рис. 18, а) — разъемный на две части стальной брусок с воронкой и горизонтальным каналом длиной 250…300 мм и диаметром 6,4…9,0 мм. В воронку быстро заливают жидкий шлак. Длина затекшей и застывшей в канале струи шлака l характеризует жидкоподвижность шлака.

Жидкотекучесть шлака — l, мм, при d=6,4 мм
пониженная (густой шлак) — 0…50
нормальная — 100…150
повышенная — 180 и более

Этот метод недостаточно точно характеризует текучесть шлака, так как длина пробега шлака в канале зависит от скорости кристаллизации, связанной с интервалом температур ликвидуса и солидуса шлака. Кроме того, на показания прибора влияет метод отбора проб шлака из печи (место отбора, прогрев ложки, быстрота слива шлака в воронку прибора).

Предложенный нами “вискозиметр погружения” (рис. 18, б) дает более точные результаты. Прибор погружают в шлак до уровня шайбы (этим создается постоянный напор жидкого шлака). Перед погружением, длительность которого 10 с, прибор прогревают в пламени в течение также 10 с. Жидкотекучесть шлака характеризуется затекшей его массой в стакан (г/5 с) через отверстие тигелька постоянного диаметра.

В отличие от прибора Герти, где длина пробега шлака зависит от скорости кристаллизации, в этом приборе при прохождении через калиброванное отверстие шлак сохраняет жидкое состояние и скорость протекания шлака зависит исключительно от его вязкости. Примерные значения текучести шлака при диаметре отверстия в тигельке 9 мм:

Шлак — Количество, г/5 с
Густой — 50…100
Нормальный — 150…200
Жидкоподвижный — 250 и более

Вязкость жидкости обычно рассматривают свойство, определяющее скорости диффузии (перемещения частиц растворенного компонента в направлении уменьшения свободной энергии системы). Ко-эффициент диффузии численно равен количеству растворенного компонента, диффундирующего в единицу времени через единичное поперечное сечение при градиенте концентраций, равном единице, т.е. при изменении концентрации на единицу на каждый метр расстояния.

Коэффициенты диффузии в шлаках (D ,м²/с). По формуле Стокса-Эйнштейна

, (3.56)

где k=R/N_A=1,38*10^-23 Дж/К — постоянная Больцмана; r — эффективный радиус частицы, м; n — динамическая вязкость, Па*с.

Порядок величины D для стали (n=5*10^-3Па*с; r=10^-10 м; Т=1800К)

м²/с.

При постоянных значениях r и Т

(3.57)

Поскольку у шлака n на один порядок больше, чем у металла, то в шлаке D=10^-10 м²/с. Для катионов и свободных анионов O^2- D значительно больше, чем для молекул и сложных ионов, имеющих большие размеры r.

При перемешивании металла и шлака коэффициенты диффузии в объеме фаз (коэффициенты турбулентной диффузии или эффективные коэффициенты диффузии D_эф увеличиваются на 7-8 порядков и составляют в металле 10^-2…10^-1 м²/с, а в шлаке 10^-3…10^-2 м²/с). Однако коэффициенты молекулярной диффузии тоже имеют огромное значение, так как влияют на скорость массопереноса через неподвижные пограничные слои на границах раздела фаз (шлак-металл, шлак-твердая известь, жидкий металл-твердый скрап, металл-пузыри и др.).

Поверхностное натяжение шлаков д_ш. Поверхностное натяжение (сила сжатия, действующая в перпендикулярном направлении на единицу длины контура, ограничивающего поверхность) отражает информацию о межчастичных силах в расплавах и о строении их поверхности. Величина его тем больше, чем сильнее взаимодействие между частицами, поскольку поверхностные частицы в этом случае с большей силой втягиваются в объем расплава, который при этом приобретает наименьшую возможную площадь при данных давлении, температуре и составе. Численно поверхностное натяжение равно поверхностной энергии. В зависимости от состава поверхностное натяжение шлаков на границе с газом д_ш.г. колеблется в пределах 200..600 мДж/м², т.е. она в 3-9 раз меньше, чем у жидкого железа (1800 мДж/м²).

Поверхностно-активные оксиды (снижающие д_ш.г.): P₂O₅, CaF₂, SiO₂, Na₂O, K₂O, Fe₂O₃; поверхностно-инактивные оксиды (увеличивающие д_ш.г.): CaO, MgO, Al₂O₃.

Некоторые авторы (С.И. Сапиро и др.) считают, поверхностно-активные оксиды способствуют вспениванию шлака, так как они адсорбируются на поверхности пузырьков СО, образуя устойчивые пленки (наподобие “мыльной” пены). Однако это не единственный источник образования пены, зависящего не только от д_ш.г., но и от вязкости шлака и механической прочности пленок.

Межфазное натяжение металла и шлака д_ш.г. согласно правилу Антонова всегда меньше поверхностного натяжения металла на границе с газом д_н.г., т.е. д_н.ш. = д_м.г. – д_ш.г.

Это правило не всегда выполняется. Исследования С.И Попеля показали, что некоторые оксиды снижают д_ш.г. и одновременно д_м.ш. Покажем, что правило Антонова выполняется лишь при полном смачивании металла шлаком.

Снижение д_н.ш. в ряде случаев нежелательно, так как характеризует повышенное “прилипание” шлака к металлу (смачивание). Это вызывает повышение потерь металла в виде корольков, а также загрязнение металла неметаллическими включениями. Так, при наличии карбидных шлаков в электроплавке д_м.ш.=200…300 мДж/м² (малая величина), металл загрязняется карбидными включениями и необходимо перевести карбидный шлак в “белый” (известково-кремнеземистый) за счет присадок ферросилиция.