Теплопроводность ? = 2,3—3,5 Вт/(м • К). Она на порядок меньше, чем у металла (? = 21—23 Вт/(м • К). Следовательно, тепловое сопротивление ?/? слоя шлака толщиной ? = 0,1 м примерно такое же, как и слоя металла толщиной 1 м.
При перемешивании ванны в результате ее кипения или продувки газами эффективный коэффициент теплопроводности, названный М. А. Глинковым виртуальным, резко возрастает и достигает у шлака 116—230 Вт/(м • К), но и в этом случае Х,^ шлака на порядок меньше, чем кипящего металла.
Теплосодержание шлака iш, кДж/кг, зависит от его состава незначительно. В интервале температур 1473—1873 К оно может быть рассчитано по предложенной автором формуле
Истинная теплоемкость шлака, кДж/ (кг • К),
Теплосодержание жидкого железа в интервале Т = 1810—2000 К определяется по приближенному выражению
(3.35)
Из приведенных выше формул следует, что теплосодержание и теплоемкость шлака значительно выше, чем железа (при 1873 К iш = 1890 кДж/кг; сш = 2,09 кДж/ (кг • К); iFe = 1390 кДж/кг; cFe = 0,84 кДж/ (кг • К)).
С жидким шлаком теряется много тепла. Если шлак составляет 10% массы металла (100 кг/т), он уносит тепла 186 700 кДж/т стали, что при коэффициенте использования тепла в мартеновской печи 30% требует дополнительного расхода топлива около 20% общего количества. Однако этот расход нельзя считать бесполезным, так как определенное количество шлака оптимального состава необходимо для удаления вредных примесей из металла и обеспечения других показателей качества стали. Кроме того, в настоящее время шлаки используются как ценные материалы.
Плотность шлака ?ш колеблется в пределах 2800—3200 кг/м3. Повышение температуры на 100° С снижает ?ш на 7 кг/м3, а увеличение содержания в шлаке FeO и МnО способствует ее возрастанию, так как ?FeO = 5800 и ?MnO = 5700 кг/м3.
Электропроводность шлаков смешанная (ионная и электронная). Она составляет 0,001 — 0,009 (Ом • м)–1, что неизмеримо меньше величины электропроводности металлов (104) и электролитов (0,02—0,07), но значительно больше —диэлектриков (10–10). С увеличением концентрации в шлаке закисей железа и марганца его электропроводность повышается до 0,16 (Ом • м)–1, что связано с ростом концентрации ионов Fe2+, Мn2– и О2–. Замена закиси железа окисью кальция и кремнеземом (особенно при основности В = 2,0) снижает электропроводность шлака. С учетом этого некоторые авторы (Хейнман, Чуйко) полагают, что в основном шлаке присутствуют малоподвижные электронейтральные молекулы ортосиликата кальция (2СаО • SiO2).
Динамическая вязкость шлаков ? колеблется в широких пределах (от 0,01 до 0,4 Па • с). Она является важнейшим фактором, определяющим скорость всех диффузионных процессов в сталеплавильной ванне.
Кинематическая вязкость сталеплавильных шлаков v = ?/? колеблется в пределах 3 • 10–6 — 10–4 м2/с, что значительно выше величины кинематической вязкости воды (9 • 10–7 м2/с) и жидкой стали (4 • 10–7 — 8 • 10–7 м2/с), но ниже — глицерина (5 х 10–4 м2/с) и касторового масла (8 • 10–4 м2/с).
Вязкость гомогенного (физически однородного) шлака непрерывно снижается с ростом его основности В. Кислые шлаки, содержащие крупные кислородные анионы, имеют большую вязкость, поскольку перемещение крупных комплексов частиц затруднено.
Например, анион Si3O96-O_9^(6–) имеет форму цепочки (рис. 25). Такие громоздкие комплексы оказывают большое сопротивление движению жидкости под действием внешних сил и вдвойне снижают коэффициент диффузии в ней из-за роста вязкости расплава и размера частиц.
С повышением основности шлака резко уменьшается его вязкость, поскольку этот процесс сопровождается увеличением концентрации малых по размерам и подвижных ионов Са2+ и О2–.
Эффективная вязкость гетерогенного шлака с повышением основности растет, что обусловлено увеличением количества нерастворимых в шлаке частиц извести. Повышать основность гетерогенных шлаков с целью удаления из металла серы и фосфора нецелесообразно, так как при этом степень десульфурации и дефосфорации металла оказывается значительно ниже теоретически возможной, которая достигается лишь в случае гомогенного шлака.
Повышение температуры и присадка разжижителей (боксита, плавикового шпата, окалины) снижают вязкость и увеличивают отимальный верхний предел основности шлака, так как способствуют растворению в нем твердых частиц окисей кальция и магния.
Как показано на рис. 26, резкое увеличение вязкости наблюдается при температуре, близкой к точке ликвидуса, когда увеличивается количество микро- и макрокристаллов в шлаке.
Минимальная вязкость шлака обычно обеспечивается при основности (CaO)/(SiO2), равной 1,8—2,2. Однако за счет увеличения степени перегрева шлака над линией ликвидуса, достигаемого в результате повышения температуры и добавки разжижителей, можно получить жидкоподвижные шлаки и при основности 3 и выше.
(iл — температура ликвидуса)
Измерение вязкости шлаков в лабораторных условиях ведется с помощью ротационных (вращение в жидком шлаке коаксиальных цилиндров) или работающих по принципу затухающих колебаний вискозиметров. В производственных условиях для контроля текучести шлака (величины обратной вязкости) применяют более простые приборы (вискозиметр Герти и вискозиметр погружения).
Вискозиметр Герти (рис. 27, а) — разъемный на две части стальной брусок с воронкой и горизонтальным каналом длиной 250—300 и диаметром 6,4—9 мм. В воронку быстро заливают жидкий шлак. Длина затекшей и застывшей в канале струи шлака l, мм, характеризует его текучесть. Пониженная (густой шлак), нормальная и повышенная текучесть шлака при диаметре канала d = 6,4 мм соответственно составляет 0—50: 100—150; 180—250 мм.
С помощью этого прибора текучесть шлака определяется недостаточно точно, так как длина его пробега в канале зависит от скорости кристаллизации, связанной с интервалом температур ликвидуса и солидуса шлака. Кроме того, на показания прибора сильно влияет метод отбора проб шлака из печи (место отбора, прогрев ложки, быстрота слива шлака в воронку прибора).
Предложенный автором совместно с А. Д. Куценко вискозиметр погружения (рис. 27, б) дает более точные результаты. Прибор прогревают в течение 10 с и погружают (10 с) в шлак до уровня шайбы (этим создается постоянный напор жидкого шлака). Текучесть шлака характеризуется массой шлака, затекшего в стакан через отверстие тигелька постоянного диаметра, г/5 с.
В отличие от прибора Герти, в котором длина пробега шлака зависит от скорости кристаллизации, в рассматриваемом приборе при прохождении через калиброванное отверстие шлак находится в жидком состоянии. Скорость протекания шлака в этом случае зависит исключительно от его вязкости. Прибор несколько напоминает вискозиметр Пуазеля. Примерные значения текучести густого, нормального и жидкоподвижного шлаков при диаметре отверстия в тигельке 9 мм составляют соответственно 50—100; 150—200-250—500 г/5 с.
Коэффициент молекулярной диффузии в шлаках D, м2/с, можно приближенно определить по формуле Стокса-Эйнштейна:
(3.36)
где k = R/NA = 1,38 • 10–21 Дж/К — постоянная Больцмана; r — эффективный радиус частицы, м; ? — динамическая вязкость, Па • с. По формуле (3.36) находится порядок величины D. Так, для жидкой стали (? = 5 • 10–3 Па • с; r = 10–10 м; Т = 1800 К)
При постоянных значениях r и Т
(3.37)
Так как вязкость шлака ? на один порядок больше, чем вязкость металла, то в шлаке D ? 10–10 м2/с. В основных шлаках с увеличением (% FeO) D резко возрастает и при (% FeO) > 14% достигает значения 10–8 м2/с.
При перемешивании металла и шлака эффективные коэффициенты диффузии в объеме Dэф (коэффициенты турбулентной диффузии Dтypб) увеличиваются на семь-восемь порядков по сравнению с D и составляют в металле 10–2 — 10–1 м2/с, а в шлаке — 10–3 — 10–2 м2/с. Однако величина коэффициентов молекулярной диффузии в неподвижной среде тоже имеет огромное значение для кинетики процессов, поскольку влияет на скорость массопереноса через неперемеши-ваемые пограничные слои у поверхности раздела фаз (шлак — металл, шлак — твердая известь, жидкий металл — твердый скрап, металл — пузыри и т. д.).
Поверхностное натяжение шлаков ? в зависимости от их составов колеблется в пределах 200—600 мДж/м2, что в три-девять раз меньше величины а жидкого железа (1800 мДж/м2).
К поверхностно-активным окислам, снижающим а шлаков, относят: Р2O5, CaF2, SiO2, Na2O, K2O, Fe2O3. Поверхностно-инактивными окислами, увеличивающими ?, являются CaO, MgO, Al2O3.
Некоторые авторы считают, что поверхностно-активные окислы способствуют пенообразованию, так как адсорбируются на границе раздела шлака с пузырьками СО, образуя устойчивые пленки (наподобие мыльной пены). Однако степень вспенивания шлака зависит не только от поверхностного натяжения, но и от вязкости шлака, механической прочности шлаковых пленок на пузырьках.
Межфазное натяжение металла и шлака ?м.ш согласно правилу Антонова всегда меньше поверхностного натяжения металла на границе с газом (?м.г), т. е.
(3.38)
где ?ш.г — поверхностное натяжение шлака на границе с газом.
Это правило не всегда выполняется. Результаты исследования С. И. Попеля свидетельствуют о том, что некоторые окислы снижают не только ?ш.г, но и ?м.ш. Ниже будет показано, что правило Антонова выполняется лишь при полном смачивании металла шлаком.
Снижение межфазного натяжения ?м.ш в ряде случаев нежелательно, так как обусловливает повышенное прилипание шлака к металлу (смачивание). Это способствует увеличению потерь металла в виде корольков, а также загрязнению его неметаллическими включениями. Так, при наличии карбидных шлаков в электроплавке ?м.ш имеет незначительную величину (200—300 мДж/м2), что приводит к загрязнению металла карбидными включениями. Для получения более чистого металла необходимо перевести карбидный шлак в «белый» (известково-кремнеземистый) за счет присадок ферросилиция.
