În procesul de fabricare a oțelului, două faze lichide — metalul și zgura — interacționează continuu. Cu toate acestea, după obținerea unei anumite compoziții chimice a metalului, este necesar să se asigure separarea maximă a fazei de zgură de metal. O astfel de separare se bazează în principal pe diferența de densitate dintre metal și zgură. Densitatea fierului solid este de 7,86 g/cm 3 , a oțelului solid, în funcție de compoziția sa 6,8-8,2 g/cm 3 , iar densitatea oțelului lichid variază între 6,5-7 g/cm 3 .
Densitatea zgurii depinde de densitatea componentelor sale. Densitățile unor oxizi la temperatura camerei sunt prezentate mai jos.
Densitatea zgurii este determinată în principal de conținutul de oxizi grei: FeO, Fe2O3 și MnO. Dependența densității zgurii solide de suma acestor oxizi este prezentată în figura 4, care arată că, chiar și cu un conținut ridicat de oxizi grei, densitatea zgurii este de aproximativ jumătate din densitatea metalului.
Densitatea zgurii lichide depinde atât de compoziție, cât și de temperatură. Pe măsură ce temperatura crește de la 1400 la 1700° C, densitatea zgurii bazice care conține ∼25% oxizi grei scade de la 3,14 la 2,77 g/cm 3 , adică cu aproximativ 0,12 g/cm 3 pentru o creștere de temperatură de 100° C.
Conținut
Tensiunea superficială și interfacială
Forțele de aderență acționează între particulele unui lichid. Particulele din straturile interioare ale lichidului sunt înconjurate pe toate părțile de aceleași particule și, prin urmare, forțele de atracție care acționează asupra unei anumite particule din diferite părți se echilibrează reciproc (fig. 5, a). În stratul de suprafață există forțe de atracție din partea straturilor interne ale lichidului și din partea mediului care mărginește stratul de suprafață, care în general nu sunt echilibrate.
În legătură cu particularitățile observate ale particulelor de suprafață, este necesară o anumită muncă pentru a crește interfața dintre faze. Acest lucru, raportat la 1 cm 2 de suprafață, se numește tensiune superficială și se notează σ . Dimensionalitatea lui σ este MJ/m 2 (erg/cm 2 ). Uneori, tensiunea superficială este exprimată ca forță pe unitate de lungime (dyne/cm). Valorile numerice ale tensiunii superficiale exprimate în erg/cm 2 și din/cm coincid. Dacă se iau în considerare fenomenele de suprafață la interfața dintre două faze condensate, de exemplu zgură — metal, se utilizează termenul „tensiune interfacială”.
Impuritățile prezente în lichid se comportă diferit la interfețe. Dacă forța de legătură dintre particulele de impurități și particulele de solvent este mică, particulele de impurități sunt împinse la suprafață, reduc forțele de legătură dintre particulele de suprafață și reduc astfel tensiunea superficială (interfacială) (fig. 5, b). Astfel de impurități se numesc substanțe active la suprafață, iar concentrația lor în stratul de suprafață va fi mai mare decât în volum. În același timp, dacă particulele de impurități au forțe de interacțiune mai mari cu particulele de solvent decât au particulele de solvent între ele, concentrația acestor impurități în stratul superficial va fi mai mică decât în volum (figura 5, c). Astfel de substanțe se numesc inactive de suprafață.
Tensiunea superficială a zgurii lichide bazice și acide la limita cu faza gazoasă este de 500-600 și respectiv 300-400 erg/cm 2 (0,5-0,6 și 0,3-0,4 mJ/cm 2 ). La creșterea în zgura bazică a unor oxizi precum MnO, SiO2, P2O5TiO2, V2O5, FeO, Cr2O3, valoarea lui σ scade, adică acești oxizi sunt activi la suprafață în raport cu zgura de bază. Creșterea conținutului de CaO, MgO și Al2O3 în zgura de bază conduce la o creștere a tensiunii superficiale, în acest caz acești oxizi sunt inactivi la suprafață.
Tensiunea interfacială la interfața fier-slag de CaO, Al2O3 și SiO2 este de 1-1,1 mJ/cm 2 (1000- 1100 erg/cm 2 ). Creșterea conținutului de CaO și Al2O3 în zgură crește tensiunea interfacială, iar FeO, MnO și Na2O sunt, de asemenea, oxizi activi la suprafață și reduc tensiunea interfacială.
Punctul de topire
Principalele componente ale zgurii siderurgice sunt CaO, FeO, SiO2Al2O3. Punctele de topire ale acestor oxizi sunt prezentate mai jos:
Punctul de topire al sistemelor de oxizi dubli și în general multicomponenți este în general mai mic decât punctul de topire al celui mai refractar dintre oxizi. De exemplu, într-un topitură compusă din CaO, Al2O3 și SiO2, există o regiune mare cu punctul de topire
Temperatura băii lichide de fabricare a oțelului în timpul procesului de topire variază între 1450-1700° C, care este sub punctul de topire al majorității oxizilor menționați mai sus. Pentru ca procesele dintre zgură și metal să treacă suficient de repede, temperatura zgurii trebuie să fie cu 100-200° C peste punctul de topire. Selectarea adecvată a conținutului de componente ale zgurii se realizează pentru a obține temperatura de topire necesară a zgurii.
Vâscozitatea și fluiditatea zgurii
Unul dintre principalii factori care determină viteza proceselor fizice și chimice care implică zgura este vâscozitatea acesteia. Vâscozitatea este frecarea internă care are loc între straturi separate de lichid atunci când aceste straturi se mișcă la viteze diferite. Unitatea de măsură a vâscozității este Pa-s (pascal-secundă, dimensiune H-s/m 2 ) sau poise (P, dimensiune g-c m-1 — s-1 ). Inversul vâscozității (F = 1/η) se numește vâscozitatea fluidului.
Vâscozitatea unui lichid depinde de natura, compoziția și temperatura acestuia. Vâscozitatea unor substanțe este dată mai jos pentru comparație:
Vâscozitatea zgurii lichide este ∼0,02 Pa-s (0,2 P), zgura groasă este ~0,2 Pa-s (2 P) și mai mare. Odată cu creșterea temperaturii, vâscozitatea zgurii scade, iar vâscozitatea zgurii lichide crește (figura 6).
Vâscozitatea zgurii bazice siderurgice depinde în mare măsură de prezența particulelor solide în aceasta, care cel mai adesea pot fi particule de magnezie și oxizi de crom cu un conținut de peste 12-15 și, respectiv, 6-8%. Vâscozitatea zgurii de bază care conține 10-20% SiO2, 40-50% CaO și 8-15% FeO, crește la 1600° C de la 0,02 la 0,25 Pa-s (0,2 la 2,5 P) cu creșterea conținutului de MgO de la 6-8 la 15-20%. Vâscozitatea zgurii bazice și acide reduce componentele care asigură distrugerea ionilor mari, cum ar fi complexele siliciu-oxigen, și existența stabilă a ionilor mici. Pentru zgurile bazice, ca aditivi de diluare sunt Al2O3 și CaF2. Astfel, vâscozitatea zgurii de calcar-alumină care conține 50 % CaO și 50 % Al2O3 la 1600° C, este de 0,23 Pa-s (2,3 P), iar cu adăugarea a ~8% CaF2 scade la 0,11 Pa-s (1,1 P).
Efectul zgurii fluorurate asupra zgurii este de scurtă durată datorită descompunerii CaF2 de vaporii de apă prin reacția CaF2+2H2O = Ca(OH)2+2HF↑ și volatilizarea hidrogenului fluorurat.
În condiții de fabrică, fluiditatea zgurii este uneori controlată cu ajutorul viscometrului Herty, care este o matriță metalică detașabilă (fig. 7). Atunci când viscometrul este asamblat, știfturile unei jumătăți a matriței sunt introduse în locașurile celeilalte jumătăți. În pâlnia de primire a vâscozimetrului se toarnă zgură luată din cuptor cu o lingură. Măsura fluidității zgurii este lungimea curgerii sale în canalul cu un diametru de 6,4 mm, adică în acest caz se determină fluiditatea relativă a zgurii. Pentru a evalua rezultatele obținute, este necesar ca condițiile de eșantionare a zgurii și de turnare a acesteia în viscometru să fie aceleași.
Principalul factor care determină fluiditatea relativă a zgurii este bazicitatea acesteia: odată cu creșterea bazicității, fluiditatea zgurii scade (fig. 8).
Vâscozitatea zgurii determină în mare măsură rata de difuzie a impurităților din aceasta; pe măsură ce vâscozitatea crește, rata de difuzie scade. Prin urmare, componentele zgurii care cresc vâscozitatea zgurii reduc simultan rata de difuzie a impurităților. Rata de difuzie a impurităților în zgură este de aproximativ zece ori mai mică decât în metal. Pentru a asigura viteza necesară a proceselor, în cursul topirii se adaugă diverse fluxuri care reduc vâscozitatea zgurii.
Conductivitatea electrică și entalpia zgurii
Zgurii sunt conductori de al doilea tip și conductivitatea lor electrică crește odată cu creșterea temperaturii. În același timp, conductivitatea electrică a zgurii depinde de tipul și numărul de ioni. Ionii Fe 2+ și Mn 2+ sunt foarte mobili și odată cu creșterea conținutului lor în zgură crește conductivitatea electrică a acesteia. De exemplu, conductivitatea electrică a zgurii care conține 45% CaO, 42% Al2O3 și 13% FeO la temperaturi de 1100 și 1400° C, este de 0,106 și respectiv 0,266 1/(Ohm-cm), iar zgura care conține 42% CaO, 27% SiO2 și 31% FeO la aceleași temperaturi 0,11 și 0,86 1/(Ohm-cm).
Conductivitatea electrică a zgurii formate din CaO, Al2O3 și CaF2crește odată cu creșterea conținutului de CaF2.
Consumul de căldură pentru încălzirea zgurii este determinat de ecuația
q = 1,17t + 209 kJ/kg (q = 0,28t + 50 kcal/Kg),
unde 1,17 (0,28) — capacitatea termică medie a zgurii, kJ/(°C-kg) (kcal/(°C-kg);
209 (50) — căldura de topire a zgurii, kJ/kg (kcal/kg);
t — temperatură, °С.
Entalpia zgurii la 1600° C este de 2085 kJ/kg (498 kcal/kg) [pentru oțel 1465 kJ/kg (350 kcal/kg) ].
Unele zgurii de bază sunt supuse descompunerii silicaților în timpul răcirii, asociată cu schimbarea modificărilor 2CaO-SiO2care au un volum specific diferit. Scoriile carbidice sunt, de asemenea, autofrezante datorită interacțiunii dintre carbura de calciu și vaporii de apă.
