14.05.2018

Вязкость алюминотермических расплавов


Как следует из рассмотренных выше особенностей формирования слитка в ходе алюминотермического процесса, вязкость шлакового расплава в значительной степени определяет технико-экономические показатели производства алюминотермических сплавов.

В соответствии с уравнением Адамара—Рыбчинского скорость опускания металлической капли определяется вязкостью не только шлака, но и металла. Из приведенных на рис. 64—67 данных следует, что вязкость металлической капли на 2—3 порядка ниже, чем шлакового расплава, вследствие чего ее величиной можно пренебречь.
Вязкость основной составляющей алюминотермических шлаков — окиси алюминия — относительно невысока: вблизи точки плавления 0,06 Па*с, а при 2373 К — 0,05 Па*с.

Так как известь является одним из наиболее распространенных флюсов, используемых при восстановлении окислов металлов алюминием, рассмотрение влияния окиси кальция на вязкость глиноземистых расплавов представляет значительный интерес для алюминотермического производства. В табл. 26 приведены результаты экспериментальных определений вязкости синтетических известково-глиноземистых расплавов при различных соотношениях CaO и Al2O3. Вязкость известково-глиноземистых Расплавов при температуре выше 2000 К не превышает 0,14 Па*с; по мере увеличения содержания извести в шлаке вязкость его снижается (для 2023 К с 0,14 Па*с при 30% CaO до 0,07 Па*с при 60% CaO).
На рис. 68 показана вязкость системы CaO—Al2O3—SiO2 при 2073—2273 К; наличие двуокиси кремния существенно повышает вязкость шлаковых расплавов. Это обстоятельство является следствием чрезвычайно высокой вязкости двуокиси кремния (рис. 69).

На рис. 70 приведена вязкость высокоглиноземистых шлаков, содержащих двуокись кремния (табл. 27); из рисунка следует, что добавки к известково-глиноземистым расплавам двуокиси кремния до 13% не оказывают существенного влияния на вязкость шлака.
Вязкость металлургических шлаков является предметом систематических исследований при изучении любого металлургического процесса; на рис. 71 показана вязкость шлаков некоторых металлургических производств.

В последние годы проведено экспериментальное исследование температурной зависимости вязкости шлаков практически для всех основных процессов получения алюминотермических сплавов. Измерение вязкости выполняли, как правило, на электромагнитном вибрационном вискозиметре.

Ниже рассматриваются результаты изучения вязкости алюминотермических шлаков.

Шлаки производства ферротитана. Вязкость синтетических расплавов системы CaO—Al2O3—TiO2, близких по составу к шлакам производства ферротитана, приведена в табл. 28.
Вязкость большинства изучавшихся расплавов в интервале температур 1973—2073 К находится в пределах 0,04—0,8 Па*с, температура начала выпадения кристаллов, определенная по излому полулогарифмической кривой lg n (1/Т), лежит в интервале 1690—2061 К. Полученные данные подтвердили выводы авторов работы о снижении вязкости известково-глиноземистых расплавов при введении небольших добавок двуокиси титана. Дальнейшее повышение содержания двуокиси титана вызывает загущение шлака; в расплавах с повышенным содержанием окиси алюминия разжижающее влияние добавок двуокиси титана заметно снижается (шлаки 5, 12, 16). При постоянном отношении содержаний окиси кальция и двуокиси титана с увеличением количества окиси алюминия вязкость возрастает (шлаки 15, 16, 17, 18; CaO : TiO2 = 1,15); аналогичный эффект наблюдается и в шлаках без добавок двуокиси титана.

В результате исследований получена следующая зависимость вязкости шлака при 2073 К (TiO2 : Al2O3 = 0,18) от содержания окиси кальция в интервале 10—40% CaO:
где n — вязкость, Па*с.

В этом же интервале содержаний окиси кальция температура начала кристаллизации понижается в среднем на 90° при добавлении каждых 10% CaO. Результаты исследования вязкости промышленного шлака выплавки ферротитана показаны на рис. 72.
Петрографическим анализом установлен следующий структурный состав шлака ферротитана, %:
Наличие корольков металла в шлаках промышленной выплавки ферротитана (так же как и в любых других шлаках) могло определенным образом сказаться на результатах измерения вязкости (см. рис. 72), однако полученные данные все же позволяют оценить влияние различных добавок на вязкость промышленных шлаков. Химический состав исследованных шлаков показан в табл. 29 (шлак 1 без добавок; остальные шлаки с добавками CaO, BaO и SrO).

Как следует из рис. 72, шлаки выплавки ферротитана относятся к классу «коротких»; вязкость всех шлаков при значительных перегревах выше ликвидуса мало меняется. Увеличение содержания окиси кальция с 5,31 до 9% снижает вязкость шлака почти в четыре раза; дальнейшие добавки окиси кальция сказываются на уровне вязкости значительно меньше.
Добавки окиси бария и окиси стронция к шлакам выплавки ферротитана также снижают их вязкость, однако они менее эффективны, чем добавки окиси кальция (см. рис. 72).

Шлаки производства хромовых сплавов. Вязкость синтетических шлаков системы CaO—Al2O3—Cr2O3 показана на рис. 73, из которого следует, что добавки окиси хрома приводят при относительно невысоких температурах к значительно большему возрастанию вязкости известково-глиноземистых расплавов, чем добавки двуокиси титана, однако при температурах выше 1970К наличие в шлаке до 9% Cr2O5 не меняет величины вязкости.

При производстве алюминотермического хрома внепечным методом в связи с напряженностью теплового баланса плавка ведется без специальных добавок флюсов, роль которых в этом случае выполняет окись натрия Na2O, переходящая в шлак при разложении натриевой селитры. Химический состав такого шлака следующий: 7—12% Cr в пересчете на Cr2O3; 85—90% Al2O3; до 2—3% Na2O и до 1% суммы MgO, FeO и SiO2.

Температурная зависимость вязкости шлака рядовой промышленной плавки металлического хрома, определенная на электромагнитном вибрационном вискозиметре, показана на рис. 74, из которого следует, что добавка окислов хрома к глинозему значительно повышает вязкость последнего. При перегреве шлака выше линии ликвидуса вязкость шлака заметно уменьшается с ростом температуры — от 0,3 Па*с при 2120 К до 0,15 Па*с при 2220К.

Температурная зависимость вязкости шлака промышленной плавки безуглеродистого феррохрома специального назначения при электропечной выплавке с выпуском металла и шлака (54,01 % Al2O3; 22,21% CaO; 12,20% MgO; 1,38% FeO; 0,97% SiO2; 2,22% Cr2O3 0,25% CrO; 0,93% Cr) приведена на рис. 75. Вязкость шлака плавно снижается с ростом температуры — от 2,43 Па*с при 1760 К до 0,37 Па*с при 1930 К.

Шлаки ванадиевых сплавов. На рис. 76 показаны температурные зависимости вязкости трех шлаков производства ванадийалюминиевой лигатуры, состав которых приведен ниже, %:
Температурная кривая изменения вязкости шлака 1 (см. рис. 76), характеризующаяся плавным ходом со снижением вязкости в довольно широком интервале температур (200°), сопоставима с температурной кривой изменения вязкости известковоглиноземистого расплава близкого состава (60% Al2O3 и 40% CaO). Энергия активации вязкого течения для этого шлака 272 кДж/моль, что хорошо согласуется с данными для близких по составу известково-глиноземистых шлаков.

Из сопоставления температурных зависимостей вязкости шлаков 1, 2 и 3 следует, что с увеличением содержания глинозема и снижением окиси кальция ход кривых n (T) изменяется, а температурный интервал резкого снижения вязкости сокращается. В то же время температура, выше которой шлак переходит в гомогенное состояние, отодвигается в область более высоких значений — для шлака 3, содержащего 81,7% Al2O3 и 17% CaO + MgO, этот переход происходит при температуре около 2070К.
Вязкость шлаков выплавки безуглеродистого феррованадия при различных количествах флюсов в шихте показана на рис. 77. Шлак № 4 получен при плавке без флюсов, шлак № 5 — с добавкой извести и шлак № 6 — с добавкой извести и окиси магния.

Химический состав шлаков выплавки безуглеродистого феррованадия приведен ниже:
Сравнение кривых, приведенных на рис. 76 и 77, показывает, что вязкость шлаков феррованадия, содержащих большие количества окислов ванадия, значительно отличается от вязкости шлаков производства ванадийалюминиевой лигатуры. Величина вязкости зависит от количества флюсов в шихте; так, если вязкость шлака при выплавке феррованадия без флюсов равна при 2170 К примерно 0,8 Па*с, то добавка в шихту 10% извести от массы пятиокиси ванадия снижает вязкость до 0,2 Па*с, а при совместном введении 10% CaO и 10% MgO вязкость шлака составляет 0,1 Па-с.

Ниже приведено распределение ванадия между продуктами плавки при выплавке без флюсов и с введением указанных выше количеств CaO и MgO;

- плавка без флюсов — граница раздела металл—шлак неровная, шлак плохо отделяется от металла; в слитке металла содержится 92% V, в шлаке в виде корольков 8%;

- плавка с добавкой CaO — граница раздела металл—шлак ровная, отделение металла хорошее; количество металла в слитке увеличивается до 96,5%, в шлаке осталось 3,5% V;

- плавка с добавкой CaO + MgO — отделение металла такое же, как и в предыдущей плавке; выход ванадия в слиток 99,2%, в шлаке осталось 0,8% V в виде мельчайших корольков.
Шлаки ниобиевых сплавов. На рис. 78 приведены температурные зависимости вязкости шлаков промышленной плавки феррониобия из пирохлоровых концентратов (55,00% Al2O3; 20,20% CaO; 2,07% MgO; 1,30% FeO; 5,78% SiO2; 7,78% TiO2; 0,001 % Nb2O5; 2,92% ZrO2; 4,21% Nb) и из пятиокиси ниобия (73,51 % Al2O3; 0,43% ZrO2; 0,01 Nb). Отличительной особенностью обоих шлаков является отсутствие невосстановленных окислов ниобия; первый из шлаков содержит большое количество металлического ниобия в виде корольков.

Из температурных зависимостей вязкости этих шлаков следует, что в области высоких температур (> 1970 К) их вязкость примерно одинакова, однако при выплавке из пирохлорового концентрата резкое изменение вязкости происходит в интервале температур, значительно меньших, чем при выплавке из технической пятиокиси ниобия (1690—1810 К и 1860—1960 К соответственно). Таким образом, при выплавке феррониобия из пирохлорового концентрата в одинаковых температурных условиях следовало бы ожидать более полного разделения металлической и шлаковой фаз, чем при выплавке из технической пятиокиси ниобия. Однако в последнем случае в шлаке практически не остается металлических корольков (содержание Nb в шлаке 0,01%), тогда как при выплавке из концентрата количество металла, теряемого в виде корольков, превышает 4% от массы шлака.

По-видимому, неодинаковый уровень потерь металла в корольках при производстве феррониобия с использованием разных основных материалов можно объяснить различной величиной межфазного натяжения — значительно более сложный состав шлака выплавки феррониобия из пирохлорового концентрата, очевидно, уменьшает величину межфазного натяжения между металлом и шлаком. Это предположение качественно подтверждается состоянием границы раздела металлического слитка и шлака — если отделение металла при выплавке из технической пятиокиси очень четкое, с гладкой ровной поверхностью слитка, то при выплавке из концентрата граница раздела неровная, в нижних слоях шлака наблюдается большое количество металлических включений.

На рис. 79 представлены температурные зависимости вязкости шлаков низкокремнистого феррониобия, содержащих повышенное количество окислов ниобия; составы этих шлаков даны ниже, %:
Эти шлаки по содержанию глинозема и окиси кальция могут быть сопоставлены с рассмотренными выше шлаками ванадийалюминиевой лигатуры (соответственно №№ 3, 2 и 1), отличие в том, что рассматриваемые шлаки вместо MgO содержат 6—8% Nb2O5.

Очевидно, наличие окислов ниобия в шлаке делает его более «коротким», хотя при температурах выше начала кристаллизации, когда шлаки становятся гомогенными, их вязкость практически не отличается от вязкости известково-глиноземистых расплавов, равно как и от вязкости шлаков ванадийалюминиевой лигатуры соответствующего состава. Особенно наглядно это видно из сопоставления вязкости шлака 4 (см. рис. 79) и шлака 1 (см. рис. 76), имеющих примерно равные содержания глинозема и окиси кальция.
При этом наличие в шлаке 4 более 8% Nb2O5 изменяет низкотемпературную ветвь кривой круто падающую, т. е. наличие Nb2O5 придает шлаку при температуре ниже начала кристаллизации ярко выраженные гетерогенные свойства. В то же время температура начала кристаллизации остается на низком уровне (1800—1820 К).

При «коротких» шлаках, как это показывает сравнение шлаков 3 и 2, добавки Nb2O5 не вызывают заметного изменения кривой вязкости. Это подтверждается также сопоставлением вязкости шлака 2 и известково-глиноземистого расплава близкого состава (см. табл. 26).

Увеличение содержания окиси кальция с 15 до 30% при соответствующем снижении содержания глинозема с 71 до 56% сдвигает интервал резкого изменения вязкости в область более низких температур — для шлака 2—1930—1970 К; шлака 3 1890—1920 К; шлака 4—1800—1820 К (рис. 79).
Шлаки циркониевых сплавов. На рис. 80 показана температурная зависимость вязкости шлака выплавки ферросиликоциркония так для алюминотермического (54,59% Al2O3; 30,81% CaO; 5,12% MgO; 0,91 % FeO; 2,66% SiO2; 5,57% ZrO2), так и для силикотермического (19,90% Al2O3; 32,46% CaO; 6,12% MgO; 0,35% FeO; 25,84% SiO2; 15,20% ZrO2) способов производства.

Несмотря на различие в химическом составе шлаков разных способов производства, их вязкости при высоких температурах (выше 1720 К) близки между собой. Температурная кривая изменения вязкости шлака алюминотермического ферросиликоциркония характеризуется более плавным ходом со снижением вязкости в довольно широком интервале температур — с 3,55 Па-с при 1530 К до 0,37 Па*с при 1810 К. Шлак силикотермической плавки, имеет более крутую восходящую ветвь температурной кривой вязкости, ход которой свидетельствует о гетерогенности шлака при температурах меньших, чем температура начала кристаллизации. Однако и для этого шлака температурный интервал резкого изменения вязкости достаточно широк — от 3,1 до 0,37 Па*с при 1610 и 1810 К соответственно.

Наличие в шлаках алюминотермической плавки ферросиликоциркония заметных концентраций двуокиси циркония (5,6%) не вызывает существенного изменения его вязкости по сравнению с вязкостью известково-глиноземистых расплавов, имеющих близкое соотношение Al2O3 и CaO, что видно из приведенных ниже данных:
Шлаки борсодержащих сплавов. Основными составляющими этих шлаков являются ортоборат (ЗСаО*B2O3) и пироборат (2СаО*B2O3) кальция, корунд, шпинель (MgO*Al2O3), герцинит (FeO*Al2O3), ольдгамит (CaS) и двуалюминат кальция (CaO*2Аl2O3).

Большинство исследованных шлаков нагревали до 2073 К, так как при более высокой температуре начиналось их кипение.

Из табл. 30 следует, что вязкость промышленных шлаков ферробора при температуре 2023—2073 К не превышает 0,15 Па*с.

Изложенные выше результаты экспериментального определения температурной зависимости вязкости алюминотермических шлаков показывают, что большинство промышленных шлаков (за исключением шлака электропечной плавки безуглеродистого феррохрома специального назначения) относятся к классу «коротких». В качестве критерия максимально допустимой вязкости «коротких» шлаков (температура плавкости) в доменном производстве используется точка перегиба на кривой зависимости вязкости от температуры.

Для алюминотермического процесса в качестве температуры плавкости шлака наиболее целесообразно принять температуру окончания интервала резкого изменения вязкости Tmin, ниже которой резко снижаются скорости движения металлических капель в шлаковом расплаве, в то время как для более высоких температур опускание металлической капли постоянного размера может рассматриваться с требуемой для практических расчетов точностью как равномерное.
Из табл. 31 следует, что вязкость алюминотермических расплавов при достаточном перегреве находится в пределах 0,1—0,4 Па*c с и лишь для процесса получения ванадийалюминиевой лигатуры увеличивается до 0,5—0,8 Па*с. В зависимости от состава шлака величина Tmin, определяющая температурный уровень плавки, может меняться в довольно широких пределах — от 1810 до 2250 К.

Сравнение вязкости шлаков алюминотермической плавки и известково-глиноземистых расплавов, имеющих близкое отношение CaO : Al2O3, показывает, что наличие в шлаке невосстановленных окислов в большинстве случаев не приводит к существенным отличиям в величине вязкости жидких шлаков от близких по составу известково-глиноземистых расплавов.





Яндекс.Метрика