Поверхностные свойства алюмотермических расплавов

Как уже отмечалось ранее, величина межфазного натяжения омф может оказать существенное влияние на формирование слитка металла, поскольку рост омф способствует укрупнению капель металла и, следовательно, уменьшению его потерь.

Величина межфазного натяжения связана с поверхностным натяжением металлической оМе и шлаковой ошл фаз уравнением

где а — краевой угол смачивания.

Согласно данным табл. 34, для большинства металлов, восстанавливаемых алюминотермическими методами (за исключением бария и кальция), поверхностное натяжение достаточно велико.

Следует отметить, что поверхностное натяжение многокомпонентных сплавов может существенно отличаться от величин оМе для чистых металлов. Так, при экспериментальном изучении поверхностного натяжения силикотермического ферромолибдена (57% Mo; 0,8% Si) была получена величина оМе, равная 1,450— 1,510 Н/м 187). При введении добавок железа и снижении вследствие этого содержания молибдена до 25% величина оМе уменьшалась до 1,380—1,420 Н/м. Еще больше снижали поверхностное натяжение добавки кремния (до 7% Si) — для ферромолибдена, содержащего 49,2% Mo, величина оМе уменьшалась до 1,340 Н/м.

На величине поверхностного натяжения алюминотермических сплавов может неблагоприятно сказаться присутствие алюминия, поверхностное натяжение которого значительно ниже, чем у большинства восстанавливаемых металлов. Например, С.И. Сучильниковым и Б.А. Баумом установлено, что в хромоалюминиевых сплавах алюминий является поверхностно активным элементом, снижающим энергию поверхностного натяжения с 1,50 (без алюминия) до 1,07 Н/м (31,03% Al). Видимо, этим обстоятельством можно хотя бы отчасти объяснить заметное улучшение показателей выплавки алюминотермических сплавов, содержащих большие количества алюминия, при исключении избыточного алюминия, переходящего в сплав, из состава шихты и введении его в виде, слитков на подину плавильного агрегата.

Поверхностные свойства известково-глиноземистых шлаков с добавками ряда окислов металлов, восстанавливаемых алюминотермическими методами, изучались С.И. Попелем и др. В табл. 35 представлены результаты изучения влияния на поверхностное натяжение расплава Al2O3—CaO добавок окислов хрома, ванадия и ниобия.

По данным, при концентрациях Cr2O3, V2O5 и Nb2O5, превышающих указанные в табл. 35, наблюдался весьма большой разброс показаний манометра, что, видимо, связано с гетерогенностью шлака при высоких концентрациях вводимых окислов.

Введение до 9,7% V2O5 сопровождается плавным снижением поверхностного натяжения с 0,630 до 0,470 Н/м, а введение 4,8% Nb2O5 уменьшает величину ошл до 0,570 Н/м. Наличие в известково-глиноземистых расплавах до 1,20% Cr2O3 не сказывается на величине поверхностного натяжения.

Добавки двуокиси титана вызывают снижение поверхностного натяжения до 0,590 H/м, а двуокиси кремния — до 0,525 Н/м (табл. 36). Введение плавикового шпата сопровождается снижением значений ошл до 0,410 Н/м.

Исследование состава поверхностных слоев расплавов (см. табл. 36) выявило существенные различия в концентрации компонентов в объеме и на поверхности расплавов. Так, концентрация двуокиси кремния в поверхностном слое оказалась в 2—4 раза выше, чем в объеме, двуокиси титана — в 2—3 раза, а фтористого кальция — в 3—10 раз выше валового состава расплавов.

В.М. Мусихин и др. исследовали расплавы системы CaO—V2O5 с добавками Al2O3 и CaF2; поверхностное натяжение этих расплавов показано на рис. 83, составы их приведены ниже:

Добавки окиси алюминия повышают поверхностное натяжение расплавов CaO—V2O5, введение фтористого кальция приводит к резкому уменьшению величины ошл.

Результаты измерений поверхностного натяжения шлаков промышленной выплавки низкокремнистого феррониобия и ванадийалюминиевой лигатуры приведены ниже.

Поверхностное натяжение шлаков низкокремнистого феррониобия для 1923 К находится на уровне 0,400—0,470 Н/м, что значительно ниже, чем у синтетических шлаковых расплавов, поверхностное натяжение которых приведено в табл. 35; в несколько меньшей степени это относится и к шлакам ванадийалюминиевой лигатуры.

Из приведенных выше данных 0,25 следует, что наличие в шлаках ванадийалюминиевой лигатуры окислов магния, железа и кремния (возможно, и корольков металла) обусловливает значительно меньшую величину поверхностного натяжения, чем можно было 0,15 ожидать, исходя из величин ошл как для чистых окиси алюминия и окиси кальция, так и для известково-глиноземистых расплавов (см. табл. 35).

Шлаки выплавки низкокремнистого феррониобия имеют несколько меньшую величину поверхностного натяжения, чем близкие по содержанию CaO и Al2O3 шлаки выплавки ванадийалюминиевой лигатуры; по-видимому, это вызвано довольно высоким содержанием окислов ниобия (величина ошл для жидкой Nb2O5 равна 0,220 Н/м).

Для обеих групп шлаков с ростом температуры поверхностное натяжение уменьшается примерно на 0,02—0,03 Н/м на каждые 100°. Увеличение содержания извести в шлаке существенно уменьшает их поверхностное натяжение. Так, при 1700 К увеличение содержания извести в шлаках феррониобия с 6 до 31 % снижает их поверхностное натяжение с 0,473 до 0,392 Н/м, а при росте содержания окиси кальция в ванадиевых шлаках с 10 до 29% их поверхностное натяжение при той же температуре уменьшается с 0,497 до 0,470 Н/м.