Сложность и почти полная неизученность диаграмм состояния четырех - и более компонентных систем, близких по составу к шлакам цветной металлургии, вынуждает в настоящее время исследователей изучать вязкости этих шлаков применительно к конкретным заводским условиям.
4.2 Вязкость шлаков цветной металлургии
Основными компонентами шлаков цветной металлургии являются SiО2, CaO и FeO. Диаграмма вязкости этой тройной системы в области, приближающейся к составам шлаков цветной металлургии при температурах 1250 и 1300°С, была исследована Ф. М. Лоскутовым, П. Казакевичем, а также А. Ю. Дадабаевым и И. А. Онаевым (рисунок 4.3).
Рисунок 4.3 Совмещённая диаграмма вязкости и плавкости системы
FeO - CaO – SiO2
Хотя такая упрощенная диаграмма и не отвечает ни одному из известных составов реальных металлургических шлаков, теоретическая ценность данных исследований несомненна. Использование данных этих работ в конкретных условиях позволяет оценивать порядок величины вязкости промышленных шлаков.
Промышленные шлаки различных предприятий цветной металлургии, кроме трех основных компонентов, могут содержать Аl2O3 (до 20%), MgO (до 15%), ZnO (до 30%), ВаО (до 20%), МnО (до 10%), S (до 3%), а также небольшие количества щелочных металлов и окислов ценных металлов. Нередко в шлаках присутствуют окислы хрома, титана, ванадия и других элементов переменной валентности. Содержание магнетита, неизменно присутствующего в шлаке, в ряде случаев может превышать 20%. В связи с большой сложностью реальных шлаковых расплавов надежные цифры о их вязкости могут быть получены лишь экспериментальным способом.
В настоящее время шлаки шахтной плавки окисленных никелевых руд группы уральских месторождений содержат 38—45% SiO2, 15—25% CaO, 15—22% FeO, 3—12% MgO, 5—12% Аl2О3. Концентрация Сr2O3, TiO2 и V2 O5 колеблется в пределах 0,3—4,0%. Исследование влияния температуры и изменения концентрации этих компонентов на вязкость шлаков, отвечающих промышленным составам, было проведено А. В. Ванюковым и А. Н. Попковым.
Состав шлаков, подвергавшихся изучению, приведен в таблице 4.2.
Таблица 4.2 – Состав много компонентных синтетических шлаков
Исследования выполняли на ротационном вискозиметре с коаксиально вращающимся в тигле с расплавом цилиндром из железа Армко. Диаметр цилиндра 11,3 мм, высота его 12 мм, диаметр тигля 17,5 мм. Опыты проводили в герметизированной печи с карборундовыми нагревателями в атмосфере очищенного азота.
Проведенные исследования позволили выявить следующие закономерности. Увеличение в шлаке содержания оксида железа (II) снижает вязкость шлака (рисунок 4.4, а). Наиболее резко эта зависимость проявляется при низких температурах. Однако и при 1350°С увеличение содержания закиси железа с 16 до 22% снижает вязкость шлака почти в 3 раза. Согласно ионной теории строения шлаковых расплавов, такое поведение сильного катиона — модификатора Fе2+ вполне закономерно. Увеличение содержания этого компонента в расплаве, как и других основных окислов, приводит к разукрупнению силикатных комплексов, что и способствует снижению вязкости. Увеличение кислотности шлакового расплава оказывает противоположное действие, что особенно заметно при низких температурах (рисунок 4.4).
Рисунок 4.4 Изотермы вязкости шлаков шахтной плавкиокисленных никелевых руд в зависимости от содержания
FeO (а), SiO2 (б), MgO (в), СаО (г)
1 – 1100oC; 2 – 1150oC; 3 – 1200oC; 4 – 1250oC; 5 -1300оС; 6-1350оС.
7-1175оС; 8- 1135оС
Рост концентрации окиси магния в изученных пределах увеличивает вязкость шлаковых расплавов при всех температурах (рисунок 4.4, в). Это объясняется тем, что при увеличении концентрации окиси магния в расплаве повышается температура плавления шлака. При незначительном перегреве над линией ликвидуса (1100—1175°С) экспоненциальное возрастание вязкости приводит к более резкому снижению текучести расплава по сравнению с более легкоплавкими составами, которые при данной температуре оказываются сильнее перегретыми. Повышение температуры плавления шлака может привести при низких температурах к гетерогенизации шлака в результате выпадения из расплава тугоплавких составляющих. Гетерогенизация шлака, естественно, повышает вязкость расплава. При достаточном перегреве расплава (температура выше 1250°С) увеличение содержания оксида магния несколько снижает вязкость шлака. Поэтому на практике в условиях повышенного содержания оксида магния в шихте перегрев шлака — основной фактор, обеспечивающий нормальное
течение процесса.
Зависимость вязкости шлака от концентрации оксида кальция представлена на рисунке 4.4, г. Для данной серии экспериментов характерно наличие минимума вязкости, отвечающего содержанию в шлаке примерно 22% СаО. Полученные результаты хорошо согласуются с данными П. Казакевича, исследовавшего вязкость тройной системы FeO—CaO—SiО2. Согласно диаграмме плавкости Вейнарта, по данным работы, в области указанных составов отмечается минимум температуры плавления. Очевидно, составам близким к шлаковым системам с 22% СаО, на диаграмме состояния соответствует легкоплавкая эвтектика. В этом случае более значительный перегрев расплава данного состава над линией ликвидуса и обусловливает наличие минимума вязкости.
Зависимость вязкости от температуры на графике с координатами
(4.6)
(рисунок 4.5 и 4.6) для всех шлаков, близких по составу к получающимся при плавке окисленных никелевых руд, выражается вогнутыми кривыми, обращенными выпуклостью к оси абсцисс. Поскольку величина энергии активации вязкого течения определяется размером элементарных единиц вязкого течения, то приведенные данные свидетельствуют о том, что при повышении температуры происходит упрощение структуры кремнекислородных комплексов.
Рисунок 4.5 Зависимость lgη- 
для шлаков
1-16% FeO; 2-18%FeO; 3-20FeO%; 4- 22FeO%
Рисунок 4.6 Зависимость lgη- для шлаков с различной
концентрацией СаО
1-18%; 2-24%; 3-21%; 4- 22%
При одинаковой вязкости энергия активации вязкого течения тем больше вязкость, чем меньше содержание закиси железа в шлаке (рисунок 4.5) При изменении содержания оксида кальция энергия активации вязкого течения меняется незначительно, что говорит о несколько большей устойчивости кремнекислородных комплексов при высоком содержании в расплаве относительно слабых катионов Са2+ (см. рис. 43). На вязкость расплавов в этом случае основное влияние оказывает предэкспоненциальный множитель В, величина которого, грубо говоря, определяет свободный объем жидкости.
На графике зависимости lg η от 1/Т для шлаков с переменным содержанием MgO представлено семейство кривых, как бы выходящих из одной точки. Таким образом, при высоких температурах энергия активации вязкого течения для изученных шлаков мало зависит от содержания оксида магния. При низких температурах кривые широко расходятся. Такой ход кривых возможен либо при значительном увеличении единиц вязкого течения при понижении температуры, либо при выпадении твердой фазы. Гетерогенность этих шлаков была подтверждена минералогическими исследованиями.
Было исследовано также изменение вязкости расплавов при добавлении к шлаку оксида хрома и пятиоксида ванадия. Состав синтетических шлаков приведен в таблице 4.3.
Таблица 4.3 – Состав синтетических шлаков, содержащих Cr2O3 и V2O5
Результаты опытов представлены на рис. 4.7, а, б. Содержание до 3% Сr2O3 (рисунок 4.7, а) существенного влияния на вязкость расплавов не оказывает.
Характер зависимости вязкости от температуры остается типичным для кислых шлаков. При снижении температуры ниже 1225°С начинают кристаллизоваться и выпадать из расплава хромшпинелиды, что повышает вязкость. Кристаллизация в качестве первичной фазы хромшпинелидов была подтверждена минералогическими исследованиями шлаков, закаленных при разных температурах.
Рисунок 4.7 Влияние СаО (а) и V2O5 (б) на температурную зависимость вязкости шлаков никелевого производства
1-1200оС; 2-1225оС; 3-1250оС; 1-1300оС; 1-1400оС;
Повышение содержания оксида хрома свыше 3—3,5% резко повышает вязкость и при высоких температурах, что отвечает гетерогенизации шлака в связи с малой растворимостью в нем оксида хрома.
Увеличение содержания пятиоксида ванадия в шлаке вызывает незначительное снижение вязкости шлаковых расплавов.
4.3 Методы измерения вязкости шлаков
Все основные методы измерения вязкости расплавов могут быть разделены на две группы, стационарные и нестационарные.
К первой относятся следующие методы: капиллярного истечения, коаксиальных цилиндров и падающего шарика.
Методы второй группы основаны на регистрации крутильных колебаний
тела, погруженного в расплав.
Метод капиллярного истечения жидкости основан на законе Пуазейля:
(4.7)
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 |
Основные порталы (построено редакторами)