Вспенивание шлака

Для протекания процесса шлакообра­зования характерно явление вспенива­ния шлака, сопровождающееся рез­ким подъемом уровня шлака над ме­таллической ванной, существенным снижением его плотности, ухудшени­ем теплопроводности и пр. Вспенива­ние шлака заметно влияет на протека­ние ряда процессов; оно может быть как полезным (при вспененном шлаке снижается вынос из ванны плавиль­ной пыли, так как часть пыли задер­живается в шлаке), так и вредным, не­желательным, особенно в агрегатах подового типа (мартеновских, двух-ванных печах), в которых передача тепла осуществляется сверху вниз, че­рез шлак.

Согласно определениям, принятым в коллоидной химии, пены представ­ляют собой высококонцентрирован­ные эмульсии газа в жидкости, обла­дающие определенной структурой и жесткостью, когда ячейки образованы газом, объем которого превышает 74 % (при объеме газа меньше 74 % си­стемы называют эмульсиями газа в жидкости).

Вспенивание шлака в некоторых чертах подчинено тем же закономер­ностям, что и вспенивание любых жидкостей. Процесс образования пены в значительной степени зависит от скорости прохождения объемов газа через поверхность жидкости.

При малых значениях критерия Рейнольдса высота слоя пены Я опре­деляется скоростью поступления сни­зу газа v (м/с) и стойкостью (устойчи­востью) пены (с), т. е. Н= v . По­скольку из сталеплавильных ванн вы­деляются газы, состоящие в основном из СО, образующегося в результате окисления углерода, скорость прохож­дения через шлак газов v определяется в основном скоростью окисления уг­лерода v_c.

Единой теории устойчивости пен пока не существует. Можно отметить лишь следующее.

1. Процесс пенообразования жид­костей связан с возникновением в массе жидкости газообразной диспер­сной фазы и выделением ее на поверх­ность в виде слоя пены.

2. Высота слоя пены зависит от ко­личества пузырей пены, образующих­ся в единицу времени на поверхности, и от продолжительности существова­ния единичных пузырей (устойчивос­ти пены).

3. На процесс образования и устой­чивость пены в той или иной степени влияют состав раствора и концентра­ция растворенного вещества, поверх­ностное натяжение и вязкость, темпе­ратура раствора, степень дисперснос­ти пены, гидродинамика процесса.

4. Разрушение пены при отсутствии внешних сил происходит под действи­ем избыточного давления поверхност­ных сил внутри пузырей (ячеек) и в результате утончения их стенок при стекании раствора, заключенного между адсорбционными слоями, под действием как силы тяжести, так и давления поверхностных слоев.

5. Пена как термодинамически не­устойчивая система может существо­вать длительное время лишь в том случае, когда внутри нее происходят какие-либо процессы, упрочняющие составляющие пену пузыри и удлиня­ющие сроки их существования (увели­чивающие стабильность пены); при наличии в растворе поверхностно-ак­тивных веществ стабилизация пены может происходить вследствие кине­тического фактора стабилизации ад­сорбционных слоев — эффекта Гиббса—Меренгони¹ (рис. 9.7). С повыше­нием температуры стабильность пены снижается.

Общепризнанной теории, объясня­ющей причины вспенивания стале­плавильных шлаков, пока нет. Суще­ствуют различные точки зрения.

¹ В данном случае под эффектом Гиббса-Меренгони понимают следующее: при растя­жении жидкости в поверхностном слое уменьшается концентрация поверхностно-активных компонентов, что сопровождается соответствующим повышением межфазного натяжения. Если жидкость достаточно под­вижна (вязкость ее мала), происходит интен­сивное перемещение поверхностно-актив­ных ионов в направлении участков с пони­женной концентрацией поверхностно-актив­ных компонентов (противоток жидкости в поверхностном слое) и утончение пленки за­медляется (эффект Меренгони). Схема, пояс­няющая действие эффекта Меренгони, пока­зана на рис. 9.7. Гиббс, рассматривая воз­можность повышения поверхностного натя­жения при растягивании пленки жидкости вокруг пузыря, обращал внимание на то, что растянутый участок, имея более высокое по­верхностное натяжение, стремится сжаться в большей степени, чем соседние нерастяну­тые участки, и отсасывает из них жидкость, восстанавливая свою первоначальную тол­щину. Такое сопротивление растяжению или стремление к сохранению первоначаль­ной толщины пленки Гиббс называл элас­тичностью.

В том случае, когда скорость вытекания соизмерима со скоростью диффузии (или меньше) поверхностно-активных компонен­тов, действие этих эффектов можно не учи­тывать.

Рис. 9.7. Схемы расклинивающего (отталки­вающего) действия одноименно заряженных ионов, расположенных на поверхности газо­вых пузырьков аа_{ и bb\ (I), и эффекта Мерен­гони в поверхностных слоях ab и а'Ь', охваты­вающих газовые пузыри (заштрихованная часть — жидкость) (II)

В. Я. Явойский выделил следую­щие факторы, определяющие склон­ность шлака к вспениванию:

1. Поверхностная вязкость шлака, т. е. механическая прочность поверх­ностной пленки, определяемая, в свою очередь, концентрацией поверх­ностно-активных крупных анионов (кремнекислородных или кремнефосфористых комплексов).

2. Гетерогенность шлаков, присут­ствие в них хорошо смачиваемых шла­ком (лиофильных) твердых частиц.

3. Содержание поверхностно-ак­тивных компонентов, вызывающих расклинивающий эффект и поверхно­стную диффузию в направлении толь­ко что образовавшихся участков плен­ки пузыря (эффект Меренгони).

4. Температура шлака (низкая тем­пература определяет повышенные ме­ханическую прочность пленки, поверх­ностную вязкость шлака и замедлен­ный характер растворения взвешен­ных в шлаке твердых частиц).

5. Интенсивность и характер газо­вого потока, пронизывающего слой шлака (увеличение интенсивности га­зовыделения, а главное — степени дисперсности газовых пузырей, обра­зующих поток, пронизывающий шла­ковый расплав, приводит к росту вспениваемости шлака).

6. Химический состав шлака. В ос­новных шлаках склонность к пенооб-разованию повышается при повыше­нии концентрации SiO₂ и Р₂О₅ и по­нижении истинной основности (т. е. основности, рассчитанной по концен­трации растворенного оксида каль­ция). Присадка плавикового шпата в подвижных шлаках несколько повы­шает склонность шлаков к вспениванию в связи с повышением в шлаке концентрации поверхностно-актив­ного иона F^-. Повышение концентра­ции оксидов железа увеличивает склонность шлаков к вспениванию в результате стимулирующего действия на развитие подшлакового процесса окисления углерода, сопровождающе­гося образованием множества мелких пузырей, медленно всплывающих в шлаке.

7. Давление газовой среды над слоем шлака (повышение давления в плавильном пространстве печи, нали­чие настильной упругой струи факе­ла, осаживающей пену, приводят к уменьшению ценообразования).

Наибольшей склонностью к вспе­ниванию обладают шлаки с основнос­тью 1,5-1,6 (рис. 9.8). Повышение в шлаке содержания оксидов железа и марганца способствует снижению склонности шлаков к вспениванию. Все мероприятия по ускорению шла­кообразования для получения по рас­плавлении более благоприятной и бо­лее высокой основности способствуют уменьшению вспениваемости шлаков. К ним относятся различные приемы интенсивного перемешивания ванны, методы ускоренного нагрева, способы замены обычных шлакообразующих (известняка, железной руды) комплекс­ными, заранее подготовленными флюсами (продукты, например, со­вместного обжига известняка, желез­ной и марганцевой руд и др.), исполь­зования шлакообразующих в порош­кообразном виде и т. д.

Технология ведения плавки стали в современных высокомощных дуговых электропечах включает операцию искусственного вспенивания шлака. Для этого на шлак или под шлак вводят (чаще вдувают) порошок кокса или каменного угля, инициируя протека­ние реакции окисления углерода не­посредственно в шлаке. Образующие­ся мелкие пузырьки СО обеспечивают интенсивное вспенивание шлака; со­ответственно создаются благоприят­ные условия для экранирования дуг, уменьшения облучения стен и свода печи и улучшения усвоения тепла ван­ной.