Электрошлаковый переплав: Учебное пособие (Принцип электрошлакового переплава, технология процесса наплавки слитка, физико-химические процессы при ЭШП, плавление и кристаллизация металла), страница 15

Шлаковая ванна действует в качестве электрического сопротивления в электрической цепи и является источником тепла для переплава; при обычном электрошлаковом переплаве источником тепла служит исключительно нагрев сопротивлением.

К процессу может быть применен закон Ома:

,                                                                     (13)

где       I – cила тока;

V – разность потенциалов в шлаковой ванне;

            А_эфф. – эффективная площадь поперечного сечения сопротивления (шлаковой ванны);

x - удельная электропроводность;

            l - длина сопротивления, равная минимальной глубине шлаковой ванны.

Электропроводность шлака играет важную роль при определении глубины шлаковой ванны и величины тока.

Удельная электропроводность (при постоянной температуре) жидкого шлака существенно зависит от концентрации катионов, способных переносить электрический заряд, и их подвижности (чем сильней катионы связаны с анионами, тем меньше их подвижность).

Добавка извести к фтористому кальцию уменьшает удельную электропроводность. Кислород и фтор обладают приблизительно одинаковым ионным радиусом, но анион кислорода несет двойной заряд по сравнению с анионами фтора, поэтому ионы кальция и кислорода значительно более прочно связаны друг с другом, чем ионы кальция и фтора. Таким образом, добавка анионов кислорода в виде извести снижает подвижность катионов кальция и, следовательно, электропроводность.

Добавка глинозема к фтористому кальцию значительно снижает удельную электропроводность в результате уменьшения концентрации ионов Ca²⁺ и увеличения ионов Al³⁺. Ионы кальция с двойным зарядом имеют большую подвижность, чем ионы алюминия с тройным зарядом. При наличии глинозема могут образоваться анионы алюминий - кислород, такие как Al₃O₇^5- и AlO₃^3-, и снизится общая концентрация заряженных катионов.

Линейная зависимость lg x от величины (1/T) (см. таблицу 2) для систем фтористого кальция (фтористый кальций-известь и фтористый кальций-глинозем, Al₂O₃ < 10 %) свидетельствует о том, что такие шлаки в расплавленном состоянии обладают моноионной проводимостью.

2.2.2 Вязкость

Вязкость характеризует внутреннее трение в жидкости и подразделяется на структурную и электростатическую. Структурная вязкость обусловлена силами связи атомов в крупных комплексных ионах, электростатическая - электростатическими силами взаимодействия между катионами и анионами. Первая определяет вязкость шлаков, состоящих из длинных цепочек и комплексных ионов, вторая - вязкость шлаков, состоящих из мелких легкоподвижных ионов. С повышением температуры выше ликвидуса комплексные ионы частично диссоциируют, крупные ионы распадаются и подвижность их увеличивается. Одновременно уменьшается действие электростатических сил притяжения, что устраняет влияние “дальнего” порядка и даже значительно уменьшает влияние "ближнего" порядка в расположении ионов. В результате этого вязкость расплава при увеличении температуры уменьшается.

По характеру изменения вязкости в зависимости от температуры различают “длинные” и “короткие” шлаки.

“Длинные” шлаки характеризуются малой вязкостью и небольшим ее изменением при незначительном изменении температуры, “короткие” - значительным изменением вязкости при незначительном изменении температуры.

Применяя “длинные” шлаки, можно более широко варьировать тепловой режим переплава и достигать лучшего смачивания неметаллических включений в металле. Чем меньше вязкость, тем лучше теплопередача и массоперенос примесей в шлаковой ванне вследствие более интенсивного перемешивания. Чем выше вязкость шлака, тем меньше величина капель металла, а чем меньше разность плотностей металла и шлака, тем меньше скорость движения капли металла в шлаке в соответствии с законом Стокса:

,                                                                           (14)

где       v - скорость движения капли;

g - ускорение силы тяжести;

r - радиус капли жидкого металла;

g_мет. - плотность жидкого металла;