Электрошлаковый переплав: Учебное пособие (Принцип электрошлакового переплава, технология процесса наплавки слитка, физико-химические процессы при ЭШП, плавление и кристаллизация металла), страница 16

g_шл - плотность жидкого шлака;

h - коэффициент динамической вязкости.

Отсюда следует, что в последнем случае время пребывания металлической капли в шлаковой ванне будет больше. Реакции между шлаком и металлом протекают на конце электрода, при прохождении капли металла через шлак и у граничной поверхности шлаковая ванна - ванна металла. Хотя продолжительность пребывания металлических капель в шлаковой ванне невелика, реакции между шлаком и металлом развиты значительно, так как велика удельная площадь поверхностного контакта между металлом и шлака.

Характер изменения вязкости в зависимости от температуры влияет на формирование слитка при ЭШП. При прочих равных условиях чем “короче” шлак, тем толще шлаковый гарнисаж и хуже поверхность слитка.

Рассматривая вязкость как функцию температуры, Я.И. Френкель получил следующую зависимость [10]:

,                                                                               (15)

где       h - коэффициент динамической вязкости, пз;

            k - постоянная Больцмана;

            T - абсолютная температура;

            A и B - постоянные величины.

Все шлаки, представленные в таблице 2, можно условно разделить на три группы [11]:

1) жидкоподвижные при температуре ЭШП (1500 - 1700 ^oС), вязкость которых составляет до 0,2 пз. Это шлаки АНФ-6, АНФ-1П, АНФ-7 и АНФ-5.

2) подвижные, вязкостью до 1 пз;

3) относительно малоподвижные с вязкостью при температуре ЭШП 2 - 3 пз.

Из рассмотрения химического состава шлаков следует, что к жидкоподвижным и подвижным шлакам относятся шлаки на основе фтористого кальция. Добавление к нему окислов магния, кальция и алюминия уменьшает подвижность шлаков. Это объясняется образованием прочных связей катионов (Са²⁺ и Мg²⁺) с анионами О^2- , благодаря чему возрастает энергия связи между ионами, а следовательно, температура кристаллизации расплава.

Наибольшую вязкость имеют известково-глиноземистые шлаки. Увеличение содержания глинозема увеличивает вязкость шлаков, которая определяется концентрацией в расплаве комплексных анионов Al₃O₇^5-, AlO₃^3-, Al₂O^- и приводит к повышению температуры начала кристаллизации. Аналогично действует и содержание кремнезема из-за образования крупных комплексных анионов SiO₄^4-. Появление в расплаве MgO вызывает понижение концентрации комплексных анионов и увеличивает концентрацию более подвижных катионов и анионов О^2-. что сопровождается снижением вязкости. Значение вязкости этих шлаков при температурах ЭШП составляет 2 - 5 пз.

Сопоставление влияния добавок компонентов на температуру кристаллизации расплава и его вязкость позволяет сделать следующие выводы: добавка компонентов, снижающих температуру кристаллизации расплава, приводит к уменьшению вязкости и, наоборот, добавка компонентов, повышающих температуру кристаллизации расплава, приводит к росту его вязкости.

2.2.3 Плотность

Различие в плотности между жидким шлаком и металлом, подвергающемуся переплаву, имеет большое значение в процессе ЭШП. Размер капли расплавленного металла и ее отрыв от торца электрода определяются в основном соотношением сил взаимодействия между жидким шлаком и металлом (межфазного натяжения), гравитационных (сил тяжести) вследствие разности плотностей шлака и металла и динамического воздействия, возникающего при стекании жидкого металла по поверхности электрода. Усилие, обусловленное силой тяжести, которое должно быть приложено для отрыва капли, пропорционально разности плотности металл-шлак и определяется по уравнению

,                                                                                 (16)

где       F -усилие;

r - радиус капли металла;

g - ускорение силы тяжести;

g_мет - плотность жидкого металла;

g_шл - плотность жидкого шлака.

Следовательно, если для отрыва капли требуется постоянное усилие, а действие сил электродинамического воздействия и межфазного натяжения также постоянно, то чем больше разность плотностей (g_мет - g_шл), тем меньше объем капли металла. В свою очередь, чем меньше размер капли, тем больше удельная площадь поверхности на границе металл-шлак и тем полнее удаление примесей из металла.