Природа вязкого сопротивления оксидных расплавов

Вязкость – одна из важнейших физико-химических характеристик шлаковых расплавов. Она оказывает существенное влияние на диффузионную подвижность ионов, а значит, и на кинетику взаимодействия металла со шлаком, скорость тепло- и массообменных процессов в металлургических агрегатах. Исследование температурной зависимости вязкости дает косвенную информацию о структурных превращениях в оксидных расплавах, изменениях параметров комплексных анионов. Состав, а значит, и величина вязкости зависят от назначения шлака. Так, например, для интенсификации диффузионных стадий окислительно-восстановительного взаимодействия металла и шлака (десульфурация, дефосфорация и пр.) состав шлака подбирают таким, чтобы его вязкость была небольшой. Напротив, в целях предотвращения переноса водорода или азота в сталь через шлак из газовой фазы наводят шлак с повышенной вязкостью.

Одной из количественных характеристик вязкости может служить коэффициент динамической вязкости (η), который определяется как коэффициент пропорциональности в законе внутреннего трения Ньютона

,

(17.1)

где F – сила внутреннего трения между двумя соседними слоями жидкости, grad υ – градиент скорости, S – площадь поверхности соприкосновения слоев. Единица измерения динамической вязкости в СИ: [η]= Н·с/м² = Па·с.

Известно, что течение жидкости – это серия перескоков частиц в соседнее устойчивое положение. Процесс имеет активационный характер. Для осуществления перескока частица должна обладать достаточным запасом энергии по сравнению со средним ее значением. Избыточная энергия необходима для разрыва химических связей перемещающейся частицы и образования в объеме расплава вакансии (полости), в которую она переходит. С ростом температуры увеличивается средняя энергия частиц и большее их число может участвовать в течении, что приводит к снижению вязкости. Количество таких «активных» частиц растет с температурой согласно экспоненциальному закону распределения Больцмана. Соответственно зависимость коэффициента вязкости от температуры имеет экспоненциальный вид

(17.2)

где η₀ – коэффициент, мало зависящий от температуры, E _η – энергия активации вязкого течения. Она характеризует минимальный запас кинетической энергии моля активных частиц, способных участвовать в течении.

Структура оксидных расплавов оказывает существенное влияние на коэффициент вязкости. В отличие от движения ионов под действием электрического поля, при вязком течении все частицы жидкости перемещаются в направлении движения последовательно. Наиболее заторможенным этапом является движение крупных частиц, которые дают наибольший вклад в величину η. Вследствие этого энергия активации вязкого течения, оказывается больше таковой для электропроводности (E _η > Е _c).

В кислых шлаках, содержащих оксиды Si, Р, В, велика концентрация крупных комплексных анионов в форме цепочек, колец, тетраэдров и других пространственных структур (например, , , и т.п.). Наличие крупных частиц увеличивает вязкость расплава, т.к. их перемещение требует больших затрат энергии, по сравнению с мелкими.

Добавки основных оксидов (СаО, МgО, МnО) приводят к увеличению концентрации простых катионов (Са²⁺, Мg²⁺, Мn²⁺) в расплаве. Вводимые анионы О^2– способствуют деполимеризации расплава, т.е. распаду комплексных анионов, например,

В результате вязкость шлаков уменьшается.

В зависимости от температуры и состава вязкость металлургических шлаков может изменяться в довольно широких пределах (0,01–1 Па∙с). Эти значения на порядки величины превышают вязкость жидких металлов, что обусловлено наличием в шлаках сравнительно крупных единиц течения.

Приведенная экспоненциальная зависимость η от Т (17.2) неплохо описывает экспериментальные данные для основных шлаков, содержащих менее 35 мол. %SiО₂. В таких расплавах энергия активации вязкого течения E _η постоянна и имеет небольшую величину (45–80 кДж/моль). При уменьшении температуры η меняется незначительно и только при затвердевании начинает интенсивно возрастать.

В кислых шлаках, имеющих высокую концентрацию комплексообразующих компонентов, энергия активации может уменьшаться с ростом температуры: E _η = Е ₀ / Т, что вызвано разукрупнением сложных анионов при нагреве. Экспериментальные данные в этом случае линеаризуются в координатах «ln η – 1/ T ²».