ТЕХНОЛОГИЯ ОГНЕУПОРОВ

КАПИЛЛЯРНЫЕ ЯВЛЕНИЯ НА ГРАНИЦЕ ОГНЕУПОР — РАСПЛАВ

Огнеупорные материалы являются в большинстве случаев капил-' лярно-пористыми телами: они впитывают расплавы. Очень грубо счи­тают, что, чем больше открытая пористость, тем больше впитается расплава. Однако количество впитываемого расплава зависит не только от объема открытых пор, но и от их размера и текстуры.

Известно, что высота столба жидкости, поднимаемого капилляр­ными силами в цилиндрическом вертикальном капилляре, выражается уравнением

Ft = 2о cos 8/(pgr), (11.66)

Где о — поверхностное натяжение расплава, мДж/м2; 6 — угол смачи­вания; р — плотность расплава, г/см3; g — ускорение силы тяжести, 981 см/с2; г — радиус капилляра, см.

Для мартеновского шлака, имеющего 0=450 мДж/м2, р= = 3,2 г/см3, и для капилляра с г= 10—3 см н 0 = 0° к== 285 см.

Из формулы (11.69) следует, что чем тоньше поры, тем больше в них проникнет шлака. Однако это совсем не так, формула не отве­чает на вопрос, сколько потребуется времени для подъема расплава на максимальную высоту.

При условиях, когда температура расплава и стенок пор огне­упора одинакова и постоянна во времени и по длине каналов, поры не меняют первоначальных размеров и формы, расплавы не взаимо­действуют с огнеупором, и их свойства также постоянны и не зави­сят от размеров пор, движение расплава ламинарное, пропитка огне­упоров описывается параболическим уравнением

Iі = Кг, (11.70)

Где I — глубина пропитки; К — константа пропитки; х — время.

Уравнение (11.70) справедливо для пор определенного размера: в крупных порах, кроме капиллярных сил, действуют гравитационные, а в тонких вероятно изменение свойств расплавов. Кроме того, в на­чальный и конечный периоды пропитка подчиняется другим законо­мерностям, в начальном периоде она значительно выше. Для капил­лярно-пористых тел при четочной модели пор константа пропитки рассчитывается по формуле

К = Ot rcos 0/2,8b3rj, (11.71)

Где 02 — поверхностное натяжение расплава; Ъ — коэффициент изви­листости (для крупнозернистых набивных магнезитовых масс, обож­женных при 1450° С с пористостью 34—38% 6 = 1,6, в других случа­ях 6 = it/2); г — радиус проницаемых пор, см.

Скорость движения расплава описывается дифференциальной формулой параболического уравнения (11.70):

О= dJ/dT = 02rcose/(5,662T)) 1II. (11.72)

Из формулы видно, что скорость пропитки тем больше, чем боль­ше размер пор. По формуле (11.72) для мартенові лого шлака при 1500° С 02 = 450 мДж/м2, 9 = 0°, г=10-3 см, т) = 0,03 Па-с, /= 1 ем, ті»0,10 см/с.

На уровне критической высоты подъема шлака 285 см скорость составила бы 0,35-10—3 см/с, а время подъема шлака на эту высот!' было бы равно t=/2//C=2852/2-10-I»4-105 с«113 ч.

Так как огнеупоры обычно работают при градиенте температур, то на расстояниях максимально возможных подъемов, равных 200— 350 см, шлаки затвердеют. Поэтому количество шлака, которое мо­жет впитаться огнеупором, увеличивается с ростом пор. Практически скорость пропитки значительно меньше теоретической, что объясня­ется увеличением вязкости вследствие взаимодействия шлака со стен­ками пор. На скорости движения расплава в пористом теле очень сильно сказывается перепад температур. С понижением температуры, особенно вблизи линии ликвидуса, вязкость расплавов интенсивно возрастает, а скорость их движения существенно понижается.

С учетом силы тяжести расплава уравнение скорости пропитки имеет вид (всасывание вертикально вверх):

Dl ^ os г Cos е 1 __ Г" gp (II 73)

Dx 5,6Ьг г] / 8b2 ц '

Сила тяжести расплава уменьшает скорость пропитки. Действием этой силы можно пренебречь, если второй член уравнения (11.73) бу­дет меньше первого, например, меньше 10%, при этом радиус пор называют критическим:

0,7rKpgpl/(asCosQ) <0,1, откуда

RKp = 0,143<72cose/(gpO (11.74)

Прн /= 1 см для оксидносиликатных расплавов, у которых <7=300-*- -=-600 мДж/м2, p=2,2-f-4,9 г/см3, 6 = 0°, /-,<Р«0,1 мм.

Общий объем расплава, впитывающегося в огнеупор, приближен­но определяется по формуле

Q-^АКУ Лдф /-эф Vol г) Vcos 9 Vr, (II. 75)

Где Q — объем впитанного расплава, см3; А — площадь сечения об­разца в направлении, перпендикулярном фронту пропитки, см2; К — коэффициент, характеризующий текстуру пор; Пэф — эффективная пористость, доли единицы; г3ф—эффективный радиус пор, см.

Не все величины, входящие в формулу, могут быть вычислены, и поэтому формула носит качественный ХарактеР и показывает, от

Каких факторов зависит пропитка: гэф~ ФакТ0Р текстуры;

Vff/т) — фактор расплава; УТ—фактор времени; V^cosO — фак­тор, характеризующий взаимодействие расплава со стенками огне­упора.

Как только краевой угол достигнет 90°, пропитки вообще быть не может. Чистые металлы, имеющие угол смачивания с огнеупорами больше 90°, в огнеупор не впитываются.

На капиллярную пропитку большое влияние оказывает состояние стенок пор. Стенки пор, покрытые расплавом собственной жидкой фазы, способствуют пропитке. Пропитка зависит также от количества Расплава. При неограниченном количестве расплава объем впитанио - г° расплава обусловливается крупными порами; при ограниченном — Мелкими (на заполнение крупных пор не хватает расплава).

В очень мелких порах расплав под влиянием кривизны поверх - ности испаряется, и дальнейшее заполнение пор идет не путем ка-

4—298

Пиллярного движения расплава, а путем испарения н конденсации паров на стенках пор с последующим переходом пленок в столбики расплава. Размер таких мелких пор для металлургических шлаков при температуре 1500° С составляет Ю-5 см.

Металлургические шлаки в поры огнеупора менее 5 мкм практи­чески не заходят благодаря растворению стенок пор и повышению вязкости. Механизм этого явления недостаточно изучен. Например, установлено, что пропитка обычного динаса с открытой пористостью 15—25% железистым расплавом (56,3% FeO н 37,2% Fe203) при 1600° С показала почти линейную зависимость объема пор, заполнен­ных расплавом, от начальной пористости. При этом отношение объе­ма расплава, зашедшего в поры, к объему пор остается практически постоянным и составляет около 30%. Объем пор размером менее 5 мкм в динасе не более 2—5%, следовательно, то обстоятельство, что расплав не зашел в 70% пор объясняется в значительной степени строением пор (запирание, тупиковые н т. п.).

Скорость пропитки высокотемпературного расплава va может быть моделирована по скорости пропитки низкотемпературной жид­кости (например, воды) Vb по формуле

Va = I'b (<ja cos ea Tfo) /(ab cos Qb r)a) •

Формула получена делением скорости движения жидкости а на скорость движения жидкости Ь в одинаковых условиях. Формула удобна тем, что в ней исключаются факторы структуры.

Пропитка огнеупоров шлаками вызывает образование в огнеупо­рах зон, различных по составу и свойствам, что во многих случаях является причиной износа огнеупоров. Границы зон часто бывают четкими. Мощность зон определяется градиентом температур н вяз­костью шлаков. Шлакн достигают такого горизонта, температура которого ниже температуры ликвидуса. Для мартеновских шлаков эта температура около 1450° С. Температурный интервал капилляр­ного всасывания в этом случае около 300° С, что прн градиенте тем­ператур 30—60° С/см дает глубину пропнткн 10—5 см.