Сталеплавильные процессы

Представление об ионном строении шлака

В настоящее время ионная теория шлака общепризнана. Впервые предположение об ионном строении шла­ка было высказано В. А. Ванюковым в 1916 г. В развитии ионной теории шлака значительная роль принадлежит О. А. Есину и его сотрудникам. Согласно этой теории, шлак рассматривается как раствор ионов, т. е. положи­тельно и отрицательно заряженных частиц.

Имеется много экспериментальных данных, под­тверждающих существование ионов в шлаковых рас­плавах. Ниже приведены некоторые из них:

  • Данные рентгеноструктурного анализа показыва­ют, что большинство известных минералов имеет крис­таллические решетки, в узлах которых находятся прос­тые или комплексные ноны, а не молекулы и атомы. Нет основания предполагать, что при плавлении ионы соединяются в электронейтральные частицы; наоборот, при плавлении ионы, составляющие кристаллы, стано­вятся более свободными и приобретают более четкую индивидуальность.
  • Расплавленные шлаки электропроводны. Их элек­тропроводность ниже электропроводности металлов и вы­ше электропроводности жидких изоляторов, состоящих из молекул. Ниже приведены значения электропровод­ности некоторых веществ в жидком состоянии, 1/(Ом·см):

таблица

Таким образом, жидкие шлаки относятся к провод­никам второго ряда (ионным проводникам).

  • Жидкие шлаки можно подвергать электролизу и осаждать на катоде соответствующие вещества. Напри­мер, железо будет участвовать в следующем процессе: Fe2++2e→FeТв. Электрошлаковый процесс возможен в связи с тем, что шлаки являются проводниками второго ряда.

Имеются и другие экспериментальные доказательст­ва ионной природы шлаков.

Существование в расплавленных шлаках электроза ряженных частиц, т. е. анионов и катионов, не исклю­чает существования ковалентных связей. Так, например, ковалентные связи проявляются при образовании круп­ных комплексов: кремнекислородных SiO4-4, фосфорно­кислородных PO3-4 и т. д.

В соответствии с представлением об ионном строении шлаков в них имеются простые (Fe2+, Ca2+, Mg2+, O2-, S2- и др.) и сложные (SiO4-4, Si2O4-6, PO3-4 и др.) ионы.

Основные шлаки, содержащие небольшое количество кремнезема (10—12%), как показали результаты иссле­дования А. М. Самарина, Л. А. Шварцмана, М. И. Тем­кина и др., состоят из простых ионов: анионов кислоро­да (O2-) и катионов металлов (Fe2+, Ca2+, Mn2+, Mg2+ и др.). Шлаки, состоящие из простых ионов, которые равномерно распределены в объеме так, что около иона одного заряда имеются только ионы другого заряда, на­зываются совершенными ионными растворами.

Однако в сложных шлаковых расплавах, какими, как правило, и являются шлаки сталеплавильного и ферро­сплавного производств, наблюдаются существенные от­клонения от совершенных ионных растворов. О. А. Есин пришел к выводу, что подобные отклонения объясняют­ся различной энергией взаимодействия отдельных кати­онно-анионных пар в реальных шлаковых системах. Раз­личная энергия взаимодействия вызывает и неравномер­ное распределение отдельных ионов в расплаве. Так, например, ионы Са2+ в основных шлаках, по мнению О. А. Есина, должны располагаться у ионов SiO4-4, а ио­ны Fe2+ — у ионов O2-, т. е. реальные шлаки в отличие от совершенных ионных растворов представляют собой микроскопические неоднородные электролиты.

Трудности термодинамических расчетов, основанных на ионной теории шлаков, связаны с определением ак­тивности компонентов в нем. Поэтому в металлургиче­ской литературе широко используются уравнения, выве­денные из предположения молекулярного строения шла­ка, хотя и они имеют недостатки, отмеченные выше. Однако объяснение механизма протекания физико-хими­ческих процессов должно быть основано на представле­ниях об ионном строении шлака.

Комментировать

Нажмите, чтобы комментировать