Згідно з визначеннями, прийнятими в колоїдної хімії, піни представ-ляють собою висококонцентрований-ні емульсії газу в рідині, обла-дають певною структурою і жорсткістю, коли осередки утворені газом, обсяг якого перевищує 74% (при обсязі газу менше 74% сі-стеми називають емульсіями газу в рідині).
Вспенивание шлаку в деяких рисах підпорядковане тим же закономірний-ності, що і вспенивание будь-яких рідин. Процес утворення піни в значній мірі залежить від швидкості проходження обсягів газу через поверхню рідини.
При малих значеннях критерію Рейнольдса висота шару піни Я визна-виділяється швидкістю надходження сни-зу газу v (м / с) і стійкістю (стійкості-востью) піни (с), т. Е. Н = v. По-кільки з сталеплавильних ванн ви-ються гази, що складаються в основному з СО, що утворюється в результаті окислення вуглецю, швидкість перехожих-дення через шлак газів v визначається в основному швидкістю окислення вуглецю vc.
Єдиної теорії стійкості пен поки не існує. Можна відзначити лише наступне.
1. Процес піноутворення жид-кісток пов'язаний з виникненням в масі рідини газоподібної диспер-сної фази і виділенням її на поверх-ність у вигляді шару піни.
2. Висота шару піни залежить від ко-лічества бульбашок піни, що утворюють-ся в одиницю часу на поверхні, і від тривалості существова-ня одиничних міхурів (устойчивос-ти піни).
3. На процес утворення і устої-тична піни в тій чи іншій мірі впливають склад розчину і концентрації-ція розчиненої речовини, поверх-ностное натяг і в'язкість, темпе-ратура розчину, ступінь дісперснос-ти піни, гідродинаміка процесу.
4. Руйнування піни при відсутності зовнішніх сил відбувається під дією надлишкового тиску поверхневих сил всередині бульбашок (осередків) і в результаті стоншення їх стінок при стікання розчину, укладеного між адсорбційними шарами, під дією як сили тяжіння, так і тиску поверхневих шарів .
5. Піна як термодинамічно НЕ-стійка система може істота-вать тривалий час лише в тому випадку, коли всередині неї відбуваються які-небудь процеси, зміцнюючі складові піну бульбашки і подовжити ющіе терміни їх існування (збіль-Чіва стабільність піни); при наявності в розчині поверхнево-ак-тивних речовин стабілізація піни може відбуватися внаслідок кине-тичного фактора стабілізації ад-сорбційних шарів - ефекту Гіббса-Меренгоні 1 (рис. 9.7). З вище-ням температури стабільність піни знижується.
Загальновизнаною теорії, пояснити-нього причини спінювання стале-плавильних шлаків, поки немає. Суще-обхідних різні точки зору.
1 У даному випадку під ефектом Гіббса-Меренгоні розуміють наступне: при вирощуючи-жении рідини в поверхневому шарі зменшується концентрація поверхнево-активних компонентів, що супроводжується відповідним підвищенням міжфазного натягу. Якщо рідина досить під-Віжн (в'язкість її мала), відбувається интен-сивное переміщення поверхнево-актив-них іонів в напрямку ділянок з поні-женной концентрацією поверхнево-актив-них компонентів (протитечія рідини в поверхневому шарі) і потоншення плівки за-сповільнює (ефект Меренгоні). Схема, пояс-няющих дію ефекту Меренгоні, поки-зана на рис. 9.7. Гіббс, розглядаючи мож-ливість підвищення поверхневого натя-вання при розтягуванні плівки рідини навколо міхура, звертав увагу на те, що розтягнутий ділянку, маючи більш високу по-поверхневі натяг, прагне стиснутися в більшій мірі, ніж сусідні нерастяну-ті ділянки, і відсмоктує з них рідина, відновлюючи свою первісну тол-щину. Таке опір розтягуванню або прагнення до збереження первоначаль-ної товщини плівки Гіббс називав ЕЛАС-тичності.
У тому випадку, коли швидкість витікання порівнянна зі швидкістю дифузії (або менше) поверхнево-активних компонен-тів, дія цих ефектів можна не вчи-ють.
Мал. 9.7. Схеми расклинивающего (отталкі-вающего) дії однойменно заряджених іонів, розташованих на поверхні газо-вих пухирців аа і bb \ (I), і ефекту Мерен-гони в поверхневих шарах ab і а'Ь ', охоплення-вающих газові бульбашки (заштрихована частина - рідина) (II)
В. Я. Явойський виділив дотримуюся-щие фактори, що визначають схил-ність шлаку до вспениванию:
1. Поверхнева в'язкість шлаку, т. Е. Механічна міцність поверх-ностной плівки, яка визначається, в свою чергу, концентрацією поверх-ностно-активних великих аніонів (кремнекислородних або кремнефосфорістих комплексів).
2. Гетерогенність шлаків, присут-ність в них добре змочуваних йшла-ком (ліофільних) твердих частинок.
4. Температура шлаку (низька тим-пература визначає підвищені ме-ханических міцність плівки, поверх-ностно в'язкість шлаку і уповільнений-ний характер розчинення зважений-них в шлаку твердих частинок).
5. Інтенсивність і характер газо-вого потоку, що пронизує шар шлаку (збільшення інтенсивності га-зовиделенія, а головне - ступеня дисперсності газових бульбашок, обра-зующих потік, що пронизує йшла-ковий розплав, призводить до зростання піноутворюваність шлаку).
6. Хімічний склад шлаку. В ос-новних шлаках схильність до пенооб-разованию підвищується при вище-ванні концентрації SiO2 і Р2 ПРО5 і по-ніженіе істинної основності (т. Е. Основності, розрахованої за концентрацією розчиненого оксиду каль-ція). Присадка плавиковогошпату в рухомих шлаках кілька підвищена-шает схильність шлаків до вспениванию в зв'язку з підвищенням в шлаку концентрації поверхнево-актив-ного іона F -. Підвищення концентрації-ції оксидів заліза збільшує схильність шлаків до вспениванию в результаті стимулюючої дії на розвиток подшлакового процесу окислення вуглецю, сопровождающе-гося утворенням безлічі дрібних бульбашок, повільно спливаючих в шлаку.
7. Тиск газового середовища над шаром шлаку (підвищення тиску в плавильному просторі печі, нали-чие настильній пружною струменя Пекаха-ла, осаджують піну, призводять до зменшення ціноутворення).
Найбільшою схильністю до спінен-Нівань мають шлаки з основнос-ма 1,5-1,6 (рис. 9.8). Підвищення в шлаку змісту оксидів заліза і марганцю сприяє зниженню схильності шлаків до вспениванию. Всі заходи щодо прискорення йшла-кообразованія для отримання по рас-плавленні більш сприятливою і більш високою основності сприяють зменшенню піноутворюваність шлаків. До них відносяться різні прийоми інтенсивного перемішування ванни, методи прискореного нагріву, способи заміни звичайних шлакообразующих (вапняку, залізної руди) комплекс-ними, заздалегідь підготовленими флюсами (продукти, наприклад, со-вместно випалу вапняку, залізної і марганцевої руд та ін. ), викорис-тання шлакообразующих в порошку-кообразном вигляді і т. д.
Технологія ведення плавки стали в сучасних високопотужних дугових електропечах включає операцію штучного спінювання шлаку. Для цього на шлак або під шлак вводять (частіше вдувають) порошок коксу або кам'яного вугілля, ініціюючи протека-ня реакції окислення вуглецю-посередньо в шлаку. Утворюють-ся дрібні бульбашки СО забезпечують інтенсивне спінювання шлаку; со-відповідально створюються благоприят-ні умови для екранування дуг, зменшення опромінення стін і склепіння печі і поліпшення засвоєння тепла ван-ної.