Широкое распространение получила ионная теория шлаков, суть которой состоит в том, что шлак рассматривается как раствор положительно и отрицательно заряженных ионов. Оксиды металлов при переходе в расплав диссоциируют на катионы металлов Fe2 Fe3 Ccf Л13 Mg2~ и анион кислорода О2'. Чем выше заряд и меньше радиус катиона, тем выше энергия взаимодействия его с окружающими ионами кислорода. Поэтому катионы с малыми радиусами находятся в расплаве не в виде простых ионов, а чаще образуют комплексные анионы типа МехОу.

Такие соединения, как например FeO, FeS, CaO, 2Ca0Si02, CaO • Fe203, в расплаве будут представлены следующими ионами:

- характерной особенностью катиона железа, находящегося в расплаве,

является непрерывная смена валентности по схеме ^е‘+ ^?+.

- кремнезем находится в расплаве в виде сложных комплексов SixOu образующихся из различных группировок кремнекислородных тетраэдров SiO*~ Комплексные анионы представлены в расплаве катионами металла, которые связаны с анионами кислорода внутренними ковалентными связями. Эти связи комплексных группировок являются направленными (жесткими) и взаимное перемещение анионов в комплексе требует значительно большей энергии, чем в случае чисто ионных связей. Вблизи комплексных анионов будут стремиться располагаться катионы, наиболее способствующие их стабилизации. Так, например, в расплаве FeO - CaO - Si02 вблизи кремне-кислородных комплексов ионы кальция будут находиться чаще, чем этого можно было ожидать в соответствии с законом случайности.

На механизм и скорость взаимодействия расплава с твердыми частицами большое влияние оказывают вязкость и поверхностное натяжение расплавов. Именно от соотношения поверхностного натяжения и вязкости во многом зависит степень уплотнения при жидкофазном спекании. Не меньшее значение играет и поверхностное натяжение расплава или его удельная поверхностная энергия, определяющая в конечном счете смачивание твердых частиц расплавом и, следовательно, образование прочной связи между ними.

Применительно к условиям обжига окатышей и агломерации наибольший интерес представляет не истинная вязкость, характеризующая энергию активации движения частиц внутри однородной жидкой фазы, а «кажущаяся» вязкость, определяемая не только силами взаимодействия между частицами жидкости, но и силами трения частиц жидкости о твердые частицы. Железистые расплавы, образующиеся при высокотемпературном нагреве железосодержащих офлюсованных шихт являются гетерогенными, т. е. содержащими мельчайшие взвешенные твердые частички в жидком расплаве.

Твердофазные компоненты (оксиды железа, кальция, силикаты кальция и др.) могут находиться в расплаве не только в случае нагрева до температур, соответствующих области между линиями ликвидуса и солидуса на диаграммах состояния, но и при значительном перегреве над линией ликвидуса. Вязкость гетерогенного расплава определяется вязкостью гомогенного расплава и содержанием в нем твердых частиц:

(6.14)

где 77 - вязкость гетерогенного расплава; ijo - вязкость гомогенного расплава;

в> - эмпирический коэффициент;

^ - содержание твердых фаз.

Поверхностное натяжение определяется энергией, с которой поверхностный слой расплава взаимодействует с нижележащими слоями. Как правило, наблюдается снижение вязкости расплава и рост поверхностного натяжения с увеличением степени ионизации расплава.

Известны два критерия для качественного определения характера влияния добавляемого компонента на поверхностную энергию расплава:

1. Критерий Ребиндера, по которому любой компонент, понижающий
температуру плавления расплава, снижает и его поверхностное натяжение. Однако он не всегда подтверждается на практике.

2. Критерий В. К. Семенченко, наиболее применимый для оксидных расплавов. Согласно его данным компоненты расплава, которые дают ионы, имеющие слабое электрическое поле (ионы, имеющие большой размер и несущие малый заряд), должны снижать поверхностное натяжение, т. е. быть поверхностно активными.

На рис. 6.9 приведена зависимость между поверхностным натяжением расплава и его составом. Присадка кремнезема к расплаву чистой закиси железа снижает его поверхностное натяжение, а присадка окиси кальция сначала понижает его поверхностное натяжение, а затем постепенно повышает до первоначальных значений.

Повышение основности (CaO+MgO)/Si02 железосиликатного расплава вызывает повышение степени ионизации расплава за счет снижения содержания поверхностно активного компонента Si02. Повышение основности железосиликатного расплава приводит к снижению его вязкости и росту поверхностного натяжения.

Рост температуры расплава повышает степень его диссоциации, вызывает разупрочнение анионных группировок и ослабление межчастичных связей, что в итоге Приводит к снижению вязкости расплава.

Зависимость поверхностного натяжения расплава от температуры имеет более сложный характер. С одной стороны, с повышением температуры увеличиваются межчастичные расстояния и ослабляется энергия взаимодействия и тем самым снижается поверхностное натяжение. Но с другой стороны, повышение температуры способствует росту степени разрушения кремнекислородных анионов, увеличению степени диссоциации расплава, вследствие чего поверхностное натяжение должно расти. В зависимости от того, какой из факторов превалирует, температурный коэффициент dv/дТ Может иметь положительное, отрицательное или близкое к нулю значение.

Свойства расплава изменяются в зависимости от состава газовой среды. Так, например, уменьшение парциального давления кислорода в газовой фазе способствует переходу трехвалентного железа в двухвалентное. А это в свою очередь приводит к увеличению степени диссоциации расплава и соответствующему росту поверхностного натяжения.