3 Сталеплавильные шлаки

Шлак, представляющий собой сплав оксидов с незначительным содержанием сульфидов, является неизбежным побочным продук­том любого современного способа производства стали в открытых агрегатах.

3.1 Источники образования шлака и его роль в сталеплавильных процессах

Основные источники образования шлака:

1. Продукты окисления примесей чугуна и лома - кремния, марганца, фосфора, серы, хрома и других элементов (SiO₂, MnO, Р₂О₅, FeS, MnS, Сr₂О₃ и др.).

2. Продукты разрушения футеровки агрегата - при разъедании основной футеровки (доломита, магнезита) в шлак переходят СаО, MgO, при разъедании кислой (динас) футеровки - SiO₂.

3. Загрязнения, внесенные шихтой (песок, глина, миксерный шлак и т.п.), - SiO₂, Аl₂О₃, MnS и т.п.

4. Ржавчина, покрывающая заваливаемый в сталеплавильные агрегаты лом, - оксиды железа.

5. Добавочные материалы и окислители (известняк, известь, боксит, плавиковый шпат, железная и марганцевая руды и т.п.) - СаО, Аl₂О₃, SiO₂, FeO, Fe₂О₃, MnO, CaF₂ и т. п.

Присутствие шлаков в сталеплавильных процессах играет как положительную, так и отрицательную роль. Положительное значение шлаков состоит в способности погло­щать фосфор (дефосфорация) и серу (десульфурация) из метал­ла.

В подовых процессах, т. е. в процессах, осуществляемых в мартеновских, двухванных и электродуговых печах, положительная роль шлаков выражается также в защите металла от поступающих из атмосферы печи вредных примесей, главным образом газов.

Отрицательное значение шлаков в основном выражается в следующем: 1) разрушающем действии на футеровку агрегата; 2) увеличении потери (угара) полезных примесей в процессе окис­лительного рафинирования, а также раскисления и легирования; 3) увеличении потери железа в виде оксидов и корольков, содер­жащихся в шлаке. Указанные отрицательные действия шлаков на ход и результаты плавки в той или иной степени проявляются в любых сталеплавильных процессах. Установление оптимального шлакового режима плавки должно означать обеспечение возможно большего проявления положительной их роли и меньшего - отри­цательной.

3.2 Химические свойства шлака

Химические свойства шлаков (способность поглощать вредные примеси металла) в той или иной степени зависят от соотношения концентраций основных и кислотных оксидов. Хими­ческие свойства основных шлаков прежде всего определяются степенью преобладания основных оксидов над кислотными, кото­рая называется основностью

1. Основность шлака

Существует множество показателей характеризующих основность шлака, но любая из них прежде всего должна позво­лять оценить фосфоро- и серопоглотительную способность шлака. Универсальной формой выражения основности шлака (В) явля­ется отношение концентрации основных оксидов к концентрации кислотных и амфотерных оксидов, забирающих часть анионов кислорода:

В = (CaO)+а*(MgO)+b*(MnO)+c*(FeO)+…/(SiO₂)+d*(P₂О₅)+i*(Al₂O₃)+f*(Fe₂O₃)+…

Коэффициенты эквивалентности (a, b, c … ) в приведенной выше зависимости в настоящее время известны недостаточно точно, поэтому использование последней формулы невозможно. Обычно пользу­ются более простым отношением: В = (CaO)/(SiO₂ + P₂О₅), т.е. учитывают только самый сильный основной оксид, оказываю­щий решающее влияние на свойства шлака, и два главных кислот­ных оксида.

При переделе малофосфористых чугунов содержание P₂О₅ в шлаке бывает пренебрежимо мало по сравнению с концентрацией SiO₂ поэтому за показатель основности шлака принимают еще более простое отношение: В= (CaO)/(SiO₂)

Шлаки, в которых отношение (CaO/SiO₂) < 1,5 называют низкоосновными; у шлаков средней основ­ности CaO/SiO₂ == 1,6-2,5; у высокоосновных шлаков (CaO/SiO₂) > 2,5.

2. Окислительная или окисляющая способность шлака - это способность его оказывать окислительное воздействие на метал­лическую фазу, передавая кислород в эту фазу. Передача кисло­рода из шлака в металл возможна при условии превышения воз­можной концентрации кислорода в металле, равновесной со шла­ком данного состава и при данной температуре, над фактическим содержанием кислорода в металле:

[О],ш - [О]ф = Δ[О] > 0,

где [О]ш - содержание кислорода в металле, равновесное со шлаком, %; [О]ф - фактическое содержание кислорода в металле,.

Фактическое содержа­ние кислорода в металле в период окислительного рафинирова­ния в основном зависит от концентрации углерода, а равновесное от состава металла и шлака и температуры. Таким образом, в общем случае окислительная способ­ность шлака находится в сложной зависимости от содержания в нем оксидов железа (FeO), его основности (В), концентрации уг­лерода в металле ([С]) и температуры ванны. Окислительная способность шлака возрастает по мере повышения содержания оксидов железа в нем, концентрации угле­рода в металле и температуры и снижения основности шлака до 1,7-1,8.

Уменьшая концентрацию оксидов железа, можно получить Δ[О] < 0, т.е. шлак способен не передавать кислород в металл, а погло­щать кислород металла. Такой шлак называется раскислительным или восстановительным. В частном случае можно получить Δ[О] = 0, т.е. шлак не обладает ни окислительной, ни раскислительной способностью. Такой шлак называется нейтральным.

В качестве меры окисленности шлака в производственных условиях обычно принимают или содер­жание (в %) в шлаке FeO, или содержащуюся в нем сумму FeO + Fе₂О₃, или содержание в шлаке железа.

3. Растворимость газов в шлаке

Способность сталеплавильных шлаков растворять газы (азот и водород) является их недостатком и чем выше растворимость газа в шлаке, тем больше возможности его перехода в металл.

Азот хотя и является довольно инертным газом, но, в опреде­ленной степени подчиняясь действию закона распределения, растворяется в шлаке и металле. Возможной формулой существования азота в шлаке, содержащем оксиды железа, может быть ион (N^3-).

Пределы содержания азота в шлаках различных процессов приведены ниже, %:

Основной мартеновский ......................0,0001-0,0003

Томасовский .......................………......0,0001-0,0007

Кислый мартеновский ..............………0,001-0,003

Электродуговой (карбидный шлак) …0,3

Водород в сталеплавильных шлаках находится в форме аниона (ОН^-). По данным В. И. Явойского, в кис­лых шлаках содержание водорода по ходу плавки составляет 10-20 cм³/100 г шлака (0,0010-0,0020 %). В основных мартеновских и кислородно-кон­вертерных шлаках водород содержится в количестве 25-45 cм³/100 г шлака.