8.4. Закономерности угара элементов в кислых и основных печах

Потери на угар составляют значительную часть себестоимости жидкого металла и отливки в целом. Величина угара, как показы­вает практика, во многом зависит от правильности выбора пла­вильного агрегата и технологических режимов плавки, основан­ного на понимании закономерностей процесса угара элементов.

Процесс угара элементов следует разделить на три существенно различных периода — угар в период нагрева до расплавления, угар в период расплавления и угар элементов в жидкой ванне расплава.

В период нагрева твердых кусков шихты угар происходит вследствие окисления элементов в поверхностном слое этих кус­ков. За время нагрева шихты до температуры плавления, которое может составлять от 0,2 до 1 ч для разных процессов плавки, реак­ции окисления успевают осуществиться в поверхностном слое тол­щиной до 0,5 мм. Поэтому при плавке на компактной крупной шихте влияние этих процессов на общую величину угара невели­ко. При плавке на легковесной мелкой шихте угар за такой период окажет существенное влияние на изменение химического состава металла в ходе плавки.

В период плавления кусков шихты поверхность контакта ме­талла с газовой фазой печи достигает максимума в результате обра­зования капель и струй металла, стекающих в образующуюся ванну жидкого металла. Большая поверхность контакта металла с газовой фазой в этот период определяет и значительную величину угара.

Важно отметить, что в первые два периода шлак и флюсы не обеспечивают защиты металла от окисления.

В третьем периоде угар элементов из жидкой ванны, по­крытой слоем шлака, замедляется, так как переход кислорода из газовой фазы к металлу связан с диффузией кислорода через слой шлака. Состав шлака оказывает существенное влияние не только на диффузию кислорода, но и на равновесие реакций окисления элементов в жидком металле.

На практике установлено, что элементы, образующие при окис­лении кислотные оксиды, интенсивнее угорают в основных печах и, наоборот, элементы, образующие основные оксиды, интенсивнее уго­рают в кислых печах.

Для объяснения этой закономерности сопоставим механизмы окисления кремния, образующего кислотный оксид Si0₂, и мар­ганца, образующего основной оксид МпО, в печах с кислой и основной футеровкой. Важнейшим отличием основного процесса от кислого, определяющим их металлургические особенности, является избыток в шлаке СаО при основном процессе и избыток Si0₂ в шлаке кислого процесса.

Схема процесса окисления кремния в основной печи показана на рис. 8.5, а.

Из приведенной схемы следует, что продукт реакции окисле­ния кремния — кислотный оксид Si0₂ в основной печи вступает в реакцию с основным оксидом СаО, содержащимся в избытке в основном шлаке. В результате образуется соль CaSi0₃. Это приво­дит к исчезновению продукта реакции окисления кремния и, следовательно, к смещению равновесия реакции вправо, т.е. способ­ствует повышению угара кремния.

В кислой печи избыток Si0₂ в шлаке приводит к увеличению концентрации продукта реакции, т.е. смещает равновесие в сто­рону, препятствующую угару кремния.

На рис. 8.5, б показано, что продукт окисления марганца — основной оксид МпО в кислой печи связывается кремнеземом в соль MnSi0₃. Снижение концентрации продукта реакции окисле­ния марганца смещает равновесие процесса вправо, в сторону увеличения угара марганца.

СаО

2FeO + Si 2Fe + Si0₂ + CaO = 2Fe + CaSi0₃

Рис. 8.5. Особенности угара элементов в основных (а) и кислых (б) печах (приведены схемы реакций)

Si0₂

FeO + Mn <=>Fe + MnO + Si0₂ = Fe + MnSi0₃

б

a

Рассмотренные закономерности играют важную роль при вы­боре футеровки печи для плавки разных по составу литейных спла­вов и учитываются при расчете состава шихты.