Л_Б1_Шлаки

3. Шлак и шлакообразование

Расплав оксидов и некоторых сульфидов, покрывающих поверхность жидкого металла в металлургических процессах, называется шлаком.

 Основные функции шлака:

• удалять из металлической ванны вредные примеси (серу и фосфор);

• создавать условия, обеспечивающие минимальные потери железа в виде оксидов FеО и Fе₂O₃ и механических примесей, представляющих собой частицы металла, в практике получивших название "корольки";

• обеспечивать минимальное содержание неметаллических включений в стали.

 Основными источниками шлака:

• продукты окисления примесей чугуна и скрапа (кремния, марганца, фосфора, хрома и др.);

• шихтовые материалы (известь, известняк, железная и марганцевая руда, окалина, боксит, плавиковый шпат и др., в том числе загрязнения, внесенные шихтой, − песок, грязь и т.п.);

• продукты разрушения огнеупорной футеровки (например, если футеровка выполнена из магнезита, то, разрушаясь от плавки к плавке, она обогащает шлак МgО; если футеровка магнезитохромитовая, то кроме МgО, шлак обогащается Сг₂О₃; если футеровка из динаса, то шлак обогащается SiO₂ и т.д.).

 Строение шлаков

 Ионное строение шлаков:

• Простые ионы (Fe²⁺ ; Ca²⁺ ; S^{2 -} ;O^{2 -} ; Mn²⁺ ; Mg²⁺ );

• Сложные ионы (SiO₄^{4 -} ; Si₂O₇^{6 -}).

 Молекулярное строение шлаков:

• кислотные: SiO₂, Р₂О₅, TiO₂, V₂O₅;

• основные: СаО, МgО, FеО, МnО, К₂О, Nа₂О;

• амфотерные*: Аl₂О₃, Fе₂О₃, Сг₂О₃.

* Оксиды, которые ведут себя в основной среде как кислотные, а в кислотной − как основные, называются амфотерными.

 Минералогический состав шлаков:

• силикаты: СаО·SiO₂, FеО·SiO₂, (FеО)₂SiO₂, (СаО)₂SiO₂, МnО·SiO₂, МgO·SiO₂;

• фосфориты: (FеО)₃Р₂O₅, (CaО)₃Р₂O₅, (МnО)₃Р₂О₅, (СаО)₄Р₂O₅;

• алюминаты: FеО·Аl₂О₃, СаО·Аl₂О₄, МgО·Аl₂O₃;

• ферриты: СаО·Fе₂О₃, FеО·Fе₂О₃.

Различные оксиды и их соединения по-разному влияют на свойства шлака. Так, СаО, МgО, Сг₂O₃ и МnО повышают температуру плавления шлака, а SiO₂, Р₂О₅, Fе₂O₃, Аl₂O₃ понижают. Кроме этого, оксиды также оказывают влияние на вязкость шлака. Поэтому в практике известно, что присадка извести по ходу плавки обычно загущает шлак, а добавка плавикового шпата или боксита разжижает шлак.

Кроме оксидов, в состав шлака входят сульфиды СаS, МnS, FeS.

 Свойства шлаков

 Химические свойства шлаков (основность и окисленность)

В зависимости от преимущественного содержания основных или кислотных оксидов, шлаки сталеплавильных процессов делятся на основные и кислые.

Шлаки, в которых преобладают основные оксиды (СаО, МgО, МnО, FеО) называют основными; шлаки, в которых преобладают кислотные оксиды (SiO₂), — кислыми.

Шлаки в среднем содержат:

• основные: 35-60% (СаО + МgО); 10-25% FеО; 15-30% SiO₂; 5-20% МnО;

• кислые: 45-60% SiO₂; 35-45% (FeO + MnO).

 Отношение компонентов шлака СаО к SiO₂, взятых в массовых процентах или мольных долях, обычно принято называть основностью шлака: (СаО)/(SiO₂).

Для шлаков с повышенным содержанием Р₂O₅ выражением:

или .

Шлаки с содержанием:

• СаО=35−40% и SiO₂=25−30% называются низкоосновными

;

• СаО=40−35% и SiO₂=20−25% называются шлаками средней основности

;

• СаО=45−50% и SiO₂=15−20% называют высокоосновными

.

Основность шлака определяет важнейшее свойство шлака — способность извлекать из металла такие вредные примеси, как сера и фосфор, и удерживать их в шлаке.

Характеристикой кислых шлаков служит отношение:

или отношение , которое называется кислотностью шлака.

 Под окисленностью шлака понимают способность шлака передавать металлу кислород. В одних случаях этот кислород необходим для окисления примесей ванны (например, углерода), в других, наоборот, переход кислорода из шлака в металл не допускается, поэтому окисленность шлака тщательно контролируют.

Основным окислителем при взаимодействии металла со шлаком является монооксид железа (FеО).

 Физические свойства шлаков

Эти свойства определяются их составом и температурой.

 Входящие в состав шлака оксиды имеют следующую плотность, г/см³ (при комнатной температуре): SiO₂ =2,26; СаО=3,4; МgО =3,65; МnО =4,5; Fе₂O₃ =5,24; FеО =5,7.

Плотность шлака – 3 г/см³ ; плотность жидкой стали – 7 г/см³ .

 Вязкость жидких сталеплавильных шлаков колеблется в пределах 0,02−0,8 Па∙с. Характер изменения вязкости с изменением температуры зависит от состава шлака и степени его однородности. Вязкость шлака и обратная ей величина — степень подвижности (жидкотекучесть) играют большую роль в процессах взаимодействия шлака и металла. Необходимо иметь в виду, что вязкость шлака существено выше, чем вязкость стали. Например, при температуре 1600 ^оС вязкость стали в зависимости от состава находится в пределах 0,002−0,06 Па∙с, а вязкость даже очень жидких шлаков составляет не менее 0,02 Па∙с.

 Теплоемкость шлаков в зависимости от состава и температуры изменяется в пределах 1,25-2,5 кДж/(кг∙К).

 Жидкие шлаки обладают электрической проводимостью, которая составляет примерно 0,2-1,0 Ом^-1·см^-1.

 Температура плавления 1200-1300 ^оС для легкоплавких; > 1550 ^оС – для тугоплавких.

 Процесс шлакообразования

Процесс протекает во времени.

Определяется скоростью процессов окисления примесей шихты (кремния, марганца, фосфора и т.д.) с образованием соответствующих оксидов; продолжительностью процессов прогрева и расплавления загруженных материалов и т.д.

Расход шлакообразующих материалов рассчитывают, исходя из состава шихтовых материалов, самих шлакообразующих и состава того шлака, который необходимо получить в процессе шлакообразования.

Скоростью шлакообразования называют скорость перехода всех составляющих в жидкий гомогенный раствор.

Скорость шлакообразования зависит от температуры ванны, состава образующегося в начале плавки первичного шлака, интенсивности перемешивания ванны, размеров кусков шлакообразующих материалов, порядка их загрузки и т.п.

Может оказаться, что операция плавки закончилась, а шлак необходимого состава сформироваться не успел. Это приведет к тому, что вредные примеси из металла будут удалены неполностью.

Существуют различные способы ускорения шлакообразования:

• предварительное смешение шлакообразующих и измельчение их;

• искусственное перемешивание ванны (например, за счет вращения конвертера в вертикальном положении);

• использование офлюсованного агломерата с определенным соотношением СаО и SiO₂;

• вдувание в металл в струе кислорода шлакообразующих в виде тонкоизмельченного порошка (формирование железисто-известкового шлака происходит практически в момент продувки)

• введение в ванну добавочных материалов, снижающих температуру плавления шлакообразующих материалов и повышающих жидкоподвижность шлака (Al₂O₃ или СаF₂).

Таким образом, за счет ввода расчетного количества добавок можно добиться получения шлака нужного состава.

Увеличение массы шлака связано с дополнительным расходом тепла на нагрев этого шлака и дополнительными потерями железа (чем больше масса шлака, тем больше при той же концентрации в шлаке оксидов железа и, следовательно, масса железа, которая теряется со шлаком).

В связи с этим в необходимых случаях проводят операцию скачивания шлака, при которой из агрегата удаляют (скачивают) шлак (частично или полностью). После этого вводят необходимое количество тех или иных добавок, благодаря чему образуется новый шлак необходимого состава. Эта операция называется наводкой шлака.

30