Шлакообразование

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

Процесс выплавки стали в конвертерах представляет собой окисление железа и его примесей. В процессе плавки происходит постепенное разрушение футеровки конвертера. Для проведения различных технологических операций в конвертер вводят различные добавочные материалы (флюсы). Соединения, которые при этом образуются, легче стали, они всплывают и образуют над металлической ванной слой шлака.

Шлаковый режим плавки оказывает большое влияние на качество получаемой стали, а также на технико-экономические показатели процесса. Жидкий металл в процессе плавки и разливки непрерывно контактирует со шлаком и взаимодействует с ним.

Основная задача состоит в том, чтобы удалить из металла вредные примеси (обычно это сера и фосфор). Эта проблема решается путем перевода примесей в шлак и создания условий, препятствующих их обратному переходу из шлака в металл. Изменяя состав и количество шлака, можно добиться увеличения или уменьшения в металле различных примесей (например, марганца, фосфора и др.). Поэтому получение шлака необходимой консистенции, химического состава и количества является задачей первостепенной важности. Особенно большое значение все это приобретает для таких быстротечных процессов получения стали, каким является кислородно-конвертерный процесс.

В процессе плавки шлак должен выполнять следующие основные функции:

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

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

Ø обеспечивать минимальное содержание неметаллических включений в стали.

Основными источниками шлака при конвертерном процессе являются:

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

· шихтовые материалы, присаживаемые в конвертер (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.).

Оксиды, образующие шлак, в соответствии с их химическими свойствами, могут быть разделены на три группы:

§ кислотные: SiO₂, Р₂О₅, TiO₂, V₂O₅;

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

§ амфотерные*: Аl₂О₃, Fе₂О₃, Сr₂О₃.

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

В состав шлака могут входить оксиды в свободном состоянии и оксиды в химически связанном состоянии. Основные оксиды соединяются с кислотными и амфотерными оксидами, образуя соответствующие соединения, главными из которых являются:

· силикаты: СаОSiO₂, FеОSiO₂, (FеО)₂SiO₂, (СаО)₂SiO₂, МnОSiO₂, МgOSiO₂;

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

· алюминаты: FеОАl₂О₃, СаОАl₂О₄, МgОАl₂O₃;

· ферриты: СаОFе₂О₃, FеОFе₂О₃.

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.

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 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. Соответственно плотность шлака практически определяется содержанием в нем «тяжелых» оксидов (FeO+Fe₂O₃+MnO).

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. Плотность шлака 2,5−3 т/м³.

Теплоемкость шлаков в зависимости от состава и температуры изменяется в пределах 0,8−1,2 кДж/(кг∙К). Жидкие шлаки обладают электрической проводимостью.

Процесс шлакообразования протекает во времени, определяемом скоростью процессов окисления примесей шихты (кремния, марганца, фосфора и т.д.) с образованием соответствующих оксидов, продолжительностью процессов прогрева и расплавления загруженных в конвертер 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. Продолжительность собственно продувки в современном кислородном конвертере 14−20 мин, при этом на 1 т стали образуется 0,15 т шлака. Таким образом, в 100-т конвертере за короткое время образуется шлак массой несколько десятков тонн. В этом случае 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. Так, стараются в самом начале плавки добиться получения шлака с высоким содержанием оксидов железа. Для этого фурму, через которую в конвертер поступает кислород, поднимают высоко над поверхностью ванны таким образом, чтобы кислородные струи "растекались" по поверхности металла. Вследствие этого железо интенсивно окисляется, быстро формируется железисто-известковый шлак и начинается удаление фосфора.

Если струю кислорода подавать не на поверхность ванны, а в глубь ее, то при прохождении пузырьков кислорода через толщу металла содержащиеся в металле примеси быстро окисляются, а вот на поверхности ванны остаются неошлаковавшиеся куски извести. В этом случае добиться необходимой степени удаления фосфора становится трудно.

К другим способам ускорения шлакообразования относятся:

ü предварительное смешение шлакообразующих и измельчение их;

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

ü использование офлюсованного агломерата с определенным соотношением СаО и SiO₂;

ü вдувание в металл в струе кислорода шлакообразующих в виде тонкоизмельченного порошка.

В этом случае частицы порошка быстро прогреваются, а окисление железа обеспечивает образование некоторого количества железистого шлака. Таким образом, формирование железисто-известкового шлака происходит практически в момент продувки. Ускорить шлакообразование можно также введением в ванну добавочных материалов, снижающих температуру плавления шлакообразующих материалов и повышающих жидкоподвижность шлака. На практике для этого в основной шлак добавляют боксит с высоким содержанием Al₂O₃ и плавиковый шпат с высоким содержанием СаF₂.

Таким образом, за счет ввода расчетного количества добавок можно добиться получения шлака нужного состава. Следует подчеркнуть, что 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). Шлак скачивают, наклоняя конвертер. После этого в конвертер вводят необходимое количество тех или иных добавок, благодаря чему образуется новый шлак необходимого состава. Эта операция называется наводкой шлака.

Окисление примесей чугуна в начальный период конвертерной плавки сопровождается образованием шлака, количество и химический состав которого изменяются. В пробе шлака, отобранной через 3 мин от начала продувки, содержится максимальное количество SiO₂, МnО и FеО, что свидетельствует о первоначальном окислении кремния, марганца и железа. С увеличением длительности продувки содержание SiO₂, МnО и FеО уменьшается, количество шлака увеличивается.

Растворение извести в шлаке приводит к увеличению концентрации СаО. Кроме этого, в результате растворения огнеупорной кладки конвертера возрастает содержание МgО в шлаке к концу продувки. Конечные шлаки конвертерного процесса подвергают химическому контролю. Для этого при помощи термозонда без повалки конвертера, либо специальной пробоотборной ложкой отбирают во время повалки конвертера пробу шлака, в которой определяют в основном только СаО, SiO₂ и FеО. В настоящее время для быстрого определения основности шлаков используют спектральные методы анализа, а содержание FеО определяют химическим методом.