2.6 Шлакообразование и требования к шлаку (0,25 часа)

Параметры шлакового режима — состав, вязкость, количество шлака и скорость его формирования оказывают сильное влияние на качество стали, выход годного металла, стойкость футеровки и технологию продувки.

Требования к шлаку. Шлаковый режим должен прежде всего обе­спечить достаточно полное удаление фосфора и серы из металла во время продувки. С этой целью основность шлака должна быть достаточно высокой (от 2,5 до 3,7), а вязкость невелика, так как в густых шлаках замедляются процессы диффузии компонентов, участвующих в реакциях дефосфорации и десульфурации. При чрезмерно большой основности (3,8 и более) шлак начинает пере­ходить в гетерогенное состояние; при недостаточной основности, т. е. повышенном содержании в шлаке SiO₂, помимо ухудшения удаления фосфора и серы усиливается разъедание шлаком футе­ровки. Износ футеровки существенно усиливается при чрезмерной жидкоподвижности шлака и повышенном содержании в нем окислов железа. Увеличение количества шлака и его чрезмерная окисленность способствуют появлению выбросов и ведут к росту потерь железа со сливаемым шлаком в виде окислов. Повышение окисленности шлака вызывает также увеличение угара раскислителей. При слишком густом шлаке и повышенном его количестве возрастают потери железа со шлаком в виде корольков.

Скорость формирования шлака. В связи с кратковременностью продувки чрезвычайно важно обеспечить как можно более раннее формирование шлака; в противном случае из-за недостаточного времени контакта металла со шлаком не успеют завершиться дефос­форация и десульфурация. Кроме того, при продувке без шлака наблюдается повышенный вынос капель металла с отходящими газами и образование на фурме настылей металла.

В кислородно-конвертерном процессе с верхней подачей дутья имеются благоприятные ус­ловия для шлакообразования (растворения извести): 1) высокая температура в шлаковой зоне ванны (до 2000°С), вызываемая взаимодействием струи кислорода с металлом, включая король­ки металла, находящиеся в шлаке; 2) интенсивное перемешива­ние ванны под действием струи кислорода и выделяющегося из ванны СО; 3) возможность изменения содержания оксидов же­леза в шлаке изменением положения кислородной фурмы отно­сительно поверхности ванны. В таких конвертерах применение кусковой извести возможно при переделе любых чугунов: обыч­ных (малофосфористых), высокофосфористых и природнолеги-рованных (ванадистого, хромникелевого и др.).

Формирование основного шлака сводится к растворению загру­жаемой в конвертер кусковой извести в образующейся с первых секунд продувки жидкой шлаковой фазе—продуктах окисления составляющих чугуна (SiO₂, MnO, FeO). Известь тугоплавка (тем­пература плавления СаО составляет 2570 °С), поэтому для ее раство­рения необходимо взаимодействие СаО с окислами окружающей шлаковой фазы с образованием легкоплавких химических соедине­ний, которые расплавлялись бы при температурах конвертерной ванны.

Практика показала, что без принятия специальных мер раство­рение извести происходит медленно. Это объясняется тем, что реаги­руя с кремнеземом куски извести покрываются тугоплавкой обо­лочкой из двухкальциевого силиката 2CaO-SiOa (температура плавле­ния 2130 °С), препятствующей дальнейшему растворению. Поэтому необходимо добавлять компоненты, понижающие температуру плав­ления этого силиката, а также самой извести. Наиболее эффективны в этом отношении CaF₂ и окислы железа, в несколько меньшей сте­пени MnO. Поэтому в конвертер в начале продувки обычно присаживают плавиковый шпат (CaF₂), а обогащение шлака окислами железа достигают, начиная продувку при повышенном положении фурмы, и иногда за счет присадок железной руды, агло­мерата, окатышей, боксита.

Шлаковый режим. Для обогащения формирующегося шлака окислами железа продувку начинают при повышенном положении фурмы. После начала продувки в конвертер вводят первую порцию шлакообразующих — примерно 1/2—2/3 их общего количества. В эту порцию обычно входят известь и плавиковый шпат; иногда вместо плавикового шпата применяют боксит, агломерат, окатыши, железную руду. Оставшееся количество шлакообразующих вводят одной или несколькими порциями в течение 1/3 длительности продувки. Загружать все шлакообразующие сразу не рекомендуется, так как это вызывает охлаждение ванны, слипание кусков извести и замедление шлакообразования. Иногда для ускорения шлакообра­зования часть извести (20-40%) загружают в конвертер перед заливкой чугуна.

Общий расход извести составляет 5—8 % от массы плавки; его определяют расчетом так, чтобы обеспечивалась требуемая основность шлака Обычные пределы колебания основности: 2,5-3,0 при переделе низкофосфористых и малосер­нистых чугунов в рядовые марки стали; 3,2-4,0 при переделе обычных чугунов в качественную сталь, а также высокофосфо­ристых и высокосернистых чугу­нов в рядовую сталь. При возра­стании основности значительно выше 4,0 шлаки становятся гете­рогенными, их химическая актив­ность снижается и возникает не­обходимость увеличения расхо­да плавикового шпата, являюще­гося основным разжижителем шлака в конвертерах. Расход плавикового шпата обычно составляет 0,15—0,3 % и иногда достигает 1 %.

По ходу продувки состав шлака изменяется (рис.). В результате растворения извести содержание СаО в шлаке возрастает, а содержание SiO₂, MnO и FeO снижается. Заметно уменьшается содержание FeO в период наиболее интенсивного окисления углерода (середина продувки), когда сильное развитие получает реакция окисления углерода за счет окислов железа шлака. В конце продувки, когда углерода в ме­талле мало, начинает окисляться железо и содержание FeO в шлаках возрастает, причем тем значительнее, чем до более низкого содержа­ния углерода в металле ведут продувку.

Состав конечного шлака кислородно-конвертерной плавки: 43—50 % СаО, 14— 22 % Si0₂, 7—20 % FeO, 2—6 % Fe₂О₃, 7—14 % MnO, 3—7 % Аl₂O₃, 1,5-4 % MgO, 0,5—4,0 % P₂О₅, <3 % CaF₂, <1 % CaS. Соотноше­ние между содержанием СаО и SiО₂ определяется основностью шлака, которой задаются и которую регулируют, изменяя расход извести. Содержание окислов железа будет тем выше, чем ниже содержание углерода в металле в конце продувки (кривая 2); при этом содер­жание Fe₂О₃ в 3—4 раза ниже содержания FeO.

При выплавке стали с особо низким содержанием углерода (<0,05%) для уменьшения потерь железа необходим спуск основ­ного количества шлака при содержании углерода в металле не менее 0,15-0,2%, когда концентрация оксидов железа умеренная. Додувка должна проводиться при минимальном количестве шлака (<5%) и пониженном положении фурмы, поскольку чем больше глубина проникновения струи кислорода в металл (ниже положение фурмы), тем меньше содержание окси­дов железа в шлаке.

Количество шлака также является одним из важных парамет­ров шлакового режима и в общем случае может изменяться в широких пределах: от 10-16% при переделе обычных чугунов од­ношлаковым процессом до 25-30% и более при переделе высоко­фосфористых чугунов двух- или трехшлаковым процессом. Основ­ными факторами, определяющими количество образующегося шлака, являются содержание кремния и фосфора в шихте и основмость шлака.