1 Методические указания к выполнению практической работы для студентов

1. К выполнению практической работы необходимо подготовиться до начала учебного занятия.

2. При подготовке к практической работе используйте рекомендованную литературу, предложенную в данных методических указаниях, конспекты лекций.

3. К выполнению работы допускаются студенты, освоившие необходимый теоретический материал.

4. Выполняя практические задания, пишите грамотно, четко и кратко в тетради для практических работ.

5. Если практическая работа не сдана в указанные сроки (до выполнения следующей практической работы) по неуважительной причине, оценка снижается.

2 Практическая работа № 5

Тема:	Определение активности компонентов шлакового расплава
Цель работы:	овладеть навыками применения основ теории сталеплавильных процессов для их успешного управления. В результате выполнения практической работы студенты должны уметь: - применять для расчетов основные понятия и законы физической химии; должны знать: - источники, функции и свойства сталеплавильных шлаков; - физико-химические процессы, протекающие в сталеплавильных агрегатах.
Приборы, материалы и инструмент	Калькулятор
Порядок выполнения практической работы	1. Усвоить теоретический материал по темам: - Сталеплавильные шлаки. Источники, функции - Химические и физические свойства шлаков - Строение жидкого металла, термодинамика окисления и восстановления - Система металл-шлак. Окисление и восстановление кремния и марганца 2 Ответить на контрольные вопросы для самопроверки. 3 Выполнить и записать задания практической работы в тетрадь по практическим занятиям. 4 Сдать выполненную практическую работу на проверку преподавателю

Теоретическая часть

Сталеплавильные шлаки. Выплавка стали обычно сопровождается процессами окисления железа и его примесей, а также процессами разъедания футеровки сталеплавильных агрегатов. В шихте, загружаемой в сталеплавильные агрегаты, всегда имеется большее или меньшее количество загрязнений. Кроме того, при ведении плавки в ванну обычно добавляют различные флюсы и добавочные материалы. В результате образуется неметаллическая фаза, называемая шлаком.

Основные источники образования шлака следующие:

1. Продукты окисления примесей чугуна и лома — кремния, марганца, фосфора, хрома и других элементов (SiO₂, МnO, Р₂O₅, FеO, Сr₂O₃ и др.).

2. Продукты разрушения футеровки агрегата — при разъедании основной футеровки (доломита, магнезита) в шлак переходят СаО, MgО, при разъедании кислой (динас) — SiО₂.

3. Загрязнения, внесенные шихтой (песок, глина, миксерный шлак и т.п.), — SiО₂, Аl₂O₃, МnS 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, Аl₂O₃, Si0₂, FеО, Fе₂O₃, МnО и др.

В каждом конкретном случае степень влияния перечисленных загрязнений на состав шлаков различна. Вводя после соответствующего расчета то или иное количество определенных добавок, добиваются получения шлака нужного состава. При необходимости проводят операции обновления (скачивания) шлака, когда определенное количество шлака (иногда почти 100 %) удаляют из агрегата, а затем, вводя нужное количество тех или иных добавок, и наводят новый шлак необходимого состава.

Строение и состав шлака. В сталеплавильном агрегате шлак находится в расплавленном состоянии. Жидкие шлаки характеризуются наличием между составляющими шлака и ковалентной, и ионной связи. Образование ионов при расплавлении компонентов шлака можно представить следующими реакциями:

Таким образом, сталеплавильные шлаки обычно имеют в своем составе такие катионы, как Fе²⁺; Мn²⁺; Са²⁺; Мg²⁺, и такие анионы, как O^2-; SiO₄^4-; S^2-; F^-; PO₄^3- и т.п. Кроме того, в шлаке могут быть и сложные комплексы, близкие к составам таких соединений, как (СаО)₄∙Si0₂; (FеО)₂∙Si0₂; (СаО)₄∙Р₂O₅.

Шлаки, в которых преобладают основные оксиды (СаО, МgO, МnО, FеО), называют основными шлаками, а шлаки, в которых преобладают кислотные оксиды (SiО₂, Р₂O₅) — кислыми шлаками (Рис. 1). В зависимости от характера шлаков и процессы называют основными или кислыми. Обычно и характер огнеупорных материалов, из которых сделана сталеплавильная ванна, соответствует характеру процесса (характеру шлака). Например, ванну печей, в которых осуществляют кислый мартеновский процесс, изготовляют из кислых огнеупорных материалов. Иначе шлак будет энергично взаимодействовать с огнеупорной футеровкой и разрушать ее (кислотные оксиды активно взаимодействуют с основными). В тех случаях, когда в агрегате вообще нет футеровки (например, при электрошлаковом переплаве), состав шлака может быть любым.

Поскольку из всех перечисленных компонентов наибольшую долю в основных шлаках занимают СаО и SiО₂, отношение этих оксидов В= СаО/SiO₂ характеризует степень основности (или просто “основность”) основных шлаков. Шлаки, в которых отношение B < 1,5, называют низкоосновными; у шлаков средней основности B = 1,6 - 2,5; у высокоосновных шлаков B > 2,5.

Рисунок 1 - Температуры плавления шлака

Кроме основности шлака, другой важной его характеристикой является величина, называемая окисленностью шлака. Эта величина характеризует способность шлака окислять металл и его примеси. В качестве меры окисленности обычно принимают или содержание (%) в шлаке FеО, или содержащуюся в нем сумму (FеО + Fе₂O₃), или содержание в шлаке железа.

Помимо химического состава, важнейшей характеристикой шлака является его вязкость, которая обычно значительно выше вязкости стали. При температуре около 1600 ^оС вязкость стали составляет 0,0025 Па∙ с; вязкость относительно жидких шлаков равна 0,02—0,04 Па∙с, густых — выше 0,2 Па∙с (Рис. 2).

Увеличение степени перегрева над температурой плавления повышает жидкотекучесть шлаков. Обычно для разжижения основных шлаков используют добавки боксита (основные составляющие Аl₂O₃, SiО₂, Fе₂O₃), плавикового шпата (СаF₂), боя шамотного кирпича (SiO₂, Аl₂O₃), в некоторых случаях песка (SiО₂); для загущения основных шлаков используют добавки извести (СаО), иногда — магнезита (МnO).

Рисунок 2 - Зависимость вязкости шлаков от температуры

1 - основные (короткие) шлаки; 2 — кислые (длинные) шлаки

Роль шлака в сталеплавильном производстве чрезвычайно велика. Удаление, например, из металла таких вредных примесей, как сера и фосфор, заключается в переводе этих элементов в шлак и создании условий, препятствующих их обратному переходу из шлака в металл. Изменяя состав шлака, его количество и температуру, можно добиться увеличения или уменьшения содержания в металле марганца, кремния, хрома и других элементов. Поэтому во многих случаях задача сталеплавильщика заключается в получении шлака необходимой консистенции и химического состава.

Рафинировочные процессы в системе "металл - шлак" всегда идут в направлении достижения равновесия. И хотя в реальных условиях равновесие часто не достигается, знание его важно для оценки поведения данного компонента-примеси в изменяющихся условиях сталеплавильного процесса.

В качестве исходных данных химический состав шлака и металла, температура ванны, количество шлака (в % к массе металла). Требуется определить степень рафинирования ванны от этого элемента или степень насыщения им металла за счет шлака при изменяющихся исходных условиях.

На первом этапе расчета нужно определить условия равновесия данной химической реакции: найти величину константы равновесия для заданной температуры и по ней определить коэффициент распределения элемента-примеси между металлом и шлаком. Однако полученное уравнение показывает только отношение активностей (концентраций) данного элемента в шлаке и в металле, но не их абсолютные количества.

Для нахождения абсолютных величин равновесных концентраций примеси в металле и шлаке необходима система из двух уравнений: равновесного и балансового. Последнее составляется из условия, что понижение концентрации элемента-примеси в одной из фаз должно сопровождаться соответствующим приростом содержания в другой фазе и наоборот. При этом необходимо учитывать соотношение количества металла и шлака и (если компонент-примесь меняет химическое состояние) вводить стехиометрический множитель.

Решая систему из двух уравнений, находят равновесные концентрации примеси в каждой фазе. Правильность решения проверяют подстановкой полученных равновесных концентраций в балансовое уравнение: оно должно обратиться в тождество. После этого определяют степень рафинирования металла от данной примеси и пригодность заданных исходных условий для сталеплавильного процесса.

В соответствии с заданием указанные расчеты повторяют для двух других вариантов при изменении температуры процесса, состава или количества шлака.

Полученные в этих вариантах результаты изображаются в виде графиков , (основность шлака) и др. На основе этих графиков студент должен указать, какие исходные параметры (химический состав шлака, температура и др.) могут обеспечить наилучшее решение данной металлургической задачи.

Для получения правильных результатов необходимо строго выдерживать способы выражения концентраций, которые приняты в используемых термодинамических уравнениях. Если, например, в выражение константы равновесия входят активности компонента металла (шлака), то необходимо определить коэффициент его активности и пользоваться этим коэффициентом для пересчетов с концентрации на активность и наоборот.