14. Шлакоутворення

При виробництві сталі в сталеплавильних агрегатах поряд із переробкою металошихти на сталь відбуваються процеси шлакоутворен­ня.

У кислих сталеплавильних процесах шлак утворюється насампе­ред унаслідок окислення елементів, розчинених у металі, зі ство­ренням конденсованих продуктів реакції. До них належать кремній, марганець і залізо, а в деяких випадках - титан, хром, ванадій та інші елементи, що містяться в природнолегованих чавунах або в лего­ваному брухті. Продукти окислення створюють первинний шлак переваж­но системи , складові якої в сумі при використанні переробних чавунів досягають 90-95%.

Якщо використовують рідкий чавун, то з ним до кислого сталеплавильного агрегату звичайно надходить до ~3% доменного або міксерного шлаку залежно від схеми доставки та зберігання чавуну. До­менний шлак містить та інші компоненти. У міксерному шлаці міс­тяться . Обидва види шлаку містять певну кількість оксиду кальцію, внаслідок чого вміст останнього в кисло­му сталеплавильному шлаку може досягати 5-10%. За відсутності окси­ду кальцію в кислому шлаці останній насичений при 50-52% кремнезе­му і тому густий і іноді навіть твердий. Із підвищенням концентра­ції у шлаці збільшується концентрація насичення кремнеземом до 55-60%. За відсутності відповідної кількості кремнію в чавуні насичення шлаку кремнеземом відбувається шляхом розчину в ньому футеровки, що звичайно містить понад 90-95% .

Насичення кислого шлаку кремнеземом запобігає його спінюванню. Навпаки, при підвищенні вмісту оксидів марганцю, заліза і кальцій та переходу всього кремнезему в розчин текучість шлаку збільшуєть­ся, що спричинює спінювання. При високій швидкості окислення вугле­цю, що відбувається в кислих бесемерівських конвертерах, це призво­дить до викидів шлаку разом з емульгованими в ньому краплями металу.

Іноді в доменному шлаці зустрічаються підвищені концентрації оксидів калію і натрію , які підсилюють спінювання бесемерівського шлаку. У цих випадках доводиться змінювати шихтові матеріали доменного процесу, з якими вони надходять, щоб запобігти постійним ускладненням у вигляді викидів у технології сталеплавиль­ного процесу.

При насиченні кислого шлаку кремнеземом розчинення кислої . футеровки в шлаці істотно зменшується, а тривалість її роботи, тоб­то кампанія конвертера з футеровки, збільшується.

Щоб забезпечити насичення кислого шлаку кремнеземом, потрібно підтримувати достатньо низьку концентрацію оксидів марганцю і залі­за. Перше досягається шляхом вибору відповідного співвідношення мар­ганцю і кремнію в чавуні; приблизно 1:2. У цьому разі після окислен­ня цих елементів первинний шлак стає насиченим кремнеземом. Кількість оксидів заліза в шлаці залежить від добавок твердих окислювачів у ванну, а при вдуванні повітря в кислих конвертерах – від глибини ванни металу, через яку проходять бульбашки повітря.

Іноді вразі несприятливого складу чавуну або інших чинників використовується насичення шлаку кремнеземом шляхом добавок піску. Якщо шлак значно пересичений кремнеземом протягом тривалого часу, він налипає на футеровку товстим шаром, що зменшує об’єм ванни і по­силює викиди шлаку і металу. У цьому разі можливе травлення шлаку плавиковим шпатом.

Шлакоутворення в основних сталеплавильних процесах відбуваєть­ся з постійним застосуванням флюсів. Первинний шлак утворюється, як і в кислих процесах, унаслідок окислення елементів металу: кремнію, марганцю і заліза, при легованій металошихті – титану, хрому, вана­дію та ін. Оскільки первинний шлак майже не містить оксиду кальцію і здатний швидко розчиняти основну футеровку, що складається переваж­но з оксидів магнію і кальцію, щоб запобігти цьому звичайно із само­го початку сталеплавильного процесу до ванни надходять основні флюси у вигляді вапняка (переважно мартенівський процес) і вапна (конвер­терний процес).

Флюси, що містяться в первинному шлаку, нагріваються І розчи­няються в ньому внаслідок протікання реакцій:

Завдяки цьому основність шлаку постійно зростає від на початку процесу, до – у середині його.

Створення , який має властивості міцної сполу­ки, що майже не дисоціює, приводить до гетерогенізації шлаку. Спо­чатку при малому вмісті двокальцієвого силікату це спричинює під­вищення стійкості динамічної піни шлакометалевої емульсії. Зростан­ня активності оксидів заліза, що відповідає такому складу шлаку, призводить до порушення рівноваги реакції:

яка відбувається на поверхні контакту крапель металу, що містить вуглець, зі шлаком. Монооксид вуглецю, що утворюється при цьому, у вигляді бульбашок розміром порядку кількох міліметрів прикріплю­ється до крапель металу, підтримуючи їх у зваженому стані й одно­часно спінюючи шлаки. Малий розмір бульбашок і підвищена в’язкість гетерогенізованого шлаку підсилюють стійкість піни, що спричинює зростання її газонасичення і рівня шлакометалевої емульсії. Анало­гічні процеси відбуваються в процесі переробки фосфористих чавунів унаслідок утворення . Якщо розміри ванни в мартенів­ській печі або робочого простору в конвертері виявляються недостат­німи, шлакометалева емульсія викидається газами, що виділяються при окисленні вуглецю, призводячи до так званих викидів. Запобігти цьому вдається шляхом зменшення вмісту оксидів заліза в шлаці та уповільнення процесу окислення вуглецю.

Подальший перехід оксиду кальцію до шлаку відбувається шля­хом розчинення вапна завдяки тому, що концентрація насичення окси­дом кальцію шлаку перевищує його фактичний вміст. Перша звичайно становить у силікатних і фосфатних шлаках, у той час як на­віть кінцева концентрація оксиду кальцію в шлаці менша за насичену. Під час розчинення вапна утворюється двокальцієвий силікат, що ша­ром покриває куски розчинюваного вапна. Якщо такий шар утворюється, то завдяки його гетерогенізації розчинення вапна припиняється або значно уповільнюється. Запобігти цьому можна, розплавивши шар добав­ками плавикового шпату або підвищивши вміст у шлаці оксидів марган­цю, і заліза, що знижують температуру плавлення цього шару. Плавиковий шпат реагує з двокальцієвим силікатом за реакцією:

порушуючи останній і створюючи сполуку, що називається «Каспідін». Температура плавлення цієї сполуки приблизно дорівнює 1450°C, тоб­то нижча за звичайну в цей час температуру ванни. Створенню шару двокальцієвого силікату запобігає достатній вміст у шлаці оксидів заліза і марганцю.

Усунення шару двокальцієвого силікату на кусках вапна віднов­лює їх розчинення в шлаці.

Поступово оксид кальцію вапна переходить до шлаку і останній здобуває потрібну основність. Остання добирається такою, щоб забез­печити потрібне відокремлення з металу сірки і фосфору, але водно­час же зберегти гомогенний стан шлаку. У противному разі під час гетерогенізації шлаку швидкість масопереносу в ньому сірки і фосфо­ру знижується. Іноді створюється шлак високої основності та сірко- і фосфоропоглинаючої здатності, що не використовується через велику в^’язкість шлаку, а сірка і фосфор із металу не виводяться.

Чим вища потрібна основність шлаку, тим більше треба викорис­тати плавнів, які б підтримували температуру плавлення шлаку на рівні фактичної температури ванни і зберігали гомогенний стан шлаку. Як у процесі плавки, так і наприкінці її цьому сприяє плавиковий шпат (у конвертерному процесі), боксит (у мартенівському процесі), оксиди марганцю і заліза (в обох процесах).

Сталеплавильний шлак контактує з футеровкою ванни, оксиди якої звичайно розчиняються в шлаці, що призводить до поступового по­рушення футеровки. Найстійкішим проти розчинення в шлаці є оксид маг­нію завдяки низькій концентрації розчинності в шлаці. Остання зале­жить від вмісту кремнезему в шлаці і змінюється від 30-35% на почат­ку плавки, до 10-15% - наприкінці її. Відповідно розчинність оксиду магнію в шлаці зменшується а 20-25% до 5-7%. Щоб запобігти розчинен­ню оксиду магнію, штучно підвищується його вміст у шлаці шляхом при­садки в останній матеріалів, що містять оксид магнію. Ними можуть бу­ти відпрацьовані вогнетриви тієї самої футеровки, що утворилися за попередніми кампаніями агрегату, вапняк із підвищеним вмістом оксиду магнію або доломіт. Кількість матеріалу добирають такою, щоб не перевищити концентрацію розчинності оксиду магнію в шлаці і запобіг­ти його гетерогенізації.

Існують технології сталеплавильного виробництва, в яких одна із стадій виконується при основній футеровці, але без використання основних флюсів. Вони звичайно пов"язані з переробкою металошихти особливого складу, насамперед природнолегованих чавунів, і потребу­ють мінімізації створюваного шлаку. У таких випадках утворюється первинний шлак, що є продуктом окислення елементів, у тому числі легуючих, що містяться в металошихті. Цей шлак відокремлюється від металу перед наступними етапами процесу. Бажано мати гетерогенний шлак, що сприяє відокремленню.

У процесі позапічної обробки сталі використовують так звані синтезовані шлаки, які отримуються розплавленням в електропечі або іншому агрегаті шихти з відповідних матеріалів. Звичайно це шлак системи .У подальшому він змішується зі сталлю, виводячи з неї шкідливі домішки.

Іноді для цього застосовуються тверді суміші відповідних мате­ріалів, які під час змішування зі сталлю нагріваються, плавляться й утворюють розчини. Найчастіше це суміші вапна і плавикового шпату.

Нарешті, шлакоутворення відбувається при розливці сталі,коли використовуються тверді суміші матеріалів, що утворюють шлаки сис­теми та інших оксидів. Існує багато різновидів цих сумішей залежно від наявності та ціни матеріалів, що утворюють їх.