TOMP / Лекция_4

4 ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ШЛАКОВ

Шлаками называют неметаллические расплавы, которые образуются на поверхности металла в процессе плавки. Металлургические шлаки имеют раз- нообразный химический состав. Но шлаки традиционных сталеплавильных процессов на 90% и более состоят из оксидов, что позволяет характеризовать их как образующиеся на поверхности металла по ходу плавки оксидные рас- плавы.

Основные физико-химические свойства сталеплавильных шлаков опреде- ляются содержанием в них ограниченного количества оксидов, к числу которых относятся:

-основные оксиды – CaO , MgO , FeO , MnO ;

-кислотные оксиды – SiO2 , P2O5 ;

-амфотерные оксиды – Fe2O3 , Al2O3 .

При переработке легированной шихты в шлаках в значительных количе- ствах могут присутствовать амфотерные оксиды Cr2O3 , V2O3 , кислотные ок-

сиды TiO2 , WO3 и др.

4.1 Источники формирования шлака

Основными источниками формирования шлака являются:

-продукты реакций окисления примесей чугуна и металлического лома (кремния, марганца, фосфора и др.);

-продукты разрушения футеровки сталеплавильного агрегата;

-загрязнения, вносимые металлической шихтой (песок, миксерный шлак и др.);

-ржавчина, покрывающая металлический лом;

-флюсы и твердые окислители (известняк, известь, боксит, плавиковый шпат, железная руда и др.).

4.2 Химический состав сталеплавильных шлаков

К сталеплавильным шлакам предъявляется большое количество разнооб- разных, часто взаимно исключающих требований. Главное требование к шлаку заключается в том, что он не должен оказывать интенсивного разрушающего воздействия на футеровку сталеплавильного агрегата. С этой целью плавку не- обходимо вести под шлаком, химический состав которого максимально близок

кхимическому составу футеровки.

Внастоящее время для футеровки сталеплавильных агрегатов применяют два типа огнеупорных материалов: кислые огнеупоры на основе SiO2 , основ-

ные огнеупоры на основе MgO , CaO и др.

При производстве стали в агрегатах с кислой футеровкой плавку ведут под кислыми шлаками, главным компонентом которых также является SiO2 .

При температурах заключительного периода плавки содержание SiO2 в кислых

сталеплавильных шлаках может достигать 50 – 60%.

При производстве стали в агрегатах с основной футеровкой плавку ведут под основными шлаками, главным компонентом которых является CaO . При температурах заключительного периода плавки содержание CaO в шлаках мартеновского и кислородно-конвертерного процессов обычно составляет 45 – 50%. При выплавке стали в дуговых электросталеплавильных печах шлак на- грет до более высокой температуры, поэтому растворимость CaO в нем увели- чивается до 50 – 60%.

Сведения о химическом составе сталеплавильных шлаков представлены в таблице 4.1.

4.3 Процессы, протекающие при формировании шлака

Процесс шлакообразования включает следующие основные стадии: 1. Прогрев кусковых шлакообразующих материалов.

2.Разложение гидратов и карбонатов исходных шлакообразующих материа- лов.

Этот процесс сопровождается рассыпанием и разламыванием отдельных крупных кусков на более мелкие, образованием в них большого количества трещин, что впоследствии улучшает условия растворения их в шлаке.

3.Формирование первичных легкоплавких шлаков, которые обычно представ- ляют собой высокожелезистые или железо-кремнеземистые расплавы.

4.Окисление и переход в шлак примесей металлической шихты (Si, Mn, P, Cr и др.), в результате чего в начальном периоде плавки образуются шлаки, со- держащие 30 – 40% SiO2 . Меньшее содержание SiO2 характерно для основ-

ных шлаков, большее для кислых.

5.Растворение в первичных шлаках тугоплавких материалов, к числу которых в основных процессах относятся CaO и MgO , в кислых процессах – SiO2 .

При этом в каждом из периодов плавки содержание в шлаке тугоплавких компонентов приближается к пределу растворимости, который увеличивается при повышении температуры ванны.

В кислых сталеплавильных шлаках растворимость SiO2 при температу-

рах конца периода плавления в мартеновских печах увеличивается до 45 – 50%, при температурах заключительного периода плавки до 50 – 60%.

Растворимость CaO в основных сталеплавильных шлаках составляет: при температурах начала плавки 20 – 30%; при температурах конца периода плавления в мартеновских печах и середины плавки в кислородных конверте- рах 35 – 40%; при температурах заключительного периода плавки в конверте- рах и мартеновских печах 45 – 50%. В дуговых электросталеплавильных печах растворимость CaO в шлаке при температурах заключительного периода плав- ки может достигать 55 – 60%.

При обогащении основных сталеплавильных шлаков оксидом кальция концентрация SiO2 в них снижается. В конце периода плавления в мартенов-

ских печах и середине продувки в кислородных конвертерах она обычно со- ставляет 20 – 25%, в заключительном периоде плавки уменьшается до 15 – 20%.

Оксид магния ( MgO ) является обязательным компонентом основных сталеплавильных шлаков, поступающим в них главным образом из футеровки агрегата. Содержание MgO в шлаках кислородно-конвертерного процесса обычно не превышает 5 -–6%.

Наличие в шлаке 4 – 6% MgO способствует повышению стойкости футе-

ровки конвертеров, понижению температуры плавления и вязкости шлака, что улучшает его рафинирующую способность. Поэтому при выплавке стали в кон- вертерах указанное количество MgO может вводиться в шлак в составе доло-

митизированной извести и др.

В мартеновском процессе содержание MgO в шлаке всегда выше из-за большей продолжительности плавки и износа футеровки. Установлено, что по- вышение содержания MgO в шлаке до 8 – 10% не оказывает заметного отрица-

тельного влияния на его свойства. При концентрации MgO 12 – 15% и более ухудшается растворимость извести в шлаке, в результате чего шлак переходит в гетерогенное состояние и технологические свойства его быстро ухудшаются.

Глинозем ( Al2O3 ) поступает в ванну сталеплавильного агрегата с пустой

породой неметаллической шихты, загрязнениями лома и миксерным шлаком. Когда Al2O3 поступает в шлак только из этих источников, его содержание

обычно не превышает 2 – 5%. Более высокое его содержание обычно достига- ется введением в ванну боксита.

В основных шлаках Al2O3 в количестве до 10 – 12% ускоряет растворе-

ние извести и понижает вязкость шлака. При более высоких концентрациях глинозема технологические свойства шлака могут ухудшаться.

Оксид марганца ( MnO ) обычно является продуктом окисления марганца металлической шихты. Поэтому содержание его в шлаке в основном определя- ется содержанием марганца в металлической шихте (прежде всего в чугуне), а

также от количества шлака, который по ходу плавки удаляется из агрегата. Ни- же показаны характерные пределы содержания MnO в шлаке при переработке чугуна с 1,0 – 1,5% Mn (I) и 0,5% Mn (II).

В последние годы в связи с возрастающей дефицитностью марганца со- держание его в чугуне систематически уменьшается.

Оксид фосфора ( P2O5 ) обычно является продуктом окисления фосфора

чугуна. Поэтому концентрация его в шлаке зависит содержания фосфора в чу- гуне и количества его в шихте.

Содержание P2O5 в шлаках заключительного периода плавки обычно

достигает 4 – 10% при переработке чугунов с концентрацией фосфора 1,5 – 2,9%, и 1 – 2% при переработке чугунов с содержанием фосфора до 0,3%.

Оксид хрома ( Cr2O3 ) в значительных количествах присутствует в шлаке

только при переработке легированного лома и природно-легированного чугуна. Взаимодействуя с компонентами основных сталеплавильных шлаков, Cr2O3 образует химические соединения типа шпинелей ( MgO*Cr2O3 ,

FeO*Cr2O3 и др.). Шпинели обладают температурами плавления более 2000оС

и малой растворимостью в основных сталеплавильных шлаках. При содержа- нии Cr2O3 более 5 – 8% шлак становится гетерогенным, вспенивается, рафи-

нирующая способность его ухудшается.

Таблица 4.1 – Химический состав сталеплавильных шлаков