4.3.2. Шлакообразовние
Шлакообразование – важная составляющая технологии конвертерной плавки, определяющая ход десульфурации и дефосфорации, стойкость футеровки.
В обычных условиях скорость шлакообразования отстает от скорости других процессов, что приводит к неполному усвоению извести (70 – 90%) и затягиванию процессов удаления примесей.
Источниками шлака являются механические загрязнения лома, продукты реакций окисления компонентов чугуна и лома, футеровка конвертера, присаживаемые известь и флюсы.
Динамика изменения количества шлака по ходу продувки показана (рис. 4.8)
Рис. 4.8. – Изменение количества жидкости шлаковой фазы (1) и усвоенной шлаком извести (2) по ходу продувки мартеновского чугуна на низкоуглеродистую сталь. Стрелки – присадки извести и охладителей.
Как видно из рисунка, в начале и в конце плавки накопление шлака идет наиболее интенсивно. В начале плавки это обусловлено окислением примесей, в конце - окислением железа и ускорением растворения извести.
В течение же основного времени продувки увеличение количества шлака практически полностью обусловлено переходом извести в шлак. Общее количество шлака в конце продувки составляет 10 – 15% от массы металла.
Растворение извести начинается после некоторого пассивного периода, когда на поверхности куска СаО образуется, а затем оплавляется корочка твердого шлака.
Длительность пассивного периода 1 мин. для кусков 40 -50 мм.
Исследование кусков извести после выдержки их в жидком шлаке показало, что вслед за нетронутой сердцевиной располагается зона, пропитанная FeO или MnO, с нарастанием их концентрации к поверхности, постепенно переходящая в зону со значительным содержанием твердых растворов FeO – MnO – CaO. В этой системе находятся наиболее легкоплавкие соединения.
При высоком содержании SiO2 на поверхности куска извести образуется корочка из ортосиликата кальция 2CaОSiO2 c t˚ плавления 2130˚С, что существенно тормозит растворению извести (температура плавления СаО 2600˚С).
Обобщенное уравнение связи скорости растворения извести в шлаке известнового состава, полученное статистической обработкой экспериментальных данных, имеет вид:
VCaO = K (CaO + 1,35 MqO + 2,75 FeO + 1,9 MnO – 1,09 SiO2 – 39,1)
V – кг/м2 ·С, остальное – содержание компонентов шлака, %.
Анализ этого уравнения показывает, что наряду с FeO и MnO на скорость растворения влияет СаО и MqO. Однако влияние этих компонентов имеет экстремальный характер, что обусловлено их влиянием на вязкость шлака. При содержании в шлаке 30% CaO вследствие повышения его вязкости скорость растворения извести уменьшается. Так же влияет и MqO при содержании его до 5…6%.
Следует также иметь в виду, что FeO, Fe2O3, MnO существенно улучшают смачивание шлаком извести и условия проникновения шлака в поры.
Быстрому и полному растворению извести в шлаке способствуют такие меры:
1. Оптимизация состава перерабатываемого чугуна.
При высокой концентрации [Si] замедляется растворение извести, понижается активность (FeO) и (СаО), что в сумме уменьшает кинетические и термодинамические условия удаления из металла вредных примесей.
С другой стороны, при чрезмерно низком содержании [Si] уменьшается количество (SiO2) в шлаке и шлака в целом, что также затрудняет удаление вредных примесей из металла.
Поэтому оптимальным явлением [Si] = 0,5 – 0,7%. Благоприятное влияние на процессе шлакообразования оказывает [Mn]. Однако из-за его дефицитности в настоящее время перерабатываются чугуны с содержанием
[Mn] = 0,3 – 0,5 % и даже ниже 0,3%. При этом увеличивается вынос металла и заметалливание фурм, что требует дополнительных мер по ускорению шлакообразования (использование плавикого шпата, боксита, изменение положения фурмы по ходу продувки).
2. Поддержание по ходу продувки оптимальных соотношений скорости окисления углерода и окисленности шлака. VC определяет интенсивность перемешивания и массообменных процессов, (FeO) – вязкость шлака.
3. Использование извести с примесью до 6% MqO, полученной путем обжига боломитизированного известняка.
4. Использование специальных флюсов, разжижающих шлак (плавиковый шпат, боксит и др.).
5. Применение мягкообожженной извести. Эта известь имеет большую пористость и мелкокристаллическую структуру, что определяет ее высокую реакционную способность.
6. Использование предварительно подготовленных шлакообразующих материалов: брикетов СаО с марганцевой рудой, CaO + (FeO, Fe2O3), окомкованных материалов нужного состава, высокоосновного агломерата, оставление части шлака предыдущей плавки.