3.6. Десульфурация металла

Как и фосфор сера – вредная примесь, понижающая механические свойства, особенно пластичность, свариваемость, электротехнические и антикоррозионные свойства.

В жидком железе она имеет неограниченную растворимость, а при переходе в твердое состояние и охлаждении до нормальной температуры растворимость падает до 0,001 – 0,002%. Т.е. практически вся сера выпадает из раствора в виде сульфидов и оксифульфидов железа.

Чистый сульфид FeS имеет температуру плавления 1190˚С. С железом FeS образует эвтектику, плавящуюся при температуре 988˚С. Располагаясь по границам зерен, прослойки этих веществ являются причиной красноломкости – потери прочности металла под нагрузкой при температурах ковки и прокатки. Поэтому содержание серы в сталях обыкновенного качества ограничивают 0,05; в качественных – 0,04, в высококачественных 0,02…0,01% и ниже.

Десульфураторами являются Mn, Ca, Mq, Ce и другие металлы, и их оксиды. Но наиболее дешевым и распространенным является оксид кальция СаО.

[FeS] + (CaO) = (CaS) + (FeO) (3.22)

Ks = (3.23)

[S] = (3.24)

Т.к. CaS соединение весьма прочное, то температуру (и К¹s) при термодинамическом анализе можно не принимать во внимание. Тогда, согласно (3.24), понижению содержания серы в металле способствует высокая концентрация СаО в шлаке и низкая окисляемость шлака.

Для характеристики серопоглатительной способности шлака используют коэффициент распределения серы между шлаком и металлом

(3.25)

Наиболее сильное влияние на его значение оказывает температура, основность шлака и окисленность металла. Наиболее высокие значения коэффициента распределения серы достигаются в доменной печи – 80…70; в кислородном конвертере и мартеновской печи он значительно ниже: до 10 и до 5 соответственно.

3.7. Шлакообразование

Побочным продуктом при выплавке стали является шлак. Он образуется в результате разрушения футеровки агрегата, окисления примесей чугуна и лома, присадок вспомогательных материалов.

Для осуществления различных технологических процессов в агрегат загружают железную руду, окалину, агломерат, окатыши, известняк, известь и т.д. При этом образуется расплав оксидов, называемый шлаком.

Его плотность и температура плавления ниже чем у металла, поэтому шлак находится на поверхности стали, покрывая ее.

Таким образом, источниками шлака являются:

- продукты окисления компонентов чугуна и лома (железа, кремния, марганца, фосфора, хрома и др.);

- продукты разрушения огнеупорной футеровки агрегатов;

- твердые окислители, шлакообразующие материалы и флюсы;

- пустая порода и загрязнение используемых материалов.

В течение всей плавки жидкий металл находится в контакте со шлаком. Состав и свойства шлака оказывают основное влияние на ход плавки и качество металла. Поэтому к шлаку предъявляются такие требования:

- в окислительные периоды плавки шлак должен обеспечивать интенсивный перенос кислорода из атмосферы в металл, в другие периоды и после выпуска в ковше – препятствовать этому процессу;

- обладать высокой сорбционной (поглотительной) способностью по отношению к вредным примесям (сере и фосфору) и неметаллическим включениям;

- препятствовать переходу в металл азота и водорода из атмосферы.

Главными компонентами шлака являются оксиды: FeO, CaO, SiO₂, Al₂O₃, MqO. Если в составе шлака преобладают основные оксиды CaO, MqO, MnO, FeO Fe₂O₃, шлак называют основным. Если преобладают оксиды с кислотными свойствами SiO₂ и P₂O₅ , шлак называют кислым. Основные и кислотные свойства характеризуют основностью, используя в качестве ее показателя отношение:

(3.26)

Кислые шлаки содержат до 55…60% SiO₂, 10…15% MnO, 7…8%CaO. Они образуют в агрегатах с кислой футеровкой. Подавляющее количество выплавляют в агрегатах с основной футеровкой. В конечных шлаках этих агрегатов содержится 35…60% СаО +MqO, 10…25% FeO, 5…10% MnO, 15…30% SiO₂. Состав и основность шлаков по ходу плавки меняются: первичные шлаки низкоосновные (В < 1,2…1,5), к концу плавки основность повышается до 2,5…3,5.

Другой важной характеристикой шлака является его окисленность. Ее оценивают по суммарному содержанию FeO или железа, пересчитывая содержание оксидов (% по массе) по формулам:

∑ (FeO) = (FeO) + 1,35 (FeO₃) (3.27)

∑ (Fe) = 0,788 (FeO) + 0,70 (Fe₂O₃) (3.28)

В начале плавки окисленность шлака высокая, ∑ (FeO) достигается 20...25%. По мере усвоения известняка и извести и повышения температуры она понижается и перед раскислением составляет не более 10…15%.

Процесс шлакообразования протекает во времени, его скорость зависит от температуры, интенсивности перемешивания ванны, размеров кусков материалов, последовательности их загрузки и т.д. Т.к. многие процессы зависят от состава и свойств шлака, шлакообразованию придают большое внимание, особенно при выплавке стали скоротечным кислородно-конвертерным процессом.

Расход шлакообразующих материалов определяют расчетом материального баланса плавки, а время и порядок присадок – технологической инструкцией.