3.1. 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, серы, хрома и других элементов (SiO₂, MnO, P₂O₅, FeS, MnS, Cr₂O₃ и др.).

2. Продукты разрушения футеровки агрегата — при разъе­дании основной футеровки (доломита, магнезита) в шлак пе­реходят CaO, MgO, при разъедании кислой (динас) — SiO₂.

3. Загрязнения, внесенные шихтой (песок, глина, миксерный шлак и т.п.), — SiO₂, A1₂O₃, MnS 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.) - CaO, А1₂О₃, SiO₂, FeO, Fe₂O₃, MnO, CaF₂ и т.п.

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, "наводят" новый шлак необходимого состава.

Поскольку из всех перечисленных компонентов наибольшую долю в основных шлаках занимают СаО и SiO₂, отношение этих окислов CaO/SiO₂ характеризует степень основности (или просто "основность") шлаков. Шлаки, в кото­рых отношение (CaO/SiO₂) < 1,5, называют низкоосновными; у шлаков средней основности CaO/SiO₂ = 1,6-2,5; у высоко­основных шлаков (CaO/SiO₂) > 2,5. При переделе фосфорис­тых чугунов шлаки содержат много Р₂О₅. В этом случае для характеристики основности шлака используют величину отно­шения CaO/(SiO₂ + Р₂О₅).

Кислые шлаки состоят главным образом из кислотного окисла SiO₂ и некоторого количества таких основных окис­лов, как FeO и МпО. Составы кислых шлаков характеризуются степенью их кислотности (или просто "кислотностью"), вы­ражаемой обычно отношением SiO₂/(FeO + МnО).

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 %) в шлаке FeO, или содержа­щуюся в нем сумму FeO + Fe₂O₃, или содержание в шлаке же­леза. Существуют и другие способы определения окисленнос­ти шлака.

Помимо химического состава, важнейшей характеристикой шлака является его вязкость, которая обычно значительно выше вязкости стали. При температуре около 1600 °С вяз­кость стали составляет 0,025 Па • с; вязкость относи­тельно жидких шлаков равна 0,02—0,04 Па • с, густых — вы­ше 0,2 Па • с .

Увеличение степени перегрева над температурой плавле­ния повышает жидкотекучесть шлаков. С помощью диаграмм состояния можно определить пути снижения температуры плавления реальных шлаков. Обычно для разжижения основных шлаков используют добавки боксита (основные составляющие А1₂О₃, SiO₂, Fe₂O₃), плавикового шпата (CaF₂) , боя ша­мотного кирпича (SiO₂, Al₂O₃), в некоторых случаях песка (SiO₂); для "сгущения" основных шлаков используют добавки извести (СаО), иногда — магнезита (MgO). Наоборот, добав­ки песка (SiO₂) "сгущают" кислые шлаки, а добавки извести их разжижают.

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.