3. 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 имееется 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.

Источники образования шлака

Основные источники образования шлака следующие:

1. Продукты окисления примесей чугуна и лома – крем ния, марганца, фосфора, серы, хрома и других элементов (SiO₂, MnO, P₂O₅, FeS, MnS, Cr₂O₃ и др.).

2. Продукты разрушения футеровки агрегата – при разъе дании основной футеровки (доломита, магнезита) в шлак пе реходят CaO, MgO, при разъедании кислой (динас) – SiO₂.

3. Загрязнения, внесенные шихтой (песок, глина, мик- серный шлак и т.п.), – SiO₂, A1₂O₃, MnS и т.п.

4. Ржавчина, покрывающая заваливаемый в сталеплавиль ные агрегаты лом, – оксиды железа.

217

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.

Строение и составы шлаков

После отбора пробы шлака и проведения соответствующего анализа (состав шлаков устанавливают методами аналитической химии и спектрального анализа) сталевар получает данные (в %) о том, сколько в этой пробе шлака содержится CaO, SiO₂, A1₂O₃, FeO, MnO и других соединений. Приходится, однако, учитывать, что в лаборатории подвергают анализу шлак, уже застывший после отбора пробы из печи. В печи же (в агрегате) шлак находится в расплавленном состоянии. Жидкие расплавленные шлаки в металлургическом агрегате характеризуются наличием между составляющими шлака и ковалентной, и ионной связи. Образование ионов при расплавлении компонентов шлака можно представить следующими реакциями:

FeO -^Fe²⁺ + O²"; CaO -^Са²⁺ + О²";

MnO ^Mn²⁺ + O²~; MgO -^Mg²⁺ + O²~;

(FeO)₂ • SiO₂ –► 2Fe²⁺ + SiOf;

(MnO)₂ • SiO₂ –* 2Mn²⁺ + SiO^;

FeS –*Fe²⁺ + S²-; MnS –^Mn²⁺ + S²";

CaF₂ –*Ca²⁺ + 2F";

(CaO)₃ • P₂O₅ -^ЗСа²⁺ + 2РОГ и т.д.

Таким образом, сталеплавильные шлаки обычно имеют в своем составе такие катионы, как Fe²⁺, Mn²⁺, Ca²⁺, Mg²⁺,

218

Сг²⁺, и такие анионы, как S²~, O²~, SiO*~, AlO^~, PO^~, FeO₂, FeO*", SijO,", CrO₂ и т.п. Кроме того, в шлаке могут быть и сложные комплексы, близкие к составам таких соединений, как (СаО)₄ • SiO₂; (FeO)₂ • SiO₂; (CaO)₄ • • Р₂О₅. Поэтому данные, которые сталевар получает после анализа пробы шлака, далеко не полностью отражают истинную картину того, что находится непосредственно в печи.

Шлаки, в которых преобладают основные окислы (СаО, MgO, MnO, FeO), называют основными шлаками, а шлаки, в которых преобладают кислотные окислы (SiO₂, P₂O₅) – кислыми шлаками (рис. 76). В зависимости от характера шлаков и процессы называют основными или кислыми. Обычно и характер огнеупорных материалов, из которых сделана сталеплавильная ванна, соответствует характеру процесса (характеру шлака). Например, ванну печей, в которых осуществляют кислый мартеновский процесс, изготовляют из кислых огнеупорных материалов. Иначе шлак будет энергично взаимодействовать с огнеупорной футеровкой и разрушать ее (кислотные окислы активно взаимодействуют с основными). В тех случаях, когда в агрегате вообще нет футеровки (например, при электрошлаковом переплаве), состав шлака может быть любым.

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") основных 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).

Рис. 76. Температуры плавления шлаков

219

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 + МпО).

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 0,0025 Па • с; вязкость относительно жидких шлаков равна 0,02–0,04 Па • с, густых – выше 0,2 Па • с (рис. 77).

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.

П о мере ужесточения требований, связанных с охраной природы, использование фторсодержащих реагентов сокращается.

Рис. 77. Зависимость вязкости шлаков (Т)) от температуры:

1. – основные ("короткие") шлаки;

2. – кислые ("длинные") шлаки

220

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.