3.2. Основные реакции сталеплавильного производства. Шлакообразование. Состав и свойства сталеплавильных шлаков и их роль в технологическом процессе.

1. Основные реакции сталеплавильного производства.

Для осуществления окислительных реакций кислород поступает из атмосферы, из железной руды и других окислителей, а также при продувке ванны газообразным кислородом. Окисление углерода происходит по реакции [СО] + 2[О] = {СО}. Примечание: скобки в уравнениях показывают, в какой фазе находятся вещества: квадратные [ ] - в металлической; круглые ( ) - в шлаковой; фигурные { } - в газовой. Образующаяся при окислении углерода газовая фаза (пузырьки СО) перемешивает ванну, создает впечатление кипящей жидкости. При этом выравнивается состав и температура металла, происходит удаление газов и неметаллических включений. Эту реакцию называют основной реакцией сталеплавильного производства.

Окисление и восстановление марганца можно представить следующими реакциями: [Мп] + [О] <-> (MnO): [Mn] + (FeO) <-> (Mo) + [Fe]. С повышением температуры и основности шлака концентрация Мп в металле увеличивается. Так как почти все стали содержат Мп. то его восстановление в процессе плавки - явление положительное.

Окисление и восстановление кремния. Кремний обладает большим сродством к кислороду (больше, чем марганец) и практически полностью окисляется уже в период плавления по реакциям

[Si] + 2[0] = (SiO2);

[Si] + 2(FeO) = (SiO2) + 2[Fe]. Эти реакции сопровождаются выделением очень большого количества тепла. При плавке с основным шлаком SiO2 связывается в прочный силикат

 (СаО)2 * SiO2. что обеспечивает почти полное удаление Si из шихты. При кислом процессе кремний восстанавливается. Восстановить кремний из кислого шлака могут Fe, С, Мп.

Окисление и восстановление фосфора (дефосфорация). Так как фосфор в стали является вредной примесью, то его содержание в сталях ограничено до 0,05%.

Окисление фосфора можно представить следующим

образом:

2[P] + 5(FeO) = (P₂O₅) + 5[Fe];

(P₂O₅) + 3(FeO) = (FeO)₃• P₂O₅;

(FeO)₃•P₂O₅ + 4(CaO) = (CaO)₄•P2O5 + 3(FeO);

2P + 5(FeO) + 4(CaO) = (CaO)₄•P₂O₅ + 5Fe.

Реакция идет с выделением тепла. Таким образом, условия удаления фосфора (дефосфорация) заключается в следующем: - наличием окислительной среды, высокой концентрации FeO в шлаке: - достаточно высокой основности шлака (СаО); - невысокой температуры.

Удаление серы (десулъфурация) из расплавленного металла в Шлак происходит в большинстве случаев в результате образования CaS: [Fe] + [S] + (СаО) = (CaS) + (FeO).

Удалению серы из металла способствуют: - наличие основных шлаков (максимум СаО); - низкая окисленность шлака (минимум FeO); - повышенная температура: - перемешивание металла со шлаком (реакция окисления серы идет на границе металл - шлак).

Раскисление стали - это процесс удаления кислорода, растворенного в стали, путем связывания его в оксиды металлов, имеющих большое сродство к кислороду, чем железо. Раскисленная сталь при охлаждении ведет себя «спокойно», из нее почти не выделяются газы, поэтому такую сталь называют спокойной. Если операцию окисления не проводить, то при ее охлаждении в изложнице будет протекать реакция между растворенном в металле кислородом и углеродом [О] + [С] = {СО}. Образующиеся пузырьки СО будут выделяться из слитка, металл будет бурлить. Такая сталь называется кипящей. Если проводить раскисление таким образом, чтобы удалить из нее не весь кислород, то происходит кратковременное «кипение» металла. Такая сталь называется полу спокойной.

В зависимости от условий ввода раскислителей в металл различают два метода раскисления: глубинное(осаждающее) и диффузионное раскисление. При глубинном раскислении раскислители вводят в глубину металла. В качестве раскислителей обычно применяют марганец (в виде ферромарганца), кремний (в виде ферросилиция), алюминий, сплавы редкоземельных металлов и др. Раскисление протекает по следующим реакциям: [Мп] + [О] = (МпО);

[Si] + 2[О] = (SiO2);

2[А1] + 3[0] = (А12О3);

2[Се] + 3[О] = (Се2О3). Все эти реакции сопровождаются выделением тепла. Продукты раскисления - оксиды Mn. Si. A1. Се - всплывают в шлак. При диффузионном раскислении раскислению подвергают шлак. Раскислители в тонкоизмельченном виде подают на шлак. Сначала происходит раскисление шлака (FeO) + [С] = {СО} + [Fe]; 2(FeO) + [Si] = (SiO2) + 2[Fe], 3(FeO) + 2[A1] = (А12Оз) + 3[Fe].

а затем кислород из металла переходит в Шлак [О]->(О). При диффузионном раскислении не происходит загрязнения металла неметаллическими включениями.

2. Шлакообразование

Роль шлаков в процессе производства стали исключительно велика. Шлаковый режим, определяемый количеством и составами шлака, оказывает большое влияние на качество готовой стали, стойкость футеровки и производительность сталеплавильного агрегата. Шлак образуется в результате окисления составляющих части шихты, из оксидов футеровки печи, флюсов и руды. По свойствам шлакообразующие компоненты можно разделить на кислотные

(SiO₂; P₂O₅; TiO₂; V₂O₅ и др.), основные (CaO; MgO; FeO; MnO и др.) и амфотерные (Al₂O₃; Fe₂O₃; Cr₂O₃; V₂O₃ и др.) оксиды. Важнейшими компонентами шлака, оказывающими основное влияние на его свойства, являются оксиды SiO₂ и CaO.

Шлак выполняет несколько важных функций в процессе выплавки стали:

1. Связывает все оксиды (кроме СО), образующиеся в процессе окисления

примесей чугуна. Удаление таких примесей, как кремний, фосфор и сера,

происходит только после их окисления и обязательного перехода в виде оксидов из металла в шлак. В связи с этим шлак должен быть надлежащим образом подготовлен для усвоения и удержания оксидов примесей;

2. Во многих сталеплавильных процессах служит передатчиком кислорода из печной атмосферы к жидкому металлу;

3. В мартеновских и дуговых сталеплавильных печах через шлак происходит передача тепла металлу;

4. Защищает металл от насыщения газами, содержащимися в атмосфере печи.

Изменяя состав шлака, можно отчищать металл от таких вредных примесей, как фосфор и сера, а также регулировать по ходу плавки содержание в металле марганца, хрома и некоторых других элементов.

Для того, чтобы шлак мог успешно выполнять свои функции, он должен в

различные периоды сталеплавильного процесса иметь определенный химический состав и необходимую текучесть (величина обратная вязкости). Эти условия достигаются использованием в качестве шихтовых материалов плавки расчетных количеств шлакообразующих — известняка, извести, плавикового шпата, боксита и

др.

Параметры шлакового режима — состав, вязкость, количество шлака и скорость его формирования оказывают сильное влияние на результаты плавки. Требования к шлаку. Шлаковый режим должен обеспечить достаточно полное удаление фосфора и серы из металла во время продувки. С этой целью основность шлака должна быть достаточно высокой (от 2,5 до 3,7), а вязкость невелика, так как в густых шлаках замедляются процессы диффузии компонентов, участвующих в реакциях дефосфорации и десульфурации. Скорость формирования шлака. В связи с кратковременностью продувки чрезвычайно важно обеспечить как можно более раннее формирование шлака.

В кислородно-конвертерном процессе с верхней подачей дутья имеются благоприятные условия для шлакообразования (растворения извести):

1) высокая температура в шлаковой зоне ванны (до 2000°С), вызываемая взаимодействием струи кислорода с металлом;

2) интенсивное перемешивание ванны под действием струи кислорода и выделяющегося из ванны СО;

3) возможность изменения содержания оксидов железа в шлаке изменением положения кислородной фурмы относительно поверхности ванны.

Формирование основного шлака сводится к растворению загружаемой в конвертер кусковой извести в жидкой шлаковой фазе— продуктах окисления составляющих чугуна (SiO2, MnO, FeO). Известь тугоплавка (температура плавления СаО составляет 2570 °С), поэтому для ее растворения необходимо взаимодействие СаО с окислами шлаковой фазы с образованием легкоплавких химических соединений.

Для ускорения шлакообразования в конвертер в начале продувки обычно присаживают плавиковый шпат (CaF2), а также обогащают шлак оксидами железа за счет продувки при повышенном положении фурмы, и иногда за счет присадок железной руды, агломерата, окатышей, боксита.

Футеровка — специальная отделка для обеспечения защиты поверхностей от возможных механических или физических повреждений. Например, в горно-металлургической промышленности постоянно возникает проблема защиты оборудования, связанного с перегрузкой и перевозкой различных материалов, от ударных, истирающих и налипающих воздействий, для решения которой с успехом используется футеровка. Футеровка печей производится для того, чтобы усилить огнестойкость материалов, из которых изготовлена печь. 

           3.3 Материалы, используемые при производстве стали: структура и состав металлошихты, источники кислорода, шлакообразующие материалы. Требования к шихтовым материалам и технологии, используемые для подготовки их к плавке.