Основы о шлаках

Производство стали и ферросплавов в плавильных агрегатах сопровождается получением двух жидких несмешивающихся фаз — металлической и неметаллической, называемой шлаком. Шлаки представляют собой многокомпонентные сплавы различных оксидов, образующих между собой ряд химических соединений, а также твердых и жидких растворов. Основными источниками образования шлаков являются:

продукты окисления примесей чугуна, лома и рудной части шихты;
загрязнения материалов (песок, глина, земля, ржавчина);
продукты разрушения огнеупоров;
добавочные материалы и окислители (известняк, известь, боксит, плавиковый шпат, железная и марганцевая руды, агломерат и др.).

Введением соответствующих добавок определенных материалов обеспечивают получение шлаков требуемого состава, необходимого для развития одних реакций и подавления других. Строение и кристаллическую структуру затвердевших шлаков определяют с помощью методов петрографического и рентгеновского анализов, полученные результаты представляют грфически в виде диаграмм состояния.

Состав и физические свойства шлака

Металлургические шлаки имеют определенный химический состав. Физическими характеристиками шлаков являются: температура плавления, плотность, вязкость, энтальпия (теплосодержание), электрическая проводимость, электросопротивление, поверхностное натяжение. Наиболее распространенными (обычными) компонентами металлургических шлаков являются CaO, SiC>2, AI2O3, FeO, MgO. Указанные оксиды, кроме FeO, имеют высокие температуры плавления (Г_Ш1, °С: MgO — 2800; CaO — 2570; AI2O3— 2050; Si0₂ — 1712), превышающие обычные температуры металлургических процессов получения железа и сплавов (1300-1700 °С). Температура плавления металлургических шлаков существенно ниже температуры плавления отдельных компонентов, входящих в их состав. Это свойство, присущее многокомпонентным шлакам, используется при создании новых составов шлаков, для придания им необходимой температуры плавления.

В зависимости от преобладающего содержания в шлаке основных (CaO, MgO, MnO, FeO) или кислых (Si0₂, ТiO₂, V₂0₅, А1₂0з) оксидов их называют соответственно основными или кислыми шлаками. Основность или кислотность шлака выражают отношением суммарного содержания имеющихся в нем основных оксидов к суммарному содержанию кислых, или наоборот. Наиболее часто основность выражают соотношением содержаний компонентов шлака СаО и Si0₂, выраженных в массовых процентах (или молярных долях), CaO/Si0₂ (или Асао/Л^сь)- Для шлаков пониженной, средней и повышенной основности это отношение соответственно равно 1,3—1,5, 1,8-2,2, >2,5. В процессе расплавления металлической шихты в дуговых печах происходит окисление железа, кремния, марганца, фосфора, хрома, ванадия и других элементов. Получающиеся при этом оксиды образуют шлак, в котором растворяются известь, кремнезем и другие добавки, а также магнезит футеровки печи. Состав шлаков постоянно изменяется по мере развития процессов в печи в тот и иной период плавки.

В кислой печи главной составляющей футеровки является твердый кремнезем, поэтому в процессе плавки шлак обогащается Si0₂. Кроме кремнезема, в состав кислых шлаков входят FeO, MnO, А1₂0₃ и СаО. При увеличении в шлаке содержания СаО от 0 до 12% растворимость Si0₂ повышается до 57%. В основной печи огнеупорная футеровка состоит преимущественно из магнезита MgO. При нормальной эксплуатации печи и использовании основных шлаков содержание в них MgO не превышает 18%.

Жидкий металл и шлак обладают разными плотностями р, г/см³: твердое железо 7,86, твердая сталь 6,8-8,2, а жидкая сталь 6,5-7,0. Плотность жидких шлаков зависит от содержания тяжелых оксидов: FeO, Fe₂0₃, MnO и др. и примерно в два раза меньше плотности металла. В целом, плотность шлака зависит от его химического состава, кроме того, она изменяется по мере изменения температуры шлакового расплава. Например, плотность шлака, содержащего, %: Si0₂ 18,2, А1₂0з 13,7, СаО 52,7, MgO 9,1, CaF₂ 6,4, при температуре 1600 °С равна 2,75 г/см³. С повышением температуры от 1400 до 1700 °С плотность основного шлака, содержащего 25% тяжелых оксидов, уменьшается от 3,14 до 2,77 г/см³.

Химический состав и температура шлака существенно влияют на ход металлургических процессов. Скорость протекания реакций в металлическом и шлаковом расплавах зависит от скорости диффузионных процессов, которые в значительной степени определяют вязкость расплавов.

Вязкость — это внутреннее трение, которое возникает между отдельными слоями жидкости, когда эти слои перемещаются с разными скоростями. Единицей вязкости является «пуаз» (1 Пз = 1 Па*с = 1 Нс/м² = 1 г*см^-1*с^-1).

Высокая вязкость шлака является причиной снижения его реакционной способности, так как замедляются диффузионные процессы, а в результате снижается качество металла. Шлаки с высокой вязкостью при производстве ферросплавов удерживают в себе значительное количество металла в виде застывших капель (корольков), что снижает полезный выход металла. Вязкие шлаки плохо удаляются из плавильных печей и, тем самым, снижают стойкость огнеупорной футеровки.

Вязкость жидкости, в том числе и шлаков, зависит от химического состава и температуры, поэтому разной комбинацией оксидов в шлаке можно получить расплав, обладающий минимальной вязкостью и высокой реакционной способностью.

Вязкость углеродистой стали при 1600 °С составляет -0,015, а нормальных металлургических шлаков — 0,2—0,7 Пз. Например, вязкость наиболее часто используемых для обработки металла при выпуске из дуговых печей электропечных (СаО 50—55%, Si0₂ 10—15%, А1₂0₃ 8-10%, MgO 6-12%, CaF₂ 8-10%, FeO 1,0%) и синтетических (CaO 50-55%, А1₂0₃ 43-45%, Si0₂ <3 %) шлаков практически одинакова и при температуре 1550—1600 °С составляет -0,2 Пз. На практике о вязкости шлаков судят по внешним признакам. Шлаки малой вязкости «шлакуют» металлические гребки и ложки (застывают на их поверхности ровным сплошным слоем).

Обратная величина вязкости — текучесть также используется для качественной оценки шлаков. Наиболее простым способом определения текучести является выливание пробы шлака, взятого ложкой из печи, на железный уголок, установленный под наклоном -10°. Чем большей текучестью (меньшей вязкостью) обладает шлак, тем на большую длину он успеет растечься до момента затвердевания. Иногда для этих целей используют вискозиметр, представляющий собой разъемный металлический стакан с сообщающимися приемной воронкой и каналом. Текучесть шлака оценивают по степени заполнения им канала вискозиметра. Ускоренные способы измерения вязкости (текучести) не претендуют на точность и служат только для качественной оценки шлаков.

Важными характеристиками шлаков сталеплавильного и ферросплавного производств являются теплоемкость и теплота плавления или энтальпия. Под энтальпией шлака понимают все тепло, которое необходимо сообщить шлаку, чтобы нагреть его до температуры плавления, расплавить и нагреть до требуемой темпертары. Энтальпию шлаков определяют эксперементально с применением калориметра.

В шлаках, обладающих относительно большим электрическим сопротивлением, длина дуги короче, чем в шлаках с меньшим сопротивлением. Для лучшей передачи тепла дуги металлической ванне выплавку в мощных электропечах осуществляют на пенистых шлаках.

Представляет интерес такое свойство шлаков, как поверхностное натяжение. На любую частицу, находящуюся в жидкости, действуют взаимно уравновешенные силы сцепления. Если частица оказывается на поверхности раздела фаз жидкость-газ, то она испытывает действие сил внутреннего притяжения жидкости и среды, граничащей с жидкостью. Работа, затраченная на образование поверхности раздела между фазами, называется поверхностным или межфазным натяжением о. Эта характеристика используется и при рассмотрении поверхностных явлений в металлургических системах, состоящих из металла и шлака. Поверхностное натяжение жидкого основного и кислого шлаков на границе с газовой фазой составляет соответственно 0,5-0,6 и 0,3-0,4 мДж/см².

Оксиды MnO, Si0₂, Р₂0₅, ТЮ₂, FeO, Cr₂0₃, V₂0₅ являются по отношению к основному шлаку поверхностно-активными веществами, поэтому с увеличением их содержания в основном шлаке величина о уменьшается. Оксиды CaO, MgO, А1₂0₃ не являются поверхностноактивными веществами, поэтому с увеличением их содержания в основном шлаке значение а увеличивается. Межфазное натяжение на границе железо—шлак, состоящем из CaO, А1₂0₃, Si0₂, находится в пределах 1,0—1,1 мДж/см².

Роль шлаков в сталеплавильном и ферросплавном производствах многообразна. Шлак является:

источником питания металлической ванны кислордом при окислительных процессах;
надежной защитой металлического расплава, препятствующей поглощению азота и водорода;
благоприятной средой, обеспечивающей рафинирование металла от вредных примесей (фосфора, кислорода, серы);
средой, обеспечивающей растворение всплывающих из металла неметаллических включений и минимальные потери на испарение железа и легирующих элементов;
элементом сопротивления, выделяющим необходимое тепло для переплава металлических расходуемых электродов в печах электрошлакового переплава.