Многообразие назначений сталеплавильных и ферросплавных шлаков используют при осуществлении конкретных технологических операций. Так, с помощью кислых шлаков, насыщенных кремнеземом из футеровки печи, окисляют такие компоненты шихты, как углерод, марганец и кремний. В силу своих природных свойств высококремнистые шлаки не обладают способностью удалять из металла серу и фосфор.
Поэтому содержание фосфора и серы в кислой стали определяется только качеством переплавляемой шихты. Шлак основного процесса в дуговых печах обогащен СаО и MgO. Во время расплавления шихты и в окислительный период под основным содержанием FeO шлаков удаляются фосфор, некоторое количество серы и частично азот и водород. Основные шлаки могут быть также и восстановительными по отношению к большинству легирующих элементов. Поэтому под основными шлаками выплавляют высоколерованные сплавы, при этом снижают содержание серы в металле до уровня, не достижимого ни при каком ином сталеплавильном процессе.
Основные шлаки дуговых печей позволяют использовать менее качественные шихтовые материалы и получать при этом широкий ассортимент легированных сталей и сплавов требуемого качества. При производстве ферросплавов температурой плавления шлака предопределяют температуру металла и многие особенности плавки. В качестве примера приведем получение углеродистого феррохрома.
Тепло, выделяющееся на концах электродов, расходуется на нагрев шихтовых материалов и на повышение температуры шлака. Чем выше температура шлака, тем скорее расплавляются шихтовые материалы. Перегрев шлака выше температуры его плавления обычно составляет 100-150 °С и зависит от теплопроводности шлака. Образующийся ферросплав получает тепло в основном за счет теплопередачи от шлака, поэтому его температура ниже температуры шлака и поэтому для выплавки металла, температура плавления которого равна 1500 °С, не применяют шлаки с температурой плавления ниже 1500 °С. Применение более легкоплавких, чем металл, шлаков приводит к расплавлению всей находящейся в печи шихты и нарушению непрерывности процесса получения феррохрома.
Физико-химические свойства шлаков, по сути, определяют структуру и особенности технологических процессов выплавки стали и производства ферросплавов в электрических печах.
В дуговых печах, особенно в крупных печах с глубокой ванной, скорости процессов раскисления и десульфурации весьма малы и пропорциональны удельной поверхности взаимодействия металла и шлака, приходящейся на единицу объема металла.
Наиболее простым способом существенного увеличения поверхности взаимодействия металла и безжелезистого основного шлака является их совместный выпуск через тщательно разделанное сливное отверстие из печи в ковш с достаточной высоты. Интенсивное перемешивание реагирующих фаз способствует эмульгированию (дроблению) шлака в металле на мелкие капли. При этом удельная поверхность взаимодействия зависит от степени дисперсности капель шлака. Если принять, что капли шлаковой эмульсии имеют при малых их размерах форму шара, то удельная поверхность взаимодействия металла и шлака
Fуд = F/V= 4 *π *R2/4/3*π*R3 = 3/R,
где F — поверхность шлака; V- объем металла; R — радиус шара.
С уменьшением радиуса шара в n раз поверхность увеличивается также в n раз, т. е. Fуд — 3n/R. Установлено, что максимальное влияние на степень эмульгирования шлака в металле при выпуске из печи оказывают:
- • межфазное натяжение на границе металл—шлак;
- • высота падения струи металла в ковш;
- • размеры выпускного отверстия;
- • жидкотекучесть шлака.
Рациональное сочетание перечисленных параметров позволяет организовать обработку металла при выпуске из дуговой печи как собственным восстановительным шлаком, так и синтетическим шлаком, приготовляемым отдельно в дуговой шлакоплавильной печи.
