Электрометаллургия

Шлакообразующие материалы и окислители

 

В основных электропечах для наведения шлака необходимого состава и консистенции применяют известняк, свежеобожженную известь, плавиковый шпат, боксит, шамотный бой; в кислых печах — кварцевый песок, шамотный бой и известь.

Для обеспечения защиты футеровки стен и свода дуговой печи от теплового излучения мощных электрических дуг и более полного и эффективного использования мощности печного трансформатора необходимо обеспечить раннее шлакообразование во время плавления. При этом может уже в период плавления начаться процесс дефосфорации и предотвращение поступления азота и водорода в металл.

Сталеплавильщиками (практиками и учеными) накоплен богатый опыт в обеспечении условий для быстрого шлакообразования. Для успешного получения основного шлака и быстрой ассимиляции частиц извести важно иметь достаточно окисленный (содержащий нужное количество оксидов железа) исходный расплав. Известно, что в начале плавления в результате окисления компонентов шихты (Fe, Si, Mn) образуется так называемый шлак плавления, или первичный шлак очень низкой основности. Этот шлак растворяет оксиды кальция и магния (CaO, MgO), поступающие с известью и из футеровки подины и откосов. В слое жидкого шлака некоторое время (до полной ассимиляции) находятся кусочки извести. Компонентами шлака, ускоряющими его формирование в результате растворения в первичном шлаке извести, являются оксиды железа и кремния, поэтому в начале плавления целесообразно иметь шлаки пониженной основности, достаточно жидкоподвижные, способные быстро растворять твердые частицы извести, магнезита и т.п. Скорость образования шлака необходимой основности в значительной мере зависит от количества и свойств шлака плавления. Достаточно низкая температура плавления шлака, обеспечивающая его быстрое формирование и необходимую жидкоподвижность при наиболее часто используемом значении основности (CaO) / (SiO2 ) = 2, может быть получена при содержании оксидов железа в нем не менее 15 %.

В электросталеплавильных цехах, применявших традиционную классическую технологию плавки, для получения необходимой окисленности шлака использовали главным образом твердые окислители (железную руду, железорудные окатыши, железорудный агломерат, окалину), расход которых доходил до 1,5…2,0 % от массы металла, или бокситы. Такой прием позволял довольно быстро получить необходимую окисленность шлака, но требовал увеличения расхода энергии на плавление и приводил к увеличению длительности периода плавления. Первые отечественные высокомощные и сверхмощные дуговые печи также полностью или частично использовали этот прием.

Ряд специальных приемов применяется для ускорения растворения извести в первичном окисленном шлаке. Еще в середине XX века металлурги установили, что не до конца обожженная известь (содержание СаО < 90 % ) быстрее усваивается первичным железистым расплавом. Сначала такую известь стали использовать в кислородных конверторах, а затем и в дуговых сталеплавильных печах. Большое значение имеет размер кусочков извести, загружаемых в печь, и способ их загрузки.

Известняк и известь

Обычно известняк содержит 52—54% CaO и ≤4% MgO и ≤1% SiO2. Желательно, чтобы содержание серы и фосфора было минимальным. Известняки Еленовского месторождения, снабжающего заводы Украины, содержат 0,01% S и 0,14% P, известняки Тургоякского месторождения на Южном Урале — 0,08% P и 0,05% S.

Известняк в основных электропечах применяют редко. Как правило, используют свежеобожженную известь размером кусков ≥10 мм. Известь получают путем обжига известняка в шахтных или трубчатых вращающихся печах.

 

Состав извести, кроме содержания серы, определяется в основном составом известняка. Сера может поступать из топлива, особенно при использовании кокса в качестве топлива. При обжиге извести в газовых печах содержание серы заметно уменьшается. Обожженная известь имеет следующий химический состав: 88—93% CaO; 2% MgO; 2% SiO2 и 3% (Fe2O3+Al2O3); ≤0,1 % S; 3— 5% CO2. Чем выше содержание CaO и ниже содержание кремнезема в серы, тем выше качество извести, так как при высоком содержании кремнезема возрастает количество шлака в печи.

Большую роль играет температура обжига, так как при 900- 1000° С известь получается пористой, рыхлой и, быстро поглощая влагу из воздуха, рассыпается в порошок («пушонка»); известь, полученная при 1200— 1300° С, более плотная и меньше поглощает влагу. Перевозить известь от обжиговых печей в электросталеплавильный цех следует в контейнерах, а хранить ее разрешается только в закрытых складах или бункерах в течение 2 сут. При продолжительном хранении обожженная известь «гасится» в связи с протеканием реакции CaO+H2O = Ca(OH)2. Влага, внесенная из воздуха в электропечь известью, обогащает металл водородом.

Боксит и плавиковый шпат

Для наведения достаточно жидкоподвижного высокоизвестковистого шлака используют боксит и плавиковый шпат. Для электросталей плавильного производства необходимо применять бокситы, содержащие ≥ 50% Al2O3, с отношением Al2O3 : SiO2≥12. Перед загрузкой в печь боксит необходимо просушить, а иногда и прокалить, так как он содержит до 20—30% влаги. Большой расход боксита, необходимый для разжижения высокоизвесткового шлака, увеличивает общее количество шлака, что затрудняет ведение процесса. Поэтому чаще в электропечах для разжижения шлака используют плавиковый шпат, хотя он реже встречается в природе и его стоимость значительно выше. Основная составляющая плавикового шпата — фтористый кальций (CaF2), содержание которого колеблется от 92% и более в первом сорте до 52% в пятом сорте.

В электросталеплавильном производстве желательно применять плавиковый шпат, содержащий ≥ 85% СаF2, и лишь в исключительных случаях допускается использование шпата, содержащего ≥75% СаF2. Для разжижения шлака иногда применяют бой шамотного кирпича, содержащего 30—35% Al2O3. Кварцевый песок (> 95% SiO2) используют преимущественно в кислых электропечах.

Газообразный кислород

В качестве окислителя в настоящее время широко применяют кислород, расход которого колеблется в пределах 1—40 м3/т стали. Кислород, используемый для продувки ванны, должен быть осушен. Применение неосушенного кислорода приводит к повышению содержания водорода на 1—2 см3 на 100 г. металла и, как следствие, к усилению некоторых пороков в стали, в первую очередь флокеночувствительности.

Твердые окислители

Окислители, используемые в электросталеплавильных печах, должны иметь большую плотность, высокое содержание оксидов железа при низком содержании кремнезема, присутствие которого приводит к образованию большого количества шлака, а также низкое содержание серы и фосфора. Таким требованиям соответствует кусковая мартеновская руда (магнитный железняк) крупностью 40—150 мм, содержащая ~75% Fe2O3, 15% FeO, 6—8% SiO2, 0,05% S и 0,2% P.

В связи с дефицитом высококачественной мартеновской руды в качестве заменителей применяют доменные железные руды с содержанием ~80% Fe2O3 и до 15% SiO2, а также агломерат, окатыши и т. п.