Доменное пр-во
Электрометаллургия
Конвертерное пр-во
Разливка стали
Популярные материалы

Состав шлаков и диаграммы шлаковых систем

Шлак представляет собой расплав окислов с некоторым количеством сульфидов, а в ряде случаев фторидов и является побочным продуктом плавки. Однако он играет очень важную роль в протекании процессов в дуговых сталеплавильных печах и оказывает существенное влияние на качество стали.

В зависимости от состава шлак может быть окислительным или восстановительным по отношению к металлу и растворенным в нем примесям. Меняя состав шлака и соответственно химическую активность находящейся в нем закиси железа, можно регулировать окислительно-восстановительные процессы в ванне дуговой печи.

В шлак могут переходить из металла вредные для стали примеси — сера и фосфор. Шлак защищает металл от насыщения азотом из печной атмосферы и поглощает из стали неметаллические включения. Шлак ограничивает интенсивность нагрева металла и уменьшает локальный перегрев его в области электрических дуг.

В состав сталеплавильных шлаков входят окислы с различными химическим свойствами: основные — CaO, MgO, MnO, FeO и кислотные — SiO2, Р2O5, Al2O3, Fe2O3, Cr2O3. Указанные выше свойства у разных составляющих шлака существенно отличаются, в связи с чем, например, последние два окисла часто относят к амфотерным, так как в шлаковом расплаве в зависимости от условий они могут проявлять основные или кислотные свойства. Наиболее ярко выраженными основными свойствами в сталеплавильных шлаках обладает СаО, а кислотными свойствами — SiO2 и Р2O5.

В зависимости от состава шлака и соответственно его физико-химических свойств различают два главных типа сталеплавильных шлаков: 1) кислые, в которых преобладает кремнезем (48—65%); 2) основные, в которых преобладают основные окислы и отношение концентраций % СаО/% SiO2 больше 1,5—1,6.

В процессе плавки шлак образуется в результате действия следующих факторов: 1) окисления компонентов шихты (FeO, Si02, MnO, Cr203); 2) специальных добавок железной руды (Fe2O3, SiO2 и др.), восстановителя (С), шлакообразующих — извести (СаО), плавикового шпата (CaF2), шамота (SiO2, Аl2O3 и др.), песка (SiO2); 3) ошлакования огнеупорной футеровки печи (MgO, Аl2O3, SiO2).

При кислом процессе формирование шлака происходит при активном взаимодействии образующихся при окислении расплава окислов железа, кремния и марганца с кремнеземом кварцитовой футеровки дуговой печи, а также с добавками песка, применяемого в качестве шлакообразующего материала. В результате такого взаимодействия получается шлак, насыщенный кремнеземом.

Преобладающую часть кислых шлаков составляют три компонента — SiO2 + FeO + MnO, содержание которых в сумме составляет 85—95%, причем содержание кремнезема колеблется обычно в пределах 50—60%.

Следовательно, кислый шлак представляет собой по существу железисто-марганцевый силикатный расплав с высоким содержанием кремнезема.

Минералогический состав твердых шлаков кислого процесса хорошо изучен. Значительную часть их составляет SiO2 в виде кварца и тридимита. Кроме того, в шлаке имеются кристаллы родонита (MnO-SiO2), тефроита (2Mn0-Si02), фаялита (2FeO-SiO2) и кнебелита (FeO-MnO-SiO2).
При обычных для сталеплавильных процессов температурах (1500— 1650° С) предел растворимости Si02 в железисто-марганцевом расплаве составляет 48—50%. Следовательно, кислые шлаки обычно насыщены кремнеземом и часть кремнезема может находиться в шлаке в виде мелких кристалликов, взвешенных в расплаве.

Растворимость кремнезема в кислых шлаках повышается до 57% при введении в него 12% СаО. В условиях плавки содержание СаО составляет обычно 1—8%.

При плавке в основной дуговой печи шлак формируется при взаимодействии образовавшегося при окислении металла расплава окислов FeO, SiO2 и МnО с известью и другими шлакообразующими.

По ходу плавки состав и физико-химические свойства шлака существенно меняются: повышается концентрация главного основного окисла СаО в шлаке и обычно понижается содержание закиси железа.

В затвердевших основных шлаках сталеплавильных процессов обнаружены минералы, которые можно объединить в следующие группы: силикаты: 2CaO-SiO2 — ортосиликат кальция; CaO-SiO2— волластонит; 2MgO-SiO2 — форстерит; СаО • MgO-SiO2 — монти-челлит; 2MgO-FeO-SiO2 — оливин и др.; шпинели: MgO-Al2O3 — шпинель; Fe3O4 — магнетит; 2СаО • Fe2O3 — феррит кальция; FeO • Сr2O3 — хромит; (Mg,Fe)О • (Al,Cr)2O3 — хромистая шпинель (пикотит); свободные окислы: СаО, FeO, MnO, MgO; фосфаты: ЗСаO-Р2O5; 4СаО-P2O6; 3FeO.P2O5; сульфиды: CaS, MnS. О возможности сохранения в жидком основном шлаке группировок, аналогичных указанным соединениям, можно в некоторой мере судить по диаграммам состояния.

Диаграмма состояния кислых шлаковых систем
Рисунок 1. Диаграмма состояния кислых шлаковых систем (буквой "Ж" обозначена жидкость)
а - SiO2-FeO, б - MnO-SiO2, в - FeSiO4-Mn2SiO4, г - FeO-SiO2-MnO


В системе СаО—SiO2 линия ликвидуса имеет два явных максимума, соответствующих соединениям метасиликата кальция (CaO-SiO2) и ортосиликата (2CaO-SiO2). Следовательно, оба эти соединения плавятся конгруэнтно (конгруэнтный — совпадающий, т. е. остающийся неизменным при плавлении; инконгруэнтный — распадающийся при плавлении и устойчивый в жидком шлаке). Можно полагать, что в основном шлаке преобладает ортосиликат кальция не только вследствие повышенного содержания окиси кальция, но и ввиду более острого максимума на диаграмме состояния и более высокой температуры плавления 2CaO-SiO2 (2130° С) по сравнению с температурой плавления CaO-SiO2 (1544° С).

В системе СаО—Al2O3 имеются два соединения, плавящихся конгруэнтно — 5СаO-3Al2O3 и СаO-Al2O3. Следовательно, оба эти соединения в виде квазимолекул могут быть в жидком шлаке при небольшом перегреве по отношению к температуре плавления.

При изучении диаграмм состояния, имеющих наиболее важное значение для основного сталеплавильного процесса, видно, что в основных шлаках СаО повышает, a FeO, SiO2 и Al2O3 понижают температуру плавления. Поэтому для понижения температуры плавления шлака и повышения его жидкотекучести в ванну присаживают бой шамота (50—60% SiO2; 30—45% Al2O3), а при интенсификации процессов окисления присадками железной руды происходит разжижение шлака и быстрое растворение извести (ускоряемое и интенсивным перемешиванием при активном окислении углерода).

На диаграммах состояния видно, что даже в тройных сплавах СаО—SiO2—FeO и СаО—Al2O3—SiO2 имеются большие области с температурой плавления до 1600° С. Эти шлаки, границы которых показаны линиями А Б, В Г, используются при основных сталеплавильных процессах. Однако реальные шлаки многокомпонентны и температура их плавления еще ниже, чем это следует из диаграмм тройных систем.

Таблица 1. Химический состав основных шлаков полученых в дуговых печах

Химический состав основных шлаков полученых в дуговых печах

Наиболее сильно понижают температуру плавления и повышают жидкотекучесть присадки плавикового шпата. Он состоит преимущественно из CaF2 (90—95%), входящего в значительных количествах в состав флюсов, применяемых для образования шлака при электрошлаковом переплаве.

Подбирая состав шлака, можно получать необходимые для протекания сталеплавильного процесса физико-химические свойства, в частности достаточно низкую температуру плавления.

Источник [4] → список литературы.


Вернуться в начало раздела: Физико-химические основы плавки стали
Вернуться на главную: Черная металлургия