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 (ГШ1, °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 -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.