Электрометаллургия

Роль шлаков в сталеплавильных и ферросплавных процессах

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.