Основные реакции сталеплавильного производства. Шлакообразование. Состав и свойства сталеплавильных шлаков и их роль в технологическом процессе.

 

В сталеплавильной ванне участвующие в реакциях компоненты находятся в виде раствора в металле (железе) и шлаке. Вещество, переходя в раствор, становясь компонентом раствора, теряет свою индивидуальность. Если принять, что р — давление пара компонента, находящегося в растворе, а р° — давление пара компонента в стандартном со стоянии, то отношение р/р° принято называть активностью данного компонента и обозначать а, т.е. р/р° = а. Активность вещества в стандартном состоянии принимают равной единице.

Для термодинамических расчетов активность представляет собой вспомогательную расчетную величину, которая характеризует степень связанности молекул, атомов или ионов исследуемого компонента. При образовании данным компонентом в растворе каких-либо соединений его активность понижается, и, наоборот, активность возрастает при уменьшении сил взаимодействия между частицами растворителя и растворенного вещества.

Большинство компонентов, встречающихся в металлурги ческой практике, образует в железе растворы, далекие от идеальных. Соотношения между составом и свойствами большинства реальных растворов очень сложны и не всегда ясны. Положение облегчается тем, что обычно мы имеем дело с растворами в железе небольших количеств (часто <1 %) других компонентов. При уменьшении концентрации растворенного вещества свойства реального раствора приближаются к свойствам идеального. Такие растворы принято называть бесконечно разбавленными или разбавленными.

В достаточно сильно разбавленном растворе можно принять активность равной концентрации. При повышении концентрации растворенного компонента приходится вводить вспомогательную       величину (коэффициент активности), которая характеризует степень отклонения свойств рассматриваемого компонента в данном растворе от его свойств в идеальном растворе. Для идеальных растворов коэффициент активности равен 1. К таким растворам близки растворы никеля, кобальта, марганца, хрома в железе.

Для обозначения коэффициентов активности обычно используют буквы f или . Буквой   обозначают коэффициент активности при выражении концентрации выражается в мольных долях. Если массовая концентрация выражается в процентах, то для обозначения чаще используют букву f. В реальных условиях на величину коэффициента активности компонента в растворе влияет взаимодействие растворенных в металле других компонентов. В тех случаях, когда компонент растворен в металле, принято использовать квадратные скобки, например [C], [Mn], [Si] и т.д. В случаях, когда речь идет о концентрации того или иного компонента н шла- ке, используют круглые скобки: (FеО), (МnО), (СаО) и т.д.

       Основные реакции сталеплавильных процессов. Поскольку сталь получают обычно из чугуна и лома в результате окисления и удаления содержащихся в них примесей (кремния, марганца, фосфора и др.), особое значение в сталеплавильной практике имеют реакции окисления. Кислород для протекания этих реакций поступает или из атмосферы, или из железной руды, или из других окислителей, или при продувке ванны газообразным кислородом.

       При контакте с металлом и шлаком окислительной атмосферы, содержащей кислород в виде О₂, СО₂ или Н₂О, образуются высшие оксиды железа, обогащающие шлак кислородом. Дальнейший процесс переноса кислорода из шлака в металл протекает по реакциям (Fе₂O₃) + Fe=3(FеО), а затем (FеО) = [O] + Fе.

       Ниже рассмотрены основные реакции, происходящие при протекании сталеплавильных процессов. При этом для простоты расплавленная сталь будет рассматриваться как однородный раствор тех или иных компонентов в железе независимо от того, какая структура была у металла данного состава в твердом состоянии.

       Окисление углерода. Углерод, растворенный в металле, при температуре, свойственной сталеплавильным процессам, окисляется в основном до СО. При очень низких концентрациях углерода кроме реакции [С] + [O] = СО следует учитывать также реакцию [C] + 2[O] = СО₂. Скорость протекания реакции окисления углерода (реакции обезуглероживания) определяется интенсивностью подвода окислителя и условиями образования и выделения продукта реакции — оксидов углерода. Чтобы пузырек СО мог образоваться в металле, он должен преодолеть давление расположенного над ним столба металла, шлака и атмосферы, а также сил поверхностного натяжения: P_выд.≥P_атм+P_шл+Р_мет+Р_{пов.нат.} (где P_атм, P_шл, Р_мет – давление на пузырёк столба атмосферы, шлака и металла; Р_{пов.нат.}= 2s/r, здесь s - величина поверхностного натяжения на границе металл—пузырек; r - радиус пузырька). Чем глубже ванна, больше слой шлака и выше давление в агрегате, тем тяжелее условия образования и выделения пузырьков СО. И наоборот, снижение давления (например, при помещении металла в вакуумную камеру) приводит к вскипанию металла. Значение Р_{пов.нат.} становится практически ощутимым при малых величинах радиуса, а при величине r > 1 мм им уже можно пренебречь.

       На границе раздела фаз (например, на границе металл—футеровка) вследствие влияния сил поверхностного натяжения и неполного взаимного смачивания сплошность жидкой фазы нарушена (металл не заполняет мелкие поры футеровки) и образующемуся в этом месте пузырьку газа не нужно преодолевать силы поверхностного натяжения. Реакция окисления углерода протекает именно в том месте ванны, где имеются более благоприятные условия для образования пузырьков СО (граница металл—футеровка, металл—поднимающийся газовый пузырек, металл—неметаллическое включение).

       Углерод, растворенный в металле, может быть окислен кислородом:

       а) содержащимся в газовой фазе: [С] + 1/2О_2газ = СО_газ (при протекании этой реакции выделяется значительное количество тепла);

       б) содержащимся в оксидах железа шлака: [С] + (FеО) = Fe + СО_газ (эта реакция идет с поглощением заметного количества тепла);

       в) растворенным в металле: [С] + [О] = СО_газ (при протекании этой реакции выделяется очень небольшое количество тепла).

       Реакция окисления углерода занимает особое место в числе сталеплавильных реакций. Это объясняется не только тем, что почти любой сталеплавильный процесс связан с переделом чугуна в сталь и соответственно с процессом окисления углерода чугуна. Дело в том, что образующаяся при окислении углерода газовая фаза (пузырьки СО) перемешивает ванну, выравнивает состав и температуру металла, оказывает большое влияние на процессы удаления газов и неметаллических включений. Эту реакцию называют часто основной реакцией сталеплавильного производства.

       Окисление и восстановление марганца. Марганец по своим свойствам близок к железу, в железе он растворяется в любых соотношениях. Марганец — элемент, легко окисляющийся, особенно при сравнительно невысоких температурах. При высоких температурах устойчивым является оксид МnО. Основная часть находящегося в шихте марганца поступает с чугуном. Определенное количество марганца может содержаться и в стальном ломе, загружаемом вместе с чугуном в сталеплавильные агрегаты.

       Марганец, растворенный в металле, может быть окислен кислородом:

       а) содержащимся в газовой фазе: [Мn] + 1/2О_2газ = (МnО) (при протекании этой реакции выделяется много тепла);

       б) содержащимся в оксидах железа шлака: [Мn] + (FеО) = (МnО) + FеО (эта реакция также экзотермическая);

       в) растворенным в металле: [Мn] + [O] = (МnO) (эта реакция также протекает с выделением тепла).

       При повышении температуры появляется возможность протекания обратного процесса – восстановления марганца и перехода его из шлака в металл. В качестве восстановителя могут выступать углерод и даже железо.

       Окисление и восстановление кремния. Кремний растворяется в железе в любых соотношениях. Основная масса кремния, содержащегося в шихте, поступает в нее с чугуном. Кремний — элемент легко окисляющийся. Растворенный в металле кремний может быть окислен кислородом:

       а) содержащимся в газовой фазе: [Si] + О_2газ = (SiО₂);

       б) содержащимся в оксидах железа шлака: [Si] + 2(FеО) = (SiО₂) + 2Fе;

       в) растворенным в металле: [Si] + 2[O] = SiО₂.

Все эти реакции сопровождаются выделением очень большого количества тепла. При повышении температуры, так же как и в случае марганца могут создаваться благоприятные условия для восстановления кремния. Однако в процессах, работающих с основными шлаками, переход кремния из шлака в металл не наблюдается. Повышение основности и окисленности шлака благоприятствует процессам окисления кремния и препятствует его восстановлению.

       Окисление и восстановление фосфора. Фосфор растворяется в железе в значительных количествах. Фосфор обычно считают вредной примесью в стали. Располагающиеся в межзёренном пространстве хрупкие прослойки, богатые фосфором, снижают пластические свойства металла, особенно при низких температурах (явление хладноломкости). Поэтому проведению операции по удалению фосфора из стали уделяется большое внимание.

       В шихту сталеплавильных печей фосфор попадает в основном из чугуна, некоторое количество фосфора может попасть в шихту из лома, а также из ферросплавов.

       Растворенный в металле фосфор может окисляться кислородом:

       а) содержащимся в газовой фазе: 4/5[Р] + О_2газ= 2/5(Р₂О₅);

       б) содержащимся в оксидах железа шлака: 4/5[Р] + 2(FеО) = 2/5(Р₂0₅) + 2Fе;

       в)растворенным в металле: 4/5[Р] + 2[0] = 2/5(Р2О5).

Во всех случаях окисление растворенного в металле фосфора сопровождается выделением тепла. В случае окисления фосфора газообразным кислородом выделяется очень большое количество тепла. Поэтому при повышении температуры в ваннах сталеплавильных агрегатов могут создаваться благоприятные условия для восстановления фосфора. При высоких температурах оксиды фосфора непрочны и фосфор может перейти обратно в металл. Для того, чтобы удалить фосфор из металла и удержать его в шлаке, необходимо снижать активность Р₂О₅ в шлаке. Этого достигают при наведении основного шлака с помощью добавок извести (или известняка). Основная составляющая извести — СаО реагирует с Р₂О₅, образуя прочные соединения типа (СаО)₄∙(Р₂О₅) или (СаО)₃∙(Р₂О₅) по реакциям: 2[Р] + 5(FеО) + 4(СаО) = (СаО)₄∙ (P₂O₅) или 2[P] + 5(FеО) + З(СаО) = (СаО)₃∙(P₂O₃). Отсюда, повышение окисленности шлака благоприятствует процессам окисления фосфора и, наоборот, снижение активности оксидов железа в шлаке затрудняет протекание этих процессов.

       Таким образом, при высоких температурах для удаления фосфора из металла необходимо, чтобы шлаки были одновременно и окисленные, и высокоосновные. Уменьшить активность (Р₂О₅) в шлаке и заставить тем самым реакцию удаления фосфора протекать слева направо можно также, прибегая к смене шлака. Шлак, содержащий какое-то количество фосфора, близкое к равновесному с металлом, удаляют из агрегата (скачивают), а вместо него с помощью добавок, не содержащих фосфор, “наводят” новый шлак. После такой операции какое-то количество фосфора из металла опять переходит в “новый” шлак, пока не установится состояние, близкое к равновесию. Операцию скачивания шлака и замены его новым шлаком можно проводить несколько раз до тех пор, пока в металле не останется очень мало фосфора. Такой метод используют при необходимости получить очень низкие концентрации фосфора в металле. Обычно же достаточной оказывается однократная смена шлака, а при работе на чистой по фосфору шихте шлак вообще не скачивают (кроме фосфора и других вредных примесей, в скачиваемом шлаке содержится также определенное количество железа; эти потери железа снижают выход металла).

       Таким образом, можно сформулировать основные условия, соблюдение которых позволяет удалять фосфор из металла (проводить дефосфорацию металла). Эти условия состоят в обеспечении:

       1) окислительной среды, высокой активности оксидов железа в шлаке;

       2) достаточной основности шлака;

       З) наличия шлаков, содержащих мало фосфора, смены (скачивания) шлака;

       4) невысокой температуры.

Если в какой-то момент эти условия не будут соблюдены, может произойти обратное восстановление в металл ранее окислившегося фосфора (рефосфорация).

       Удаление серы (десульфурация металла). Сера обладает неограниченной растворимостью в жидком железе и ограниченной в твердом. При кристаллизации стали по границам зерен выделяются застывающие в последнюю очередь сульфиды железа. Железо и сульфид железа образуют низкоплавкую эвтектику (температура плавления 988 °С), которая при наличии кислорода (образование оксисульфидов) плавится при еще более низких температурах. Межзеренные прослойки (обычно на микрошлифе они выглядят в виде нитей) фазы, богатой серой, при нагревании металла перед прокаткой или ковкой размягчаются, и сталь теряет свои свойства, происходит разрушение металла (красноломкость). Как правило, всегда стремятся получить в стали минимальное содержание серы из-за заметного вредного влияния ее на механические свойства стали (в частности, на величину ударной вязкости), что особенно проявляется в направлении, перпендикулярном оси прокатки или ковки. Повышенное содержание серы приводит часто к появлению так называемых “горячих трещин”, особенно при непрерывной разливке стали. Поэтому в большинстве случаев удаление из металла серы — одна из главных задач сталеплавильщика.

       Активность серы в жидком железе зависит от состава расплава. Такие примеси, как углерод, кремний, повышают активность серы в жидком расплаве. Поэтому, например, при прочих равных условиях обессеривать чугун, содержащий много углерода и кремния легче, чем обычную сталь. Элементы, у которых значения изменения свободной энергии при образовании соединений с серой меньше значения изменения свободной энергии при соединении серы с железом, могут быть элементами-десульфураторами. Такими элементами являются Мn, Мg, Na, Са и др. а также церий (Се) и другие редкоземельные элементы. Все эти элементы используют на практике: натрий в виде соды при внедоменной десульфурации чугуна; магний — в виде чистого Мg или сплавов (лигатур) с другими металлами; кальций — иногда в виде сплавов с другими металлами, а чаще в виде извести (СаО) или известняка (СаСО₃); марганец — в виде сплавов марганца с железом (ферромарганца), а также в виде марганцевой руды. Очень большим сродством к сере обладают редкоземельные металлы. Самым дешевым и распространенным из перечисленных материалов является известь.

       Основным источником серы в шихте является чугун. Кроме того, определенное количество серы может попасть в металл с ломом (особенно со стружкой, не очищенной от смазочных масел), с добавочными материалами, а также из атмосферы печи, если печь отапливают топливом (мазутом, газом), содержащим серу.

       В сталеплавильном агрегате удаление серы из расплавленного металла в шлак происходит в большинстве случаев в результате образования СаS: Fе + [S] + (СаО) = (СаS) + (FеО), при этом сера, растворенная в металле, реагирует с СаО в шлаке. Реакция протекает на поверхности раздела фаз, и увеличение этой поверхности (перемешивание металла со шлаком, вдувание в металл СаО в виде порошкообразной извести и другие способы) ускоряет эту реакцию и способствует более глубокой десульфурации.

       В результате протекания реакций удаления серы из металла общая концентрация серы в шлаке (S) растет, а концентрация серы в металле [S] уменьшается. Отношение L_S=(S) : [S] называют коэффициентом распределения серы между шлаком и металлом. Чем выше значение этого коэффициента, тем лучше происходит процесс удаления серы из металла. При повышении температуры ванны значение коэффициента распределения серы возрастает, так как повышается скорость диффузии серы, шлак становится более жидкоподвижным и активным, ускоряется ход самой реакции.

       Скачивание шлака и наведение нового (чистого по сере) шлака также способствуют переходу новых порций серы из металла в шлак.

       Таким образом, удалению серы из металла (десульфурации металла) способствуют:

       1) наличие основных шлаков с высокой активностью СаО;

       2) низкая окисленность металла (минимум [О]), низкая окисленность шлака (минимум FеО);

       З) низкая концентрация серы в шлаке (скачивание и наведение нового шлака);

       4) перемешивание металла со шлаком и увеличение поверхности контакта;

       5) повышение температуры ванны.

       Кислород в стали. Атмосфера большинства сталеплавильных агрегатов — окислительная. При окислительном характере газовой фазы какое-то количество кислорода всегда переходит из газовой фазы в металл. Источником кислорода могут быть также добавочные материалы, содержащие оксиды железа (например, ржавчина на поверхности заваливаемого в печь металлического лома). Если в шлаке имеется какое-то количество оксидов железа, то в результате перехода кислорода из шлака в металл между суммарным содержанием оксидов железа в шлаке (FеО) и кислородом в металле [O] устанавливается определенное соотношение L_O=(FеО)/[О].

       Растворимость кислорода в железе, находящемся под железистым шлаком, с повышением температуры растет. Но если металл содержит примеси, сродство которых к кислороду выше, чем у железа, то происходит окисление этих примесей и концентрация кислорода в металле уменьшается. Если эти примеси вводят в ванну специально для того, чтобы уменьшить содержание кислорода, то их называют раскислителями. В качестве таких элементов-раскислителей используют марганец, кремний, алюминий, кальций, редкоземельные элементы. Раскислителем является также углерод.

       Кислород, растворенный в металле, реагирует с углеродом, и в результате реакции [O] + [C] = CO_газ происходит кипение металла. При кипении ванны содержание кислорода определяется уже не соотношением L_O, а содержанием углерода (Рис. 3.1). Константа равновесия реакции окисления углерода может быть выражена в виде К_С =Р_СО/[C]∙[O], откуда [O] = Р_СО /К_C∙ [C].

Рис. 3.1. Влияние углерода на содержание кислорода, растворённого в стали: I — равновесная кривая [С]∙[O]=

0,0025; II — область концентраций, фактически наблюдаемых при кипении металла

Если уменьшить давление (например, при помещении ковша с жидким металлом в вакуумную камеру), то равновесие этой реакции сместится вправо, металл, содержащий углерод, вскипит, и содержание кислорода уменьшится. Таким образом, если металл не содержит примесей, то содержание кислорода в нем зависит от окисленности шлака и температуры. Если в металле имеются активные по отношению к кислороду примеси, то окисленность металла зависит от активности этих примесей. Если металл “кипит”, то окисленность металла зависит от содержания углерода.

       Неметаллические включения. Неметаллическими включениями называют содержащиеся в стали соединения металлов (железа, кремния, марганца, алюминия, церия и др.) с неметаллами (серой, кислородом, азотом, фосфором, углеродом). Количество неметаллических включений, их состав, размеры и характер расположения в готовом изделии оказывают существенное, а иногда решающее влияние на свойства стали. Неметаллические включения ухудшают не только механические (прочность, пластичность), но и другие свойства стали (магнитную проницаемость, электропроводность и др.), так как нарушают сплошность металла и образуют полости, в которых концентрируются напряжения в металле.

       Неметаллические включения принято разделять на две группы: 1) включения, образующиеся в процессе реакций металлургического передела (эндогенные включения) и 2) включения, механически попадающие в сталь (экзогенные включения). Эти включения представляют собой частицы загрязнений, бывших в шихте и не удалившихся из металла в процессе плавки, частицы оставшегося в металле шлака, частицы попавшей в металл футеровки.

       Эндогенные включения непрерывно образуются в металле в процессе плавки, разливки и кристаллизации слитка. Большая часть образовавшихся включений успевает всплыть и удалиться в шлак, однако какая-то часть остается, В литой стали включения присутствуют в виде кристаллов и глобулей. После обработки давлением (прокатки, ковки, штамповки) они меняют форму и расположение и видны под микроскопом в виде нитей, строчек, цепочек, ориентированных преимущественно в направлении деформации. Включения в зависимости от химического состава принято делить на сульфиды (FеS, МnS и т.п.), оксиды (FеО, МnО, SiО₂, Аl₂O₃ и т.п.) и нитриды (ТiN, ZrN и т.п.). Кроме того, иногда выделяются также фосфиды и карбиды.

       Очень часто включения представляют собой довольно сложные соединения типа силикатов (nFеО∙mМnО∙рSiO₂), алюмосиликатов (nМnО∙mSiО₂∙рАl₂О₃), шпинелей (FеО∙Аl₂O₃), оксисульфидов и т.д. Эндогенные неметаллические включения образуются в результате взаимодействия растворённых в металле компонентов или уменьшения их растворимости при застывании стали.

       Образующиеся включения имеют плотность меньшую, чем жидкий металл, они стремятся всплыть. Скорость их всплывания зависит от размеров включений, вязкости металла, смачиваемости включений металлом и шлаком, движения (перемешивания) металла и шлака. Размеры обычных включений колеблются в широких пределах (0,0001—1,0 мм). Чем меньше размеры включений, тем выше относительная величина поверхности контакта (см²/см³) включение — металл, тем больше влияние сил смачивания на скорость удаления включений. На скорость всплывания включений большое влияние оказывают процессы их укрупнения –  коагуляции (слипания) и коалесценции (слияния с исчезновением поверхностей раздела), так как скорость всплывания пропорциональна квадрату радиуса частицы. Температура плавления включений сложного состава может быть ниже температуры жидкой стали. Такие включения легко укрупняются.

       Однако, во многих случаях образовавшиеся включения очень мелки, силы смачивания на границе включение—металл заставляют их двигаться вместе с перемешивающимся металлом («витание»); иногда включение, достигшее шлака, если оно им не смачивается, не покидает металла и не переходит в шлак (“отталкивается” шлаком). Задача, таким образом, заключается в такой организации технологии плавки, при которой образовавшиеся включения плохо смачивались бы металлом (и быстро от металла отделялись), а шлаком — хорошо (быстро “поглощались”, ассимилировались шлаком). Наименее благоприятные условия для удаления включений из металла создаются тогда, когда эти включения образуются в процессе кристаллизации стали: по мере снижения температуры повышается вязкость металла, рост кристаллов застывающей стали препятствует подъему включений. В результате часть таких включений неизбежно остается в металле. Задача металлурга заключается в том, чтобы обеспечить такую форму и расположение включений в готовом изделии, которые бы не ухудшали качества металла.

       Сталеплавильные шлаки. Выллавка стали обычно сопровождается процессами окисления железа и его примесей, а также процессами разъедания футеровки сталеплавильных агрегатов. В шихте, загружаемой в сталеплавильные агрегаты, всегда имеется большее или меньшее количество загрязнений. Кроме того, при ведении плавки в ванну обычно добавляют различные флюсы и добавочные материалы. В результате образуется неметаллическая фаза, называемая шлаком.

       Основные источники образования шлака следующие:

       1. Продукты окисления примесей чугуна и лома — кремния, марганца, фосфора, хрома и других элементов (SiO₂, МnO, Р₂O₅, FеO, Сr₂O₃ и др.).

       2. Продукты разрушения футеровки агрегата — при разъедании основной футеровки (доломита, магнезита) в шлак переходят СаО, MgО, при разъедании кислой (динас) — SiО₂.

       3. Загрязнения, внесенные шихтой (песок, глина, миксерный шлак и т.п.), — SiО₂, Аl₂O₃, МnS и т.п.

       4. Ржавчина, покрывающая заваливаемый в сталеплавильные агрегаты лом, — оксиды железа.

       5. Добавочные материалы и окислители (известняк, известь, боксит, плавиковый шпат, железная и марганцевая руды и т.п.) — СаО, Аl₂O₃, Si0₂, FеО, Fе₂O₃, МnО и др.

       В каждом конкретном случае степень влияния перечисленных загрязнений на состав шлаков различна. Вводя после соответствующего расчета то или иное количество определенных добавок, добиваются получения шлака нужного состава. При необходимости проводят операции обновления (скачивания) шлака, когда определенное количество шлака (иногда почти 100 %) удаляют из агрегата, а затем вводя нужное количество тех или иных добавок, и наводят новый шлак необходимого состава.

       Строение и состав шлака. В сталеплавильном агрегате шлак находится в расплавленном состоянии. Жидкие шлаки характеризуются наличием между составляющими шлака и ковалентной, и ионной связи. Образование ионов при расплавлении компонентов шлака можно представить следующими реакциями:

Таким образом, сталеплавильные шлаки обычно имеют в своем составе такие катионы, как Fе²⁺; Мn²⁺; Са²⁺; Мg²⁺, и такие анионы, как O^2-; SiO₄^4-; S^2-; F^-; PO₄^3- и т.п. Кроме того, в шлаке могут быть и сложные комплексы, близкие к составам таких соединений, как (СаО)₄∙Si0₂; (FеО)₂∙Si0₂; (СаО)₄∙Р₂O₅.

       Шлаки, в которых преобладают основные оксиды (СаО, МgO, МnО, FеО), называют основными шлаками, а шлаки, в которых преобладают кислотные оксиды (SiО₂, Р₂O₅) — кислыми шлаками (Рис. 3.2). В зависимости от характера шлаков и процессы называют основными или кислыми. Обычно и характер огнеупорных материалов, из которых сделана сталеплавильная ванна, соответствует характеру процесса (характеру шлака). Например, ванну печей, в которых осуществляют кислый мартеновский процесс, изготовляют из кислых огнеупорных материалов. Иначе шлак будет энергично взаимодействовать с огнеупорной футеровкой и разрушать ее (кислотные оксиды активно взаимодействуют с основными). В тех случаях, когда в агрегате вообще нет футеровки (например, при электрошлаковом переплаве), состав шлака может быть любым.

       Поскольку из всех перечисленных компонентов наибольшую долю в основных шлаках занимают СаО и SiО₂, отношение этих оксидов В= СаО/SiO₂ характеризует степень основности (или просто “основность”) основных шлаков. Шлаки, в которых отношение B < 1,5, называют низкоосновными; у шлаков средней основности B = 1,6 - 2,5; у высокоосновных шлаков B > 2,5.

Рис. 3.2. Температуры плавления шлака

 

       Кроме основности шлака, другой важной его характеристикой является величина, называемая окисленностью шлака. Эта величина характеризует способность шлака окислять металл и его примеси. В качестве меры окисленности обычно принимают или содержание (%) в шлаке FеО, или содержащуюся в нем сумму (FеО + Fе₂O₃), или содержание в шлаке железа.

       Помимо химического состава, важнейшей характеристикой шлака является его вязкость, которая обычно значительно выше вязкости стали. При температуре около 1600 ^оС вязкость стали составляет 0,0025 Па∙ с; вязкость относительно жидких шлаков равна 0,02—0,04 Па∙с, густых — выше 0,2 Па∙с (Рис. 3.3).

       Увеличение степени перегрева над температурой плавления повышает жидкотекучесть шлаков. Обычно для разжижения основных шлаков используют добавки боксита (основные составляющие Аl₂O₃, SiО₂, Fе₂O₃), плавикового шпата (СаF₂), боя шамотного кирпича (SiO₂, Аl₂O₃), в некоторых случаях песка (SiО₂); для загущения основных шлаков используют добавки извести (СаО), иногда — магнезита (МnO).

 

Рис. 3.3. Зависимость вязкости шлаков от температуры

1 - основные (короткие) шлаки; 2 — кислые (длинные) шлаки

       Роль шлака в сталеплавильном производстве чрезвычайно велика. Удаление, например, из металла таких вредных примесей, как сера и фосфор, заключается в переводе этих элементов в шлак и создании условий, препятствующих их обратному переходу из шлака в металл. Изменяя состав шлака, его количество и температуру, можно добиться увеличения или уменьшения содержания в металле марганца, кремния, хрома и других элементов. Поэтому во многих случаях задача сталеплавильщика заключается в получении шлака необходимой консистенции и химического состава.

Материалы, используемые при производстве стали: структура и состав металлошихты, источники кислорода, шлакообразующие материалы. Требования к шихтовым материалам и технологии, используемые для подготовки их к плавке.

                                            

       Материалы, используемые для выплавки стали, принято делить на металлосодержащие (металлошихта, металлодобавки), добавочные (флюсы) и окислители.

       В качестве металлошихты используют:

       а) чугун (жидкий или твердый);

       б) стальной (а в некоторых случаях и чугунный) лом;

       в) продукты прямого восстановления железа из железной руды;

       г) ферросплавы.

       Основную часть металлошихты составляют чугун и стальной лом. В ряде стран в качестве металлошихты используется также продукт прямого восстановления железной руды — металлизованные окатыши (93—98 % Fе). Cтальной лом является самой дешевой частью металлошихты.

       Обычно в мартеновском процессе в шихте содержится примерно 50—60 % чугуна (остальное - лом), в конвертерном процессе 70—90 % шихты — жидкий чугун, остальное — лом, в электросталеплавильном доля чугуна в шихте редко превышает 5—25 %.

       В тех случаях, когда в состав завода наряду со сталеплавильными цехами входит и доменный цех, чугун для производства стали поступает в цех в жидком виде. Использование в качестве шихты жидкого чугуна позволяет получать заметную экономию топлива и сокращать продолжительность плавки.

       Если в составе завода нет доменного цеха, то в качестве шихты в сталеплавильных агрегатах используют твердый чугун, который поступает на завод в чушках. В отдельных случаях для ускорения плавки и повышения производительности сталеплавильных агрегатов чушковый чугун предварительно расплавляют в вагранках или других плавильных агрегатах.

       Состав чугунов, перерабатываемых на разных заводах, изменяется в широких пределах: 4,0—4,8 % С; 0,1—2,6 % Мn; 0,3—2,0 % Si; 0,02—0,07 % S; <0,3 % Р. Однако опыт показал, что для обеспечения высоких технико-экономических показателей процесса содержание составляющих чугуна целесообразно ограничивать в определенных узких пределах.

       При излишке высоком содержании кремния возрастает расход извести для ошлакования образующейся SiO₂ и увеличивается количество шлака в конвертере, что ведет к росту потерь железа и теплопотерь со сливаемым шлаком, понижается также стойкость футеровки конвертера. Вместе с тем при очень низком (<0,3 %) содержании кремния замедляется шлакообразование в связи с медленным растворением извести из-за слишком низкого содержания SiO₂ в первичных шлаках. Положительной стороной повышенного содержания кремния является то, что возрастает количество тепла от его окисления; это позволяет увеличить расход лома. Большинство отечественных заводов работают на чугунах с содержанием кремния 0,6—0,9 %, что, очевидно, близко к оптимальной величине.

       Оптимальной величиной содержания марганца в чугуне в течение многих лет считали 0,7—1,1 %. Стремление конвертерщиков применять чугуны со столь высоким содержанием марганца вызвано тем, что при более низком его содержании существенно замедляется шлакообразование, поскольку в первичных шлаках будет содержаться мало оксида МnО, ускоряющего растворение извести. Однако большая часть марганца при конвертерной плавке окисляется и безвозвратно теряется со шлаком. С учетом этого, а также того, что выплавка чугуна с повышенным содержанием марганца требует добавки в шихту доменных печей дефицитной марганцевой руды, в последние годы выплавляют маломарганцовистые чугуны (0,5—0,1 % Мn). При их переработке в кислородных конвертерах применяют ряд мер по ускорению шлакообразования.

       Содержание фосфора в чугуне не должно превышать 0,2— 0,3 %, поскольку при большем его содержании необходим промежуточный слив шлака во время продувки и наведение нового, что снижает производительность конвертера.

       Содержание серы в чугунах, предназначенных для выплавки качественных сталей, не должно превышать 0,035%, а рядовых сталей — 0,05%. Такое ограничение объясняется тем, что из-за высокого содержания оксидов железа в конвертерных шлаках удаление в них серы происходит слабо; степень десульфурации не превышает 30%. На многих заводах организована внедоменная десульфурация чугуна.

       Температура жидкого чугуна обычно составляет 1300— 1450 °С. Применять чугун с более низкой температурой нежелательно, так как это ведет к холодному началу продувки и замедлению шлакообразования.

       Доставка чугуна в сталеплавильные цехи. Жидкий чугун к сталеплавильным агрегатам подают двумя способами — с использованием стационарных миксеров и в миксерных ковшах (передвижных миксерах). При первом способе чугун из доменного цеха в 100- или 140-т ковшах по железнодорожным путям доставляют в миксерное отделение, в котором установлено один—три стационарных миксера (см. Рис. 3.4). Чугун переливают из ковшей в миксер, где хранится его запас, и по мере надобности порциями чугун сливают в заливочный ковш, который транспортируют к конвертерам.

       Миксер (Рис. 3.4) представляет собой сосуд бочкообразной формы с кожухом из стального листа, футерованный изнутри. В верхней части миiссера расположен люк для заливки чугуна; в боковой части имеется носок для слива чугуна.  

 

Рис. 3.4. Стационарный миксер: 1 – кожух; 2 — футеровка; 3 — заливочный люк; 4 — опорные бандажи; 5— сливной носок; 6 — опорные ролики; 7 — реечный механизм поворота; 8 — горелки; 9— жидкий чугун

 

Роль миксера состоит не только в хранении запаса чугуна. В миксере происходит выравнивание химического состава и температуры чугуна различных выпусков. Вместимость типовых миксеров составляет 600, 1300 и 2500 т.

       При втором способе доставки чугун из доменной печи выпускают в миксерный ковш (см. Рис. 3.5), затем ковш транспортируют в переливное отделение конвертерного цеха. Здесь по мере надобности порцию чугуна из миксерного ковша сливают через горловину в заливочный ковш, который транспортируют к конвертеру и далее заливают из него чугун в конвертер. Вместимость миксерных ковшей составляет 100—600 т. Отечественный 420-т миксерный ковш имеет длину 31,9 м и наружный диаметр 3,63 м, 600-т ковш — соответственно 39,6 и 3,3 м.

 

Рис. 3.5. Миксерный ковш

 

 

Преимущества применения миксерных ковшей: примерно на 50 °С повышается температура заливаемого в конвертер чугуна, что позволяет увеличить расход лома; уменьшается число переливов чугуна и его потерь при этом; не требуется сооружения миксерных отделений и стационарных миксеров. Недостатком является отсутствие усреднения состава и температуры чугуна разных выпусков из доменной печи.<