Физические свойства шлаков определяют поведение шлаков в процессе плавки

Основность шлака

Существует множество показателей характеризующих основность шлака, но любая из них прежде всего должна позво­лять оценить фосфоро- и серопоглотительную способность шлака.

При переделе малофосфористых чугунов за показатель основности шлака принимают отношение: В= (CaO)/(SiO₂), при переделе высокофосфористых чугунов - В = (CaO)/(SiO₂ + P₂О₅).

Шлаки, в которых отношение (CaO/SiO₂) < 1,6 называют низкоосновными; у шлаков средней основ­ности CaO/SiO₂ == 1,6—2,5; у высокоосновных шлаков (CaO/SiO₂) > 2,5.

Кислые шлаки состоят главным образом из кислотного окисла SiО₂ и некоторого количества таких основных окислов, как FeO и MnO. Составы кислых шлаков характеризуются степенью их кис­лотности (или просто «кислотностью»), выражаемой обычно отноше­нием SiО₂/(FeO + MnO).

2. Окисленность шлака - это способность его оказывать окислительное воздействие на метал­лическую фазу, передавая кислород в эту фазу.

В общем случае окислительная способ­ность шлака находится в сложной зависимости от содержания в нем оксидов железа (FeO), его основности (В), концентрации уг­лерода в металле ([С]) и температуры ванны. Окислительная способность шлака возрастает по мере повышения содержания оксидов железа в нем, концентрации угле­рода в металле и температуры и снижения основности шлака до 1,7-1,8.

В качестве меры окисленности шлака в производственных условиях обычно принимают или содер­жание (в %) в шлаке FeO, или содержащуюся в нем сумму FeO + Fе₂О₃, или содержание в шлаке железа.

1. Температура плавления шлаков

I – основной процесс; II – кислый процесс   Рисунок 1 – Зависимость температуры плавления мартеновских шлаков от содержания в них SiO2

Температура плавления шлаков (шлаки имеют многокомпонентный состав и плавятся в интервале температур, т.е. имеют начало и конец плавления. Здесь и в дальней­шем имеется в виду температура конца плавления шлаков) является их основной физичес­кой характеристикой, определяющей другие важные физико-химичес­кие свойства. Это связано с тем, что в любом сталеплавильном аг­регате в каждый период плавки температура металла и шлака изме­няется в узких пределах, поэтому перегрев шлаков выше температу­ры плавления в основном определяется температурой плавления. Степень перегрева шлака определяет поведение шлака, его физи­ческие свойства (вязкость, электрическую проводимость) и химичес­кую активность (рафинирующее действие на металл, поглощение газов из газовой фазы и т.д.). На температуру плавления шлака может влиять любой его компонент. Однако, как показывают исследования, для обычных окислительных шлаков первостепенное значение имеет изменение содержания SiO₂ (см. рисунок 1).

Наиболее легкоплавкие шлаки (tпл = 1200-1300°С) содержат 30-40% SiO₂. Как снижение, так и увеличение содержания SiO₂ в шлаке выше указанных пределов приводит к повышению температуры плав­ления.

Содержание SiO₂ равное 30-40%, обычно наблюдается в начале плавки как в основных, так и в кислых процессах. По ходу плавки в основных процессах содержание SiO₂ снижается, а в кислых процессах повышается, поэтому температура плавления шлаков по ходу плавки обычно повышается.

Обычно для разжижения основных шлаков используют добавки боксита (основные составляющие Al₂O₃, SiO₂, Fе₂О₃), пла­викового шпата (CaF₂), боя шамотного кирпича (SiO₂, Al₂O₃), в не­которых случаях песка (SiO₂).

.

2. Вязкость шлаков

Вязкость шлака является важнейшим из свойств. Повышенная вязкость шлака затрудняет тепло- и массоперенос в шлаке, вызывает замедление всех процессов на­грева и рафинирования металла, приводит к излишнему угару раскисляющих и легирующих присадок, уменьшает выход годной стали. Вязкость шлака зависит от его температуры и состава.

Зависимость вязкости шлаков пе­риода плавления в основной марте­новской печи от температуры приве­дена на рисунке 2, из которого видно, что в области умеренно низких тем­ператур начала плавки (вблизи тем­пературы плавления) вязкость шла­ков высока и возрастает при увели­чении их основности. Значения вязкости нормальных шлаков по ходу плавки обычно находятся в пределах 0,1-0,3.

Рисунок 2 – Зависимость вязкости шлака (Па∙с) от температуры и основности (цифры на кривых)

Компонентами шлака, резко повышающими его вязкость, прежде всего являются МgО (> 10-12%) и Сг₂О₃ (>5-6%); эти компоненты при содержаниях выше указанных пределов обогащают шлак мелкодисперсными частицами.

Вязкость основных шлаков существенно снижается при введе­нии 2-5% CaF₂ 5-7% Al₂O₃, 5-7% Na₂O или К₂О.

3. Вспенивание шлака

Вспенивание шлака вызывают мелкие пузыри СО, образующи­еся в результате окисления углерода металла и остающиеся в шлаке ввиду того, что архимедова (подъемная) сила из-за боль­шой удельной поверхности оказывается недостаточной для преодо­ления сопротивления (силы трения) шлакового расплава.

Некоторое, не чрезмерное вспенивание шлака в кислородных конвертерах с верхней подачей дутья играет положительную роль - повышается и стабилизируется усвоение кислорода ванной, создаются препятствия выпуску из конвертера капель металла и поглощению азота из подсасываемого через горловину воздуха. Чрезмерное вспенивание приводит к выбросам значительных объемов шлака из любого агрегата, что недопустимо. В мартеновских печах даже умеренное вспенивание, не приводящее к выбросам шлака, нежелательно, поскольку пени­стый шлак, обладая низкой теплопроводностью, ухудшает тепло­передачу от факела к металлу, что вызывает удлинение плавки и повышение износа футеровки, особенно свода печи, поскольку значительная часть неусвоенного металлом тепла поглощается футеровкой, а это приводит к ее перегреву.

Причиной чрезмерного вспенивания шлака могут быть повышен­ное содержание в шлаке SiO₂ и Р₂О₅ образующие поверхностно-активные анионы SiO₄^4- и РО₄^3-, которые повышают устойчивость пены. Аналогичное действие оказывает наличие в шлаке очень мелких твердых частиц, которые повышают механическую прочность шлаковых пленок (служат "каркасом").

Для снижения склонности шлака к чрезмерному вспениванию из-за наличия в нем очень мелких твердых частиц необходимо повышение температуры, которое обеспечивает растворение твер­дых частиц в шлаке. Если же чрезмерное вспенивание вызывается повышенным содержанием в шлаке SiO₂ и Р₂О₅, то необходимо повысить основность шлака присадкой в ванну извести, еще лучше присадка CaF₂, и оксидов щелочных металлов.