Контрольная работа по "Теория металлургических процессов"

Закономерности изменения оксидов в шлаках

Строение шлаков и их основные физико-химические свойства определяются содержанием в них различных оксидов, которое условно принято называть основным химическим составом или просто химическим составом в отличие от полного химического состава, который определяется также содержанием сульфидов, фторидов, гидратов и т. д. Условность такого названия заключается в том, что реальные шлаки состоят не столько из оксидов, сколько из их соединений, которые электролитически диссоциированы.

Химический состав шлаков по ходу плавки изменяется довольно существенно, но для процесса данного типа и каждого периода плавки содержание основных компонентов шлака изменяется в узких пределах. Это, прежде всего, связано с температурой ванны. При умеренно низких температурах начала плавки в формировании шлака главную роль играют оксиды железа. В дальнейшем по мере нагрева ванны роль оксидов железа уменьшается, ведущая роль переходит к какому-либо другому оксиду. Если футеровка выполнена из кислого (кремнеземистого) материала, то шлак должен быть также кислым, иначе разрушающее действие шлака на футеровку может оказаться значительным. В агрегатах, имеющих основную (магнезитовую или доломитовую) футеровку, плавку можно вести только под основными шлаками. Близость химических свойств футеровки и шлака особенно важна в конце плавки, когда вследствие максимального нагрева ванны создаются наибольшие условия для разрушающего действия шлака на футеровку.

Кислые сталеплавильные шлаки

Кислые сталеплавильные шлаки имеют наиболее простой химический состав и оказывают большее воздействие на футеровку агрегатов, чем на металлическую фазу. Главным компонентом является кремнезем, среднее содержание которого в конечных шлаках обычно составляет 50—60%. Это примерно соответствует пределу растворимости Si02 в шлаковом расплаве, т. е. кислые шлаки по содержанию Si02, как правило, являются насыщенными растворами. В начале процесса обычно содержание Si02 бывает несколько ниже, но не менее 40%. Основными источниками поступления Si02 в шлак являются футеровка и реакция окисления кремния металлической шихты.

Обязательными компонентами кислых шлаков являются FeO и МnО. В нормальных шлаках содержание FeO в начале процесса выше (20—30 %), к концу обычно снижается (10—15 %), но может снова возрастать, если в металле содержание углерода < 0,1%. Присутствие оксидов железа в шлаке является следствием взаимодействия металлической, шлаковой и газовой фаз.

Концентрация МnО обычно поддерживается соответствующей содержанию FeO путем регулирования содержания марганца в металлической шихте, так как МnО попадает в шлак в результате окисления марганца металла. Характерно, что большему содержанию МnО в кислом шлаке соответствует меньшее содержание FeO, следовательно, меньшая окисленность металла, поэтому в кислом мартеновском шлаке поддерживают содержание МnО не менее 15%.

Присутствие А12О3 и СаО в кислых шлаках также является неизбежным, но их содержание обычно невелико (2— 8 %) и существенного влияния на свойства шлака не оказывает.

Основным недостатком кислых шлаков является их неспособность поглощать серу и фосфор в заметных количествах, поэтому задача шлакового режима в кислых процессах ограниченна и главным образом сводится к обеспечению минимального разрушающего действия шлака на футеровку агрегата.

Основные сталеплавильные шлаки

Основные сталеплавильные шлаки значительно сложнее по химическому составу и оказывают на металл рафинирующее действие, поглощая фосфор и серу. Оксид кальция СаО является главным компонентом основных шлаков, определяющим их важнейшие физико-химические свойства — фосфоро- и серопоглотительную способность, разрушающее действие на футеровку агрегата. Содержание СаО в начале процесса вследствие недостаточного нагрева ванны невысокое и обычно составляет 20—30%, а к концу процесса повышается до 45—50% (в дуговых электропечах до 60%). Эти концентрации являются пределом нормального растворения извести в шлаке. Если вводить в шлак известь выше указанных пределов, то она не полностью растворяется, и исключается получение гомогенных шлаков. Гетерогенные шлаки всегда обладают меньшей фосфоро- и серопоглотительной способностью. Необходимое содержание СаО в шлаке обеспечивается введением в ванну того или иного количества извести или известняка, хотя значительное количество СаО поступает из футеровки, особенно, когда она изготовлена из доломита.

Кремнезем Si02— второй важный компонент основных шлаков. Хотя Si02 в основных шлаках снижает их фосфоро-и серопоглотительную способность, его присутствие в значительных количествах неизбежно и необходимо. Неизбежность содержания Si02 в основном шлаке связана с тем, что, во-первых, любая металлическая шихта (чугун и лом) содержит кремний, который по ходу основного процесса окисляется практически полностью и в виде Si02 переходит в шлак; во-вторых, немалое количество Si02 может быть введено в шлак в виде пустой породы неметаллической шихты (флюсов, твердых окислителей), загрязнения лома и миксерного или доменного шлака (с жидким чугуном). Необходимость содержания Si02 связана с тем, что температура плавления шлака, прежде всего, определяется концентрацией кремнезема. Содержание кремнезема обычно в начале плавки значительно выше (25—35 %), чем в конце (15—20%). При проведении глубокой дефосфорации и десульфурации металла содержание Si02 в конечных шлаках может быть снижено до 10 %.

Оксид магния.

Оксид магния (магнезия MgO) является неизбежным компонентом основного сталеплавильного шлака, поступающим в него в основном из футеровки агрегата. Как показывает практика, содержание 5—6 % MgO в конвертерном шлаке повышает стойкость футеровки, улучшает дефосфорацию и десульфурацию металла. В конвертерном процессе такое содержание обеспечивается дополнительным введением MgO. В мартеновском процессе содержание MgO в шлаке всегда выше указанных пределов ввиду большего износа футеровки. Установлено, что содержание MgO до 8—10 % не оказывает заметного отрицательного влияния на свойства шлака, но при содержаниях 12—15% MgO и более ухудшается растворение извести в шлаке, шлак становится гетерогенным и заметно снижает свою фосфоро- и серопоглотительную способность. В конечных шлаках минимальное содержание MgO наблюдается при плавке стали в кислородных конвертерах (4—6%) и максимальное — в мартеновских печах (10—15% и выше). В любом агрегате содержание MgO в шлаках начала плавки примерно в два раза меньше, чем в конечных.

Глинозем.

Глинозем А1203 в основных мартеновских и конвертерных шлаках при содержаниях до 10—12 % ускоряет растворение извести и способствует улучшению физико-химических свойств шлака. Однако при более высоких

концентрациях А1203 оказывает отрицательное влияние, способствуя снижению жидкоподвижности и активности шлака. Глинозем поступает в ванну с пустой породой неметаллической шихты, загрязнениями лома и миксерным (доменным) шлаком. Когда А1203 попадает в шлак только из этих источников, его содержание невелико: обычно 2—5 % (в начале плавки несколько ниже, чем в конце). Более высокое содержание (8—12%) глинозема достигается введением в ванну соответствующего количества боксита.

Оксид марганца МnО одновременно обладает основными свойствами и ускоряет растворение извести, поэтому принадлежит к числу полезных компонентов основных шлаков. Присутствующий в шлаке МnО практически всегда является продуктом окисления марганца металла, поэтому его концентрация в шлаке в основном определяется содержанием марганца в металлической шихте, прежде всего в чугуне, а также зависит от того, удаляется ли по ходу плавки шлак из агрегата. Последнее вызвано тем, что обычно в первичных шлаках содержание МnО в 1,5—2 раза больше, чем в конечных.

Если из агрегата удаляются значительные количества первичного шлака (например, при проведении скрап-рудного мартеновского процесса), то это приводит к резкому снижению содержания МnО в конечных шлаках.

Пентаоксид фосфора

Пентаоксид фосфора Р2О5 является продуктом окисления фосфора чугуна, поэтому его концентрация в шлаке зависит от содержания фосфора в чугуне и расхода последнего в шихту. В конечных шлаках содержание Р2О5 составляет 4—10 % при переделе высокофосфористых чугунов (1,5—2,0% Р) и 1—2% при переделе малофосфористых чугунов (< 0,3 % Р). Наивысшее содержание Р2О5, превышающее содержание в конечном шлаке в два-три раза, наблюдается не в начале плавки, а через некоторое время, когда формируется активный известково-железистый шлак, т. е. шлак с достаточно высоким содержанием     (30%) СаО и FeO. Длительность образования такого шлака в разных агрегатах различна, поэтому закономерности изменения Р2О5 в разных процессах неодинаковы. Содержание Р2О5 не оказывает отрицательного влияния на физические свойства шлака, наоборот, снижает температуру плавления шлака, что является положительным показателем, способствующим успешному осуществлению передела высокофосфористого чугуна в сталь.

Химические свойства шлаков

Химические свойства шлаков (способность поглощать вредные примеси металла и другие) в той или иной степени зависят от соотношения концентраций основных и кислотных оксидов. Химические свойства основных шлаков прежде всего определяются степенью преобладания основных оксидов над кислотными, которая называется основностью. Для кислых шлаков подобной характеристикой является кислотность (степень преобладания кислотных оксидов над основными).

Основность шлака

Основность шлака необходимо регулировать в соответствии с температурой: в конце плавки основность шлака должна быть не менее 2,5, а в начале плавки она может быть значительно ниже.

При необходимости глубоких дефосфораций и десульфураций в конце плавки основность шлака может быть доведена до 3,5—4,5. Однако повышение основности способствует удалению фосфора и серы лишь в том случае, если не образуются гетерогенные шлаки. Гетерогенные шлаки обладают низкой фосфоро- и серопоглотительной способностью, если даже имеют высокую основность. В связи с этим регулирование основности шлака для получения нужной степени удаления из металла фосфора и серы является сложной задачей, которая может быть успешно решена только с учетом специфических свойств примесей и возможностей каждого сталеплавильного агрегата. Возможности растворения извести и снижения содержания кислотных оксидов в шлаке при различных процессах и в разные периоды плавки неодинаковы, поэтому обычно наблюдается существенное различие в основности шлака. Если в процессе окислительного рафинирования нет необходимости в принятии особых мер по удалению фосфора и серы из металла, то можно ограничиться указанной выше минимальной основностью шлака, которая удовлетворительно обеспечивает защиту футеровки агрегата от разрушающего действия шлака.

Окислительная способность шлака

Окислительная или окисляющая способность шлака — это способность его оказывать окислительное воздействие на металлическую фазу, передавая кислород в эту фазу. Передача кислорода из шлака в металл возможна при условии превышения возможной концентрации кислорода в металле, равновесной со шлаком данного состава и при данной температуре, над фактическим содержанием кислорода в металле.

Коэффициент распределения кислорода зависит от температуры. Следовательно, содержание кислорода в металле, равновесное со шлаком, зависит от содержания оксидов железа в шлаке, основности и температуры его. Фактическое содержание кислорода в металле в период окислительного рафинирования, как выше указывалось, в основном зависит от концентрации углерода. Таким образом, в общем случае окислительная способность шлака находится в сложной зависимости от содержания в нем оксидов железа, его основности, концентрации углерода в металле  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.

Уменьшая концентрацию оксидов железа, шлак способен не передавать кислород в металл, а поглощать кислород металла. Такой шлак называется раскислительным или восстановительным