имические свойства шлаков.

екция №14

Шлаки сталеплавильных процессов.

Химические свойства шлаков

Кислые шлаки содержат . Основные шлаки содержат: (в том числе ); .

попадает в шлак в результате износа кладки ванны, сильно увеличивает вязкость шлака, поэтому целесообразно, чтобы не превышал 10.

Содержание оксидов железа в шлаке увеличивается: с ростом интенсивности поступления кислорода в ванну; с увеличением основности шлака; с уменьшением содержания углерода в металле.

Важнейшая химическая характеристика шлака – его основность (). Наиболее часто она выражается как отношение:

. (3.46)

При фосфористой шихте:

. (3.47)

Такие способы определения основности шлака достаточны для производственных целей, так как удаление серы и фосфора из металла определяется главным образом отношением концентраций наиболее сильного основного оксида к концентрациям наиболее сильных кислотных оксидов. Обычно значение колеблется в пределах 2,0...3,0.

В научных исследованиях для основности шлака применяется более полное выражение (3.24).

Избыток основных оксидов в шлаке (по Чипмену):

. (3.48)

Избыток оксида кальция (по Герти):

. (3.49)

Избыток основных оксидов в шлаке в значительной степени характеризует содержание в нем свободных анионов кислорода.

При расчетах основности шлака по «валовому» анализу часто получают побочные результаты, поскольку гетерогенность шлака не учитывается (в пробу шлака попадают твердые неассимилированные жидкой фазой частицы и ).

Окислительную способность шлака характеризуют два показателя:

— активность оксида железа (II) , которая определяет максимально возможное содержание кислорода в металле при равновесии со шлаком;

— интенсивность передачи кислорода из окислительной газовой фазы через шлак в металл .

С чисто термодинамической точки зрения максимальной окислительной способностью при одинаковом содержании оксида железа (II) обладают шлаки с основностью , так как при такой основности максимален коэффициент активности (табл. 3.1).

С точки зрения кинетики передачи кислорода из газовой фазы оптимальная основность шлака . Это вытекает из исследованного нами механизма передачи кислорода из атмосферы мартеновской печи в металл. Этот процесс состоит из пяти стадий.

I стадия. На поверхности шлак-газ оксид железа (II) окисляется до оксида железа (III). При 1600...1700 °С оксид железа (III) не устойчив (упругость диссоциации 2,5...16,5 , т.е. намного больше парциального давления кислорода в атмосфере печи), поэтому возможно лишь образование ферритов , которые более устойчивы

 

Таблица 3.1. — Активность оксида железа (II) при различной

основности шлака при ; °С;

Расчетные величины	Основность шлака
	0,5	1,0	1,5	2,0
	1,0 0,046	1,3 0,060	1,9 0,087	2,5 0,115	2,9 0,133
Расчетные величины	Основность шлака
2,5	3,0	3,5	4,0	4,5
	2,5 0,115	2,0 0,092	1,8 0,082	1,6 0,073	1,4 0,064

 

при высокой температуре, чем чистый оксид:

. (3.50)

С ростом основности шлака реакция (3.50) протекает полнее вправо. В кислых шлаках возможно образование феррита железа , который устойчив при малых его содержаниях в шлаке (0,5...1,0%). Поэтому кислые шлаки менее интенсивно поглощают кислород из газовой фазы, чем основные.

II стадия. Ферриты (или ионы трехвалентного железа) диффундируют из верхних слоев шлака к границе шлак-металл. Скорость этой стадии зависит от площади зеркала ванны, толщины, вязкости и интенсивности перемешивания шлака, а также от градиента концентраций по высоте шлака.

III стадия. На границе шлак – металл ферриты, малоустойчивые при контакте с железом, почти полностью реагируют с железом по реакции

. (3.51)

IV стадия. Оксид железа (II) (или ионы ) диффундируют снизу вверх, где снова реагируют по реакции (3.50).

V стадия. Оксид железа (II) частично переходит в металл, где кислород расходуется на окисление примесей.

Описанный механизм транспортировки кислорода из газовой фазы через шлак в металл подтвержден специальными опытами. С помощью тарельчатого прибора отбирали пробы шлака одновременно по всей его глубине в мартеновской ванне. Установлено, что относительно больше в верхних слоях шлака, а – в нижних его слоях. С ростом основности шлака увеличивается разность концентраций (в виде ферритов) по глубине шлаков, среднее содержание оксида железа (II) в шлаке и скорость выгорания углерода в ванне, связанная с интенсивностью поступления в нее кислорода. Однако при значениях выше оптимального определенного предела диффузионные процессы в шлаке замедляются из-за роста его вязкости, что приводит к стабилизации и даже к некоторому уменьшению интенсивности поступления кислорода в металл, несмотря на повышенные значения и . Изложенное иллюстрируется схемами, изображенными на рис. 3.12.

Таким образом, с точки зрения термодинамической активности оксида железа (II), желательная основность . С точки зрения кинетики передачи кислорода из окислительной атмосферы в металл основность должна быть несколько выше (2,5...2,8). Снижение при этом компенсируется увеличением , а скорость передачи кислорода металлу растет за счет увеличения в глубине ванны. Необходимо обеспечить нормальную вязкость высокоосновного шлака присадками боксита или плавикового шпата и ранней наводкой шлака.

 

 

 

Рисунок 3.12 — Схемы изменения содержания оксидов железа по глубине шлака в мартеновской ванне (а)и влияния активности (б)на среднее значение (1), в период чистого кипения (2), содержание в верхнем (3) и нижнем (4)слоях шлака