что такое основность шлаков
Машиностроение и механика
Химические свойства шлаков
1. Основность шлака
Существует множество показателей характеризующих основность шлака, но любая из них прежде всего должна позволять оценить фосфоро- и серопоглотительную способность шлака.
Шлаки, в которых отношение (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).
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.
Физические свойства шлаков определяют поведение шлаков в процессе плавки
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).
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.
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.
Общие принципы установления оптимального шлакового режима плавки
Основными параметрами, определяющими шлаковый режим плавки, являются основность и количество шлака. Оптимальный шлаковый режим достигается одновременным изменением и химического состава (основности), и количества шлака. Если по условиям ведения плавки (высокое качество исходного сырья, умеренные требования к качеству стали и т.п.) нет необходимости в специальных мерах для удаления из металла серы или фосфора, то основность шлака должна обеспечивать предотвращение чрезмерного разрушающего действия шлака на футеровку агрегата. Для выполнения этого требования достаточно иметь основность конечного шлака 2,2-2,4. Если по ходу плавки требуется принятие специальных мер для удаления серы и фосфора, то основность шлака должна обеспечивать максимальное поглощение шлаком этих примесей. Этому требованию соответствуют конечные шлаки с основностью 2,7-3,3 в мартеновском процессе и 3,0—4,0 в кислородно-конвертерном процессе.
Если за счет повышения основности шлака не удается провести рафинирование металла, прибегают к увеличению его количества, путем «скачивания» отработанного шлака и «наведения» нового шлака. Поскольку наведение дополнительного шлака удлиняет плавку и ведет к дополнительным потерям металла, стараются вести процесс в одношлаковом режиме.
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.
Шлаки, в которых отношение (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).
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
|
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).
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.
|
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.
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.
Свойства жидких шлаков
Химические свойства шлаков характеризуются их химическим составом. Основные характеристики шлака:
Металлургические шлаки, являясь многокомпонентными системами, состоят в основном из оксидов. Все оксиды по их химическим свойствам подразделяются на:
В зависимости от преимущественного содержания в шлаке кислотных или основных оксидов шлаки делят на:
Критерием, указывающим на принадлежность шлака к той или иной группе, служит показатель, называемый основностью шлаков.
Под основностью шлака понимается отношение суммарного количества всех основных оксидов в шлаке к суммарному количеству кислотных оксидов:
. (51)
На практике для определения основности используют упрощенную формулу, учитывающую содержание в шлаке только CaO и SiO2 – главных представителей основных и кислотных оксидов.
В том случае, если 
— шлаки кислые;
— шлаки нейтральные;
– шлаки основные.
В процессах плавки состав шлака (кислый или основной) зависит от того, из каких материалов выполнена огнеупорная футеровка. Если футеровка выполнена из кислых огнеупорных материалов (шамот, песок), то шлаки наводят кислые. Если футеровка основная (магнезит), то шлаки наводят основные. В противном случае будет протекать активное химическое взаимодействие между шлаком и футеровкой, что приводит к разрушению футеровки.
Изменение состава шлака осуществляет присадками кварцевого песка (SiO2) или извести (СаО).
Важной характеристикой шлака является его окислительная способность. Окислительная способность шлака возрастает с увеличением его основности. Кислые шлаки в отличие от основных характеризуются пониженной окислительной способность.
В любых условиях все процессы взаимодействия между жидким металлом и шлаком подчиняются закону распределения:
отношение концентраций растворенного вещества в двух несмешивающихся жидкостях является величиной постоянной при постоянной температуре
(52)
Количество кислорода, переходящего из шлака в сталь, в соответствии с законом распределения определяется с помощью константы распределения, которая в рассматриваемом случае служит константой равновесия.
или точнее 
.
Согласно принятым в литературе обозначениям, элемент или соединение, которые находятся в шлаковом расплаве, заключают в круглые скобки ( ); квадратные скобки [ ] означают, что вещество находится в расплаве металла; фигурные < >– в газовой фазе.
При плавке часто применяют специальные рафинирующие шлаки, которые служат для удаления вредных примесей. Для таких шлаков основной характеристикой является их химическая активность.
Физические свойства шлаков:
— вязкость в жидком состоянии и изменение ее с температурой;
— скорость диффузии компонентов в шлаке;
— плотность в жидком состоянии.
Шлаки плавятся в интервале температур. Обычно интервал плавления у кислых шлаков больше, чем у основных.
Химическая активность жидких шлаков в значительной степени зависит от вязкости, которая является функцией химического состава и температуры. Вязкость – это свойство жидкостей (и газов) оказывать сопротивление при перемещении одной части жидкости относительно другой.
Вязкость силикатных расплавов увеличивается с повышением содержания в них SiO2. В том случае, когда к SiO2 добавляется какой-нибудь основной оксид, происходит резкое снижение вязкости и уменьшение энергии вязкого течения.
От величины вязкости шлака зависят такие процессы, как диффузия, теплоперенос, газопроницаемость и др. С вязкостью связана не только скорость самодиффузии частиц жидкости, но и особенности диффузии примесей, находящихся шлаке.
Газопроницаемость шлака – способность шлака пропускать выделяющиеся из металла газы. Скорость выделения газов из металлов зависит от их давления над поверхностью металла. Если у шлака плохая газопроницаемость, то на поверхности металла создается повышенное давление газа, препятствующее их дальнейшему выделению.
Поверхностное натяжение любой жидкости является важным физико-химическим свойством, предопределяющим их поведение в тех или иных процессах.
Поверхностное натяжение шлаков зависит от их химического состава. В металлургических процессах плавки большое значение имеет величина межфазной энергии на границе металл – шлак, которая значительно больше, чем на границе жидкого металла и его кристалла. Величину межфазной энергии значительно уменьшают сера, углерод, фосфор в сплавах на основе Fe.
Чем больше межфазная удельная энергия на границе металл – шлак и чем меньше на границе включения – шлак, т.е. чем больше адгезия шлака к включениям, тем легче шлак поглощает эти включения.
Состав и свойства шлаков в соответствии с требуемыми его физическими и химическими свойствами регулируют с помощью флюсов. В отличие от компонентов шлака, образующихся в процессе плавки, флюсы специально подбираются, и вводятся в расплав. Флюсы могут быть:
— основные (оксиды кальция, магния, марганца и др.);
— хлориды и фториды щелочных и щелочноземельных металлов.
Основность сталеплавильных шлаков
Химические свойства шлаков во многом определяются соотношением концентраций основных и кислотных оксидов, количественной характеристикой которого является основность шлака.
Универсальной формулой для определения основности шлака (В) является отношение суммы концентраций основных оксидов к сумме концентраций кислотных и амфотерных оксидов
— (3.1)
где k1, k2, k3 – коэффициенты, величиной которых учитывается эквивалентность FeO, MnO, MgO наиболее сильному основному оксиду CaO;
На сегодняшний день точные значения коэффициентов эквивалентности различных оксидов не установлены. Поэтому практическое использование формулы (3.1) не представляется возможным. Обычно для расчета основности шлака пользуются упрощенным соотношением
— (3.2)
а при переработке низкофосфористых чугунов основность шлака можно определять при помощи уравнения
— (3.3)
Рассчитанная при помощи соотношений (3.2) и (3.3) величина основности шлака является достаточно точной его характеристикой при высоких температурах заключительного периода плавки. Однако, она не учитывает того, что при низких температурах начала плавки FeO обладает свойствами основного оксида. По этой причине образующиеся в начальном периоде плавки шлаки с высоким содержанием оксидов железа могут удалять из металла значительные количества серы и фосфора, имея основность В
Что такое основность шлаков
Химические свойства шлаков во многом определяются соотношением концентраций основных и кислотных оксидов, количественной характеристикой которого является основность шлака.
Универсальной формулой определения основности шлака (В) является отношение суммы концентраций основных оксидов к сумме концентраций кислотных и амфотерных оксидов
На сегодняшний день точные значения коэффициентов эквивалентности различных оксидов не установлены. Поэтому практическое использование формулы (6.1) не представляется возможным. Обычно для расчета основности шлака пользуются упрощенным соотношением
а при переработке низкофосфористых чугунов основность шлака можно определять при помощи уравнения
Рассчитанная при помощи соотношений (6.2) и (6.3) величина основности шлака является достаточно точной его характеристикой при высоких температурах заключительного периода плавки. Однако, она не учитывает того, что при низких температурах начала плавки FeO обладает свойствами основного оксида. По этой причине образующиеся в начальном периоде плавки шлаки с высоким содержанием оксидов железа могут удалять из металла значительные количества серы и фосфора, имея основность В 4- 4 в результате взаимодействия кремнезема с анионами кислорода, образующимися при диссоциации оксида кальция.
Сведения об основности шлака и содержании в нем оксида кальция, кремнезема и пентаоксида фосфора в различных периодах плавки в разных сталеплавильных агрегатах приведены на рисунке 6.1.
Рисунок 6.1 – Изменение основности шлака и содержания (CaO) и (SiO2) и (P2O5) в различные периоды плавки в разных сталеплавильных агрегатах. Цифры у прямых – содержание (SiO2) и (P2O5), %
1 – доводка в кислой мартеновской печи при активном процессе; 2 – первая половина периода плавления в основной мартеновской и дуговой электросталеплавильной печах; 3 – по расплавлению в основной мартеновской и в окислительном периоде плавки в дуговой электросталеплавильной печи; 4 – в конце продувки в кислородном конвертере при переделе обычных чугунов и в основной мартеновской печи при проведении доводки без значительного обновления шлака; 5 – доводка в основной мартеновской плавки с многократным обновлением шлака; 6 – в конце плавки при выплавке стали с содержанием углерода менее 0,05%; 7 – восстановительный период плавки в дуговой электросталеплавильной печи