Теоретические основы электросталеплавильных процессов

Григорян В.А., Белянчиков Л.Н., Стомахин А.Я.

Металлургия, 1987 г.

Глава II СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫЕ ШЛАКИ

Шлак представляет собой многокомпонентный оксидный расплав, непосредственно контактирующий с металлом в сталеплавильном агрегате и выполняющий важные технологические функции. Развитие теории шлаков связано с работами В. А. Ванюкова, П. Герасименко, Г. Шенка, М. И. Темкина, Л. А. Шварцмана, О. А. Есина, В. А. Кожеурова и многих других отечественных и зарубежных ученых. Первые попытки термодинамического описания шлаков были основаны на предположении о том, что структурными единицами в них являются молекулы оксидов (СаО, SiO₂, А1₂O₃ и др.), а также силикатов, фосфатов и других соединений. На этой основе была создана так называемая молекулярная или химическая теория шлака, не потерявшая полностью своего значения для упрощенных количественных оценок и в настоящее время. Молекулярная модель не объясняет многих физических свойств шлаков, в частности электрической проводимости и некоторых других, хорошо интерпретируемых на основании представления об электролитической диссоциации, поэтому дальнейшее развитие количественной теории было направлено главным образом по пути перехода к ионной модели как более совершенной. Обладая большой гибкостью, ионная модель позволила дать качественное объяснение многим экспериментальным фактам и способствовала развитию электрохимии шлаков. Значительный прогресс в развитии количественной теории шлаков был связан с применением статистической термодинамики.

Разработанные на этой основе методы расчета равновесий позволяют делать наиболее обоснованные численные оценки. Одним из перспективных направлений дальнейшего развития теории шлаков в настоящее время представляется последовательный учет характеристик их электронного строения. На протяжении последних десятилетий именно этот путь был связан с наибольшими успехами физики и химии конденсированного состояния, теории катализа, теории полупроводников. Все химические связи осуществляются посредством электронов, поэтому центральный вопрос теории шлаков, касающийся особенностей межатомного взаимодействия, является в конечном счете вопросом об их электронном строении. Учет характеристик электронного строения делает количественную теорию более последовательной и в ряде случаев приводит к качественно новым результатам.

11.1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ШЛАКОВ

Важнейшей функцией шлака является сорбция (поглощение) вредных примесей — серы, фосфора и некоторых других элементов. Сорбционная способность шлака по отношению к примесям зависит от его состава, температуры и степени раскисленности системы металл — шлак. Удаление примесей требует различных условий. Так, удаление серы полнее протекает к раскисленной системе, удаление фосфора — в окислительных условиях. Для процессов, протекающих в дуговых печах и других открытых агрегатах, важную роль играют защитные (покровные) свойства шлака. Проницаемость шлака по отношению к азоту, водороду и кислороду, содержащимся в атмосфере, в значительной мере определяет газонасыщенность металла и развитие процессов окисления. Процессы массопереиоса в шлаке связаны с диффузионной подвижностью примесей, вязкостью шлака, его составом.

В электросталеплавильных процессах существенную роль могут играть явления, связанные с тепловым и электрохимическим действием электрического тока, проходящего через слой шлака. Например, в процессах ЭШП шлак выполняет функции нагревательного элемента, а при использовании постоянного тока значительное развитие получают электрохимические эффекты. Шлаки могут выполнять ряд Других функций в зависимости от специфики конкретных процессов: поддержание заданного теплового режима, обеспечение хорошей поверхности слитка, стабилизация электрических дуг и др. Например, в процессе ВДП используется добавка очень небольшого количества шлака для ассимиляции и удаления неметаллических включений.

Важной технологической характеристикой шлака является его основность. Мерой основности служит отношение суммы концентраций основных оксидов к сумме концентраций кислотных, в простейшем случае (CaO)/(SiO₂). В литературе можно встретить большое число других способов выражения основности, которые могут быть более удобными в тех или иных случаях. Однако не существует универсальной шкалы основности и в общем случае следует пользоваться по возможности более простыми критериями. Реальные шлаки имеют сложный состав и часто более основной шлак в ряду, построенном, например, по десуль-фурирующей способности, может оказаться менее основным, если критерием основности шлака является активность ионов кислорода . Более точно зависимость свойств шлака от состава характеризуют формулы термодинамической теории растворов, которые будут рассмотрены ниже.

Основность широко используется в практической металлургии в качестве простой обобщающей характеристики. Высокоосновные шлаки обладают хорошей сорбционной способностью по отношению к примесям, жидкоподвижны, газопроницаемы, способствуют стабилизации электрических дуг. Эти шлаки «короткие», т. е. имеют короткий температурный интервал перехода от жидкоподвижного состояния в твердое. Кислые шлаки в тех же условиях более вязки, обладают хорошими изолирующими свойствами, большим интервалом перехода от жидкого к твердому состоянию («длинные») (рис.).

Рис. Зависимость вязкости кислых(1) и основных(2) шлаков от температуры

Важнейшими физическими свойствами сталеплавильных шлаков являются поверхностное натяжение, вязкость, плотность, электрическая проводимость.

Вязкость шлака существенно влияет на скорость массообмена в сталеплавильной ванне, поэтому связана с показателями всего процесса. Обычные значения вязкости электросталеплавильных шлаков при 1600 °С находятся в пределах 0,01—0,06 Па*с (вязкость воды при 25 °С 0,9 мПа*с, стали при 1600°С - 25 мПа*с). Вязкость в значительной степени зависит от температуры (см. рис. ).

Плотность сталеплавильных шлаков при 1600 °С колеблется в пределах 3,5—2,0 г/см³. Повышенную плотность имеют железистые и марганцовистые шлаки. При прочих равных условиях основные шлаки имеют несколько более высокую плотность, чем кислые. С повышением температуры плотность расплавленных шлаков уменьшается примерно на 0,2г/см³ на каждые 100°С.

Электрическаяпроводимость шлаков зависит от их состава. Обычно электрическая проводимость шлаков при 1600°Снаходитсяв пределах 0,0001—1 Om^-1 *cm^-1.Более электропроводки основные шлаки. Особенно сильно увеличивают электрическую проводимость шлака добавки оксидов щелочных металлов и галогенидов, в частности плавикового шпата. Электрическая проводимость, как и жидкоподвижность, экспоненциально увеличивается при повышении температуры.

Приведенныеданные следует рассматривать лишь как ориентировочные, поскольку лабораторные условия, в которых проводятся -измерения, не всегда полностью воспроизводят условия промышленных агрегатов, и особенно сильно на некоторые свойства шлака может влиять различие в окислительно-восстановительных условиях.