» » Механизм шлакообразования
15.01.2015

Шлакообразование - это процесс формирования гомогенного жидкого шлакового расплава из отдельных твердых (сыпучих) шлакообразующих материалов. Это - сложный многостадийный и медленный процесс.
Стадии процесса шлакообразования
1. Прогрев кусковатых материалов: руды, известняка, извести и др.
2. Процессы разложения гидратов и карбонатов исходных шлакообразующих материалов, сопровождающиеся рассыпанием и разламыванием отдельных крупных кусков на более мелкие.
3. Формирование первичных легкоплавких шлаков (на базе FeO*SiO2).
4. Окисление и переход в шлак примесей металлошихты (Si, Mn, Р).
5. Растворение тугоплавких шлакообразующих в первичных шлаках (СаО, MgO).
6. Приближение шлака к насыщению его основными окислами.
Таким образом, в процессе шлакообразования имеют место такие медленные этапы, как теплопередача теплопроводностью в малотеплопроводных материалах (известь, известняк и др.) и диффузия легкоплавких составляющих шлака в этих твердых материалах.
В кислородно-конвертерном процессе высокие температуры реакционной зоны и интенсивный перенос объемов металла к поверхности плавящихся кусков шлакообразующих материалов способствуют процессу шлакообразования.
Сразу после заливки чугуна в конвертер формируется первичный шлак из застывшего на поверхности футеровки шлака предыдущей плавки, миксерного (доменного) шлака, попадающего вместе с чугуном в конвертер, продуктов разрушения футеровки, продуктов окисления примесей чугуна, образовавшихся при его заливке вследствие взаимодействия с оксидами железа ржавчины и окалины скрапа и оставшегося в конвертере шлака. Количество и состав этого шлака трудно прогнозировать.
В ходе плавки изменение состава шлака и увеличение его массы происходит следствие окисления Si, Mn, P и перехода в шлак серы металлошихты, растворения извести и других материалов. Главным при этом является процесс растворения извести.
Стадии ассимиляции извести
Обычная динамика шлакообразования при охлаждении плавок ломом и рудой показана на рис. 3.12.
Механизм шлакообразования

Первоначально (до 20 % продолжительности плавки при охлаждении рудой и до 30 % - при охлаждении ломом) накопление шлаковой фазы идет в основном за счет окисления примесей чугуна, а затем доминирующаю роль в увеличении ее количества переходит к процессу растворения извести. Наиболее интенсивный переход извести в жидкую фазу наблюдается в начале (особенно при охлаждении ванны рудой) и в конце плавки.
В.К. Дидковский считает, что при внесении кусочка непрогретой извести в шлак вокруг него первоначально намораживается корочка шлака (тепловой или пассивный период), и требуется определенное время для ее прогрева и расплавления. Длительность этого периода не превышает 50 с. для кусков извести размером около 40 мм. Тем не менее, необходимо стремиться к сокращению этого периода путем использования извести фракции 10-30 мм или путем предварительного ее нагрева.
На рис. 3.13 изображена структура куска извести, извлеченного из еще несформировавшегося конвертерного шлака. Вслед за нетронутой сердцевиной 2 с кристаллической решеткой CaO располагается зона 1, пропитанная окислами железа и марганца, с нарастанием их концентраций от центра к периферии, постепенно переходящая в зону, представляющую собой легкоплавкие соединения (температура плавления 1000-1200°С) типа ферритов, силикатов и фосфатов. Эти соединения легко растворяются и переходят в шлак.
Механизм шлакообразования

При наличии в первичном шлаке высокой концентрации кремнезема на поверхности кусков извести образуется плотная оболочка ортосиликата кальция с температурой плавления 2130°С. Это в значительной мере может тормозить растворение извести.
В табл. 3.6 приведены температуры перехода в жидкую фазу некоторых соединений CaO с другими окислами.
Механизм шлакообразования

Наиболее легкоплавкие соединения получаются в системах CaO-Fe2O3 и CaO-P2O5.
Процесс ассимиляции извести состоит из звеньев:
1 - намораживание на холодном куске извести корочки шлака, который постепенно расплавляется;
2 - проникновение по капиллярам и диффузия окислов (ионов) железа или других окислов в решетку извести с образованием более легкоплавких соединений в поверхностном слое;
3 - растворение составляющих поверхностного слоя в шлаке и массоперенос компонентов этого слоя от межфазной границы известь - шлак.
Глубина проникновения шлака в поры и капилляры описывается уравнением:
Механизм шлакообразования

где σ — поверхностное натяжение жидкой фазы;
θ — угол смачивания;
η — динамическая вязкость;
r — радиус капилляра;
τ — время контакта.
Скорость массопереноса в общем случае и для CaO в частности определяется выражением
Механизм шлакообразования

где Vдиф. — скорость диффузии компонента;
β — коэффициент массопереноса;
Д — коэффициент массопереноса;
δ — толщина диффузионного пограничного слоя;
Δ(MeO) — перепад концентраций компонента;
S — поверхность контакта известь-шлак.
Из анализа механизма процесса ассимиляции извести шлаком и уравнений (3.12) и (3.13) следует, что на скорость этого процесса влияют как факторы, от которых зависит скорость массопереноса компонентов в жидкой фазе шлака (вязкость, перемешивание ванны, градиент концентраций, величина поверхности контакта известь-шлак), так и факторы, определяющие условия смачивания шлаком поверхности извести и диффузии частиц в решетке CaO.
В обычных условиях кислородно-конвертерного процесса главными растворителями извести являются окислы железа (иногда марганца). С увеличением в шлаке FeO и Fe2O3 улучшается смачивание ими извести (уменьшается краевой угол 0, образуемый каплей шлака на поверхности извести), усиливается проникновение шлака в поры и трещины кусочков извести (рис. 3.14).
Механизм шлакообразования

Ионы, из которых состоят окислы железа (Fe2+, Fe3+, O2-) имеют небольшие размеры: rFe2+=0,83A, rFe3+=0,67A, rO2-=1,32A и кристаллизуются также, как и CaO, в кубической системе. Это облегчает миграцию окислов железа в решетку извести и их диффузию с образованием легкоплавких соединений. Проникновение окислов SiO2 затруднено большими размерами образующихся при ЭТОМ ИОНОВ SiO4а4- (r= 2,79A).
Подтверждением доминирующего влияния окислов железа на процесс растворения извести являются данные, представленные на рис. 3.15.
Механизм шлакообразования

Несмотря на значительное количество кремнезема, которое вносится в конвертер при работе с рудой, основность шлака в начале продувки оказывается выше, чем при работе со скрапом из-за повышенного количества окислов железа, поставляемых в ванну железной рудой.