СТРОЕНИЕ И СОСТАВ ШЛАКА

 

После отбора пробы шлака и проведе­ния соответствующего ее анализа мас­тер, ведущий плавку, получает данные о процентном содержании CaO, SiO2, FeO и т. д. При этом не следует забы­вать, что в лаборатории анализируют уже застывшую пробу шлака. Суще­ствуют различные представления о природе жидкого шлака и о взаимо­действии его компонентов, согласно которым в жидких шлаках непосред­ственно в сталеплавильном агрегате между компонентами шлака возмож­ны и ионная, и ковалентная связи. Преобладающей считается ионная связь. Схематически образование ионов при расплавлении компонентов шлака представляют обычно следую­щим образом:

FeO->Fe2+2-. СаО->Са2+2-;

МпО->Мп2+2-. MgO->Mg2++O2-;

(FeO)2*Si02->2Fe2+ +SiO44-

(MnO)2 *SiO2-> 2Mn2+ +SiO44-;

FeS->F.e2+ +S2-; MnS->Mn2+ +S2-;

CaF2->Ca2++2F-;

(CaO)3*P2O5->3Ca2++3PO43- и т.п.

Какое-то количество этих элемен­тарных структурных единиц (ионов) может входить в состав более или ме­нее сложных комплексов или электро­нейтральных молекул оксидов. При­меры катионов: Fe2+, Мп2+, Са2+, Mg2+; примеры анионов: О2-, S2-, SiO44-.PO43-, Fe02-,Si2076-.

Состав ионов может изменяться в зависимости от состава шлаков; так, например, в кислом шлаке возможно присутствие следующих сложных ионов, включающих Si44+ и О2-: SiC44- ,Si2O76-,Si3O96-, Si4O128-,Si6O1812-. По мере усложнения размеры (радиусы) ионов увеличиваются (при этом соот­ветственно возрастает вязкость шла­ков). Силы взаимодействия ионов в шлаке зависят от отношения величи­ны заряда иона к его радиусу (чем меньше радиус, тем сильнее данный ион при одинаковой величине заряда). Различие в силе ионов приводит к тому, что наиболее сильные катионы соседствуют с сильными анионами. Например, катион Fe2+ соседствует преимущественно с ионами О2-; та­ким образом, шлак приобретает опре­деленную упорядоченность. Имея в виду ионный характер связей частиц в шлаке, основные реакции между ком­понентами шлака и металла можно выразить в следующем виде:

(Fе2+)+(02-)↔Fеж+[0];

(Fе2+) + (S2-)↔Fеж+[S]-

в случае железистого шлака;

[0]+(S2-)↔ [S]+(02-)-

в случае маложелезистого шлака;

(Мп2+)+(02) ↔ [Мп]+[0];

5(Fe2+)+2[P]+8(02-) <=> 2(РО43-)+5Fеж.

Для каждой реакции могут быть вычислены соответствующие констан­ты равновесия. Для реальных шлаков, состоящих из многих компонентов, такие расчеты усложняются из-за от­сутствия полных данных об активностях компонентов. Решение облегчает­ся, если принять, что шлак представ­ляет собой совершенный ионный ра­створ, т. е. если принять, что шлак со­стоит только из ионов, что силы взаи­модействия всех анионов и всех катионов равноценны и что ближай­шими соседями являются только раз­ноименно заряженные ионы. Тогда активности компонентов шлака равны их ионным долям: aFe2+=xFe2+, aS2-=xS2-, +, aО2-=xО2-

Число молей тех или иных ионов рассчитывают при этом по данным хи­мического состава шлака. Допускает­ся, что nFe2+=n(FeO), nMn2+=n(MnO). nСа2+=n(СаО), nMg2+ = n(MgO), nSiO44- = n(SiO2). nS2- =n(S) и т. д. Присутствие в шлаках Fе2О3, Р2О5 и некоторых других оксидов не учитывается. Одна­ко такой упрощенный подход дает по­ложительные результаты только для ограниченного числа случаев. Предло­женные методы расчета активностей компонентов шлака пока имеют част­ный характер и пригодны для расчетов шлаков лишь определенного состава. Надежные методы объективной оцен­ки активностей компонентов шлака путем непосредственного измерения пока не разработаны (в настоящее время в ряде стран создают приборы для определения активности оксидов железа в шлаке). Для практических целей пользуются полуэмпирически­ми расчетными уравнениями. Комп­лекс представлений о характере ион­ной связи между составляющими жид­ких шлаков называют ионной теорией шлаков. Большой вклад в создание и развитие этой теории внесли ученые-металлурги О. А. Есин, В. А. Ванюков, П. А. Герасименко, В. А. Кожеуров, А. А. Шварцман, М. И. Темкин, В. И. Явойский и др. Упомянутая выше модель совершенных ионных растворов предложена М. И. Темкиным. В. А. Кожеуров разработал теоре­тические основы для вычисления ко­эффициентов активностей компонен­тов шлака. В. И. Явойский развил представления о механизме передачи газов(водорода, кислорода) из газовой фазы через шлак в металл. Работы в этом направлении продолжаются, так как общая теория строения шлаков еще далека от совершенства. Для от­дельных случаев практики разработа­ны частные решения. Помимо полу­эмпирических уравнений можно ис­пользовать разработанные специаль­ные диаграммы. Так, для шлаков, состоящих из CaO, SiO2 и FeO (или шлаков близкого состава), активность FeO часто вычисляют по диаграммам Тейлора и Чипмена, Туркдогана и Пирсона, Эллиота и Бодеуорта. Эти диаграммы обычно имеются в спра­вочниках и учебниках (рис. 9.2).

 

' 1Такое название отличает эту теорию от молекулярной теории шлаков, в соответствии с которой шлаки состоят из молекул, причем одна часть компонентов шлака связана в со­единения (силикаты, ферриты и т. п.), а дру­гая часть находится в свободном состоянии. Концентрации свободных компонентов (CaO, MgO, FeO — в основных, SiCb — в кис­лых шлаках) определяются их избытком по сравнению с количеством, необходимым для образования тех или иных соединений в со­ответствии со стехиометрическим составом последних. Молекулярную теорию шлаков часто связывают с именем немецкого метал­лурга Г. Шенка, разработавшего метод расче­та концентраций свободных оксидов.

 

Данные анализа проб шлака метал­лурги получают с соответствующим пересчетом на массовый состав; при этом приводится содержание компо­нентов шлака в виде обычных оксидов (FeO, CaO, MnO, SiO2 и т.д.) или в чистом виде [(Fe), (S), (Р) и т.д.]. Со­ставляющие шлак оксиды в соответ­ствии с их химическими свойствами можно разделить на три группы:

1) кислотные (SiO2, P2O5, TiO2, V2O5);

2) основные (CaO, MgO, FeO, MnO);

3) амфотерные (А12О3, Fe2O3, Cr2O3).

Из минералогического анализа шла­ков различных вариантов сталепла­вильных процессов следует, что наи­более часто встречающимися соедине­ниями в шлаковых пробах являются:

силикаты — FeO-SiO2, (FeO)2-SiO2, MnO-SiO2, (MnO)2-SiO2, (CaO)2-SiO2, (CaO)3-Si02, MgO-Si02, (MgO)2-Si02, Al2O3-SiO2;

фосфаты — (FeO)3-P2O5, (MnO)3-P2O5, (CaO)3-P205, (CaO)4-P205, (MgO)3-P2O5;

алюминаты — FeOA12O3, CaOAl2O3, MgO-Al203;

ферриты — FeO-Fe2O3, CaO-Fe2O3, (CaO)3-Fe203, (CaO)m-(Fe2O3)n.

 

Из соединений более сложного со­става чаще встречаются такие, как монтичеллит СаО-Ж>8Ю2 (где R= Fe, Mn, Mg), мервинит 3 СаО*RO*2 SiO2, силикокарнотит 5 CaOP2O5*SiO2, a также различные шпинели смешанно­го состава типа алюмоферрита каль­ция 4CaO*Al2O3*Fe2O3. В хромистых шлаках образуется хромовая шпинель (РеО)n*(Сг2О3)m переменного состава. В высокомагнезиальных шлаках могут присутствовать твердые включения кристаллов периклаза MgO. В высоко­основных шлаках в виде твердых включений может также присутство­вать СаО. Все эти соединения обнару­жены при минералогическом анализе проб затвердевшего шлака

Рис. 9.2.Диаграммы для определения актив­ности монооксида железа FeO в шлаковых расплавах, а<PеО):

а —по Тейлору и Чипмену; 6— по Туркдогану и Пирсону; в — по Эллиоту и Бодеуорту

 

Часто формулы сложных соедине­ний используют при описании про­цессов, протекающих в сталеплавиль­ных агрегатах, в которых шлак нахо­дится в расплавленном состоянии. Необходимо помнить, что по химичес­ким формулам, например FeO или (CaO)2*SiO2 , нельзя установить, нахо­дятся ли данные вещества в расплавлен­ном шлаке в виде молекул или ионов. В подобных формулах отражено только соотношение элементов в рассматрива­емых шлаках.

Шлак, в котором преобладают ос­новные оксиды (СаО, MgO, MnO, FeO), называют основным', если в со­ставе преобладают кислотные оксиды, шлак называют кислым. В сталепла­вильном производстве работают со шлаками обеих групп: кислыми (45— 60% SiO2, 35-45% (FeO + MnO)) и основными (35-60 % (СаО + MgO), 10-25% FeO, 15-30% SiO2, 5-20% MnO). Диаграммы состояния шлако­вых систем показаны на рис. 9.3 и 9.4.

Под основностью шлака понимают отношение массовых концентраций (CaO)/(SiO2) или в случае высоких концентраций фосфора (CaO)/((SiO2) + (Р2О5)). Какой-либо общепринятой градации шлаков в зависимости от их основности нет, однако часто шлаки по признаку основности делят на три группы: низкоосновные — если (CaO)/(SiO2) < 1,5; средней основнос­ти - если (CaO)/(SiO2) = 1,6+2,5 и вы­сокоосновные —если (CaO)/(SiO2) > 2,5. Знание основности шлака (для основ­ных процессов) и постоянный конт­роль за этим параметром очень важ­ны, так как с помощью этой характе­ристики шлака обычно определяют важнейшее его свойство — способ­ность извлекать из металла вредные примеси (серу, фосфор) и удерживать их в шлаке.

Характеристикой кислых шлаков может служить отношение (SiO2)/(FeO + MnO) или (SiO2)/(FeO + MnO + СаО), которое называют кислотностью шлака.

Важнейшей характеристикой шла­ка является также величина, называе­мая окисленностью шлака. Под окисленностью шлака обычно понимают способность шлака передавать метал­лу кислород. Роль основного окисли­теля при взаимодействии металла со шлаком принадлежит оксиду железа (FeO). Определенную роль играет так­же и трехвалентное железо (Fe2O3).

Соотношение двух- и трехвалент­ного железа в шлаке регулируется по-разному, в том числе составом шлака и окисленностью газовой фазы. Характер влияния этого соотношения на протекание процесса передачи кисло­рода из шлака в металл достаточно сложен и до конца не изучен. Сложив­шаяся практика определения окисли­тельной способности шлака свиде­тельствует об отсутствии полной ясно­сти и единства мнений в этом важном вопросе. Встречаются следующие ва­рианты расчетов окислительной спо­собности основных шлаков на разных заводах (и по данным разных литера­турных источников).

1. Определение суммарной массо­вой концентрации FeO в шлаке, рас­считанной по кислороду (%):

∑(FeO) = (FeO) + l,35(Fe2O3).

2. Определение суммарной массо­вой концентрации кислорода (%), со­держащегося в оксидах железа в шлаке:

∑ (0) = 0,222(FeO) + 0,300(Fe2O3).

3. Определение суммарной массо­вой концентрации оксидов железа в шлаке (%):

∑ (FeO) = (FeO) + (Fe2O3).

4. Определение суммарной массо­вой концентрации FeO в шлаке (%), рассчитанной по железу:

∑ (FeO) = (FeO) + 0,9(F2O3).

Рис. 9.3.Диаграмма состояния CaO-SiO2-FeO Рис. 9.4. Диаграмма состояния FeO-SiO2-MnO

5. Определение суммарной массо­вой концентрации железа (%), содер­жащегося в оксидах железа в шлаке:

общ или (Fe) = 0,778(FeO) + + 0,700(Fe2O3).

6. Определение массовой концент­рации (FeO) в шлаке (%) (содержание Fe2O3 не учитывается).

7. Определение активности FeO в шлаке — a(FeO). Активность определя­ется экспериментально или рассчиты­вается.

8. По формуле R(FeO) = (FeO) -— k(Fe2O3) учитывается, что Fe2O3 как амфотерный оксид участвует в основ­ном шлаке в образовании сложных комплексов типа (CaO)*(MgO)x*(FeO)y *(Fe2O3)z или анионов типа Fex Oyz-, снижая содержание свободных ионов Fe2+ и O2-, т. е. уменьшая a(FeO). Вели­чина k для условий обычной плавки в основной мартеновской печи близка к 0,7.

Наиболее достоверные результаты получаются при оценке окислитель­ной способности шлака двумя послед­ними методами (пп. 7 и 8). Исследова­ниями сотрудников Института черной металлургии Украины с использова­нием различных методик на большом массиве данных о составе металла и шлака по ходу продувки в кислород­ном конвертере установлено, что уве­личение содержания FeO в шлаке приводит к увеличению окислитель­ной способности шлака, а увеличение содержания Fe2O3 свидетельствует о снижении этой способности и об уве­личении основности шлака. Исходя из этого, в частности, не рекомендуется использовать при описании и иссле­довании процесса такой критерий, какFeОбЩ'

 






Дата добавления: 2016-06-22; просмотров: 2518; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2022 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей.
Генерация страницы за: 0.038 сек.