Теоретические основы металлургического производства
  7.2 Растворение извести в сталеплавильных шлаках

Температура плавления оксида кальция превышает 2800оС. Такие высокие температуры наблюдаются только в локальных объемах ванн сталеплавильных агрегатов, например, близи зоны горения электрической дуги или в первичной реакционной зоне при продувке ванны кислородом. По этой причине основное количество извести растворяется в сталеплавильном шлаке из твердого состояния.

Микроскопическое и петрографическое исследования кусков извести, извлеченных из еще не сформировавшихся шлаков, позволяет выявить зональную их структуру. Обычно в центральной части кусков наблюдается кубическая кристаллическая решетка CaO. Вблизи поверхности кусков располагается зона, обогащенная оксидами железа, марганца и другими компонентами шлака, содержание которых увеличивается от центра куска к периферии. Непосредственно на поверхности извлеченных из шлакового расплава кусков извести обнаруживается большое количество эвтектик, а также ферритов, силикатов, в некоторых случаях фосфатов и других химических соединений, многие из которых обладают низкими температурами плавления. В качестве примера в таблице 7.1 приведены температуры перехода в жидкую фазу некоторых соединений оксида кальция.

Таблица 7.1 – Температуры перехода в жидкую фазу соединений оксида кальция

Температуры перехода в жидкую фазу соединений оксида кальция

Из приведенных данных видно, что при температурах сталеплавильной ванны большое количество химических соединений, образующихся при взаимодействии оксида кальция с компонентами сталеплавильных шлаков, находятся в жидком или двухфазном состоянии. Это позволяет предполагать, что процесс растворения извести в шлаке включает следующие основные звенья:

  1. По имеющимся в кусках извести трещинами и порам компоненты шлакового расплава проникают внутрь кусков извести, в результате чего поверхность раздела фаз может значительно увеличиваться.
  2. Диффузия оксидов (ионов) железа, марганца и других компонентов шлакового расплава внутрь кусков извести с образованием более легкоплавких, чем CaO, твердых растворов и химических соединений в поверхностном слое.
  3. Оплавление поверхностного слоя кусков, растворение его составляющих в шлаке и массоотдача компонентов этого слоя от межфазной границы известь-шлак в объем шлакового расплава.

Принято считать, что в условиях сталеплавильных процессов главная роль в растворении извести принадлежит оксидам железа или обладающим сходными с ними свойствами оксидам марганца. Это мнение основано на следующем:

  • в шлаках традиционных сталеплавильных процессов, основанных на окислительном рафинировании, оксиды железа всегда присутствуют в значительных количествах;
  • с увеличением содержания FeO существенно улучшаются условия смачивания извести шлаком, что облегчает проникновение шлака по трещинам и порам внутрь кусков извести;
  • оксиды железа и кальция имеют сходные кристаллические решетки. Ионы, из которых состоят оксиды железа (Fe2+, Fe3+ и O2-), имеют малые размеры, что облегчает проникновение оксидов железа в кристаллическую решетку извести и их диффузию вглубь кусков;
  • в результате взаимодействия оксидов кальция и железа образуется большое количество легкоплавких твердых растворов и ферритов кальция.

В качестве примера, подтверждающего вывод о ведущей роли оксидов железа в процессе растворения извести, на рисунке 7.1 показаны результаты исследования изменения химического состава металла, шлака и температуры ванны при выплавке низкоуглеродистой стали в 150 т кислородном конвертере верхнего дутья.

Изменение состава металла, шлака и температуры ванны при выплавке низкоуглеродистой стали в 150-т кислородном конвертере

Рисунок 7.1 – Изменение состава металла, шлака и температуры ванны при выплавке низкоуглеродистой стали в 150-т кислородном конвертере

В начальном периоде продувки формируются шлаки с высоким содержа-нием оксидов железа, в которых известь растворяется с достаточно большой скоростью.

В середине продувки основное количество вдуваемого в ванну кислорода расходуется на обезуглероживание металла. При этом увеличивается количество выделяющегося из металла CO и мощность перемешивания ванны. Это приводит к росту скорости реакций во вторичной реакционной зоне, в результате чего концентрация (FeO) уменьшается. В этих условиях дальнейшего повышения содержания (CaO) не происходит.

В конце продувки при низком содержании углерода в металле значительная часть вдуваемого в ванну кислорода расходуется на окисление железа. При этом увеличивается окисленность шлака, что в сочетании с повышением температуры ванны создает благоприятные условия для растворения в шлаке извести.

На рисунке 7.2 приведены данные об изменении количества жидкой фазы шлака (1) и количества усвоенной шлаком извести (2) по ходу продувки в кислородном конвертере. Можно видеть, что количество усвоенной шлаком извести быстро увеличивается в начальном и конечном периодах плавки при высоком содержании в шлаке оксидов железа.

Изменение количества жидкой фазы шлака и количества усвоенной шлаком извести при выплавке низкоуглеродистой стали в 150-т кислородном конвертере

Рисунок 7.2 – Изменение количества жидкой фазы шлака (1) и количества усвоенной шлаком извести (2) при выплавке низкоуглеродистой стали в 150-т кислородном конвертере.

  7.2 Растворение извести в сталеплавильных шлаках
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ