Основные принципы получения заданного химического состава стали
Шлаком называют неметаллический расплав, который образуется на поверхности металла в процессе плавки. Металлургические шлаки имеют разнообразный химический состав. Но шлаки классических сталеплавильных процессов (мартеновский, кислородно-конвертерный, выплавка стали в дуговых электросталеплавильных печах) содержат в своем составе свыше 90% оксидов. Это позволяет охарактеризовать их как оксидные расплавы.
К металлургическим шлакам предъявляется большое количество разнообразных требований, главное из которых заключается в том, что шлак не должен оказывать интенсивного разрушающего воздействия на футеровку сталеплавильного агрегата. С этой целью плавку необходимо вести под шлаком, химический состав которого максимально близок к химическому составу футеровки.
В настоящее время для футеровки сталеплавильных агрегатов применяют два типа огнеупорных материалов. Это кислые огнеупоры, главным компонентом которых является кислотный оксид SiO2, и основные огнеупоры на основе CaO, MgO и др.
Если футеровка агрегата выполнена из кислых огнеупорных материалов, плавку ведут под кислыми шлаками, главным компонентом которых также является SiO2. При температурах заключительного периода плавки концентрация кремнезема в кислых сталеплавильных шлаках достигает 50 – 60%.
Если футеровка агрегата выполнена с использованием основных огнеупоров, плавку ведут под основными шлаками, главным компонентом которых является CaO. При температурах заключительного периода плавки концентрация оксида кальция в мартеновских и кислородно-конвертерных шлаках достигает 45 – 50%. При выплавке стали в дуговых электросталеплавильных печах шлаки нагреты до более высокой температуры, поэтому содержание оксида кальция в них может достигать 50 – 60%.
В зависимости от химического сродства элементов к кислороду и степени возможного их окисления или восстановления в сталеплавильных ваннах в состоянии термодинамического равновесия химические элементы можно разделить на три группы.
К первой группе относят элементы, обладающие значительно более высоким химическим сродством к кислороду, чем железо. В ходе окислительного рафинирования эти элементы окисляются практически полностью, из оксидов шлака восстанавливаются в малой степени. К концу плавки, если реакции окисления элементов приближаются к состоянию термодинамического равновесия, они будут сконцентрированы главным образом в шлаке в виде оксидов и в газовой фазе.
К таким элементам в основном и кислом процессах относятся: кальций, магний, алюминий, цирконий, углерод, редкоземельные металлы. В основном процессе к этой группе элементов относятся также кремний, титан и вольфрам.
Ввод этих элементов в металл целесообразно осуществлять в ковше в процессе выпуска плавки и на установках доводки металла, в промежуточном ковше МНЛЗ, в процессе наполнения кристаллизаторов и изложниц. Если по каким-либо соображениям их необходимо вводить в металл в сталеплавильном агрегате, эта операция должна выполняться в заключительном периоде плавки непосредственной перед выпуском.
Ко второй группе относят элементы, химическое сродство которых к кислороду меньше, чем у железа. При окислительном рафинировании расплавов на основе железа они окисляются в незначительном количестве, а из оксидов шлака восстанавливаются практически полностью. Если реакции окисления элементов приближаются к состоянию термодинамического равновесия, они будут сконцентрированы главным образом в металлическом расплаве.
К элементам этой группы в основном и кислом процессах относятся: медь, никель, кобальт, олово, молибден, мышьяк. В кислом процессе такое поведение характерно также для фосфора и серы. Хотя следует помнить, что в сталеплавильных процессах основное количество серы удаляется из металла в результате реакций, протекание которых не связано с окислением.
Эти элементы могут быть введены в металл в любом из периодов плавки. Но технологически наиболее удобной является подача основного их количества в завалку плавки с последующим вводом корректирующих добавок.
К третьей группе относят элементы, химическое сродство которых к кислороду несколько выше, чем у железа. В ходе окислительного рафинирования расплавов железа эти примеси в значительных количествах способны окисляться и восстанавливаться из оксидов. Поэтому в равновесных условиях они в значительных количествах могут присутствовать и в металле и в шлаке.
Только для элементов этой группы остаточные концентрации примесей в металле и шлаке могут существенно меняться в зависимости от состава шихтовых материалов, температурного и шлакового режимов плавки.
К этим элементам в основном и кислом процессах относятся: марганец, хром, ванадий, ниобий. В основном процессе такое поведение характерно для фосфора и серы, в кислом процессе – для кремния, титана и вольфрама.
Чтобы избежать значительных потерь элементов этой группы в результате окисления, их рекомендуется вводить в ковш по ходу выпуска плавки или на установках доводки металла. При необходимости подачи элементов в металл в сталеплавильном агрегате, эту операцию также следует выполнять в заключительном периоде плавки непосредственно перед выпуском.