Лекция №1 Основные этапы развития сталеплавильного производства

FeO=Fe²⁺ +О^2–. СаО=Са²⁺+О^2–;

МnО=Мn²⁺+О^2–. MgO=Mg²⁺+O^2–;

(FeO)₂·SiO₂=2Fe²⁺+SiO₄^4–

(MnO)₂·SiO₂= 2Mn²⁺+SiO₄^4–;

FeS=Fe²⁺+S^2–; MnS=Mn²⁺+S^2–;

CaF₂=Ca²⁺+2F^–;

 (CaO)₃·P₂O₅=3Ca²⁺+3PO₄^3– 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⁺, Мn²⁺, Са²⁺, Mg²⁺; примеры анионов: О^2–, S^2–, SiO₄^4–.PO₄^3–, FeO₂^–, Si₂O₇^6–.

Состав ионов может изменяться в зависимости от состава шлаков; так, например, в кислом шлаке возможно присутствие следующих сложных ионов, включающих Si₄⁴⁺ и О^2- SiC₄^4-,Si₂O₇^6-,Si₃O₉^6-,  Si₄O₁₂^8-,Si₆O₁₈^12-. 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 О^2-; 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⁺)+(0^2–)↔Fе_ж+[O];

(Fе²⁺)+(S^2–)↔Fе_ж+[S]^–

в случае железистого шлака;

[O]+(S^2–)↔ [S]+(O^2–)

в случае маложелезистого шлака;

(Мn²⁺)+(O₂)↔[Мn]+[O];

 5(Fe²⁺)+2[P]+8(O^2–)↔2(РО₄^3–)+5Fе_ж.

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: , ,

Число молей тех или иных ионов рассчитывают при этом по данным хи­мического состава шлака. Допускает­ся, что , . _, , , 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. Комп­лекс представлений о характере ион­ной связи между составляющими жид­ких шлаков называют ионной теорией шлаков.

Такое 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, SiO₂ — 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·SiO₂, MgO·SiO₂, (MgO)₂·SiO₂, Al₂O₃·SiO₂;

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

алюминаты — FeO·A1₂O₃, CaO·Al₂O₃, MgO·Al₂O₃;

ферриты — FeO·Fe₂O₃, CaO·Fe₂O₃, (CaO)₃·Fe₂O₃, (CaO)_m·(Fe₂O₃)_n.
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).