Активность компонентов шлака

Для расчета активности компонентов шлака используют методику, разрабо­танную В. А. Кожеуровым, приведен­ные выше тройные диаграммы или полуэмпирические формулы. Чаще всего приходится сталкиваться с необ­ходимостью расчета активности такихкомпонентов шлака, как FeO, CaO, SiO₂. При расчетах активности а _(Fео) прежде всего учитывают состав шлака (кислый или основный).

Исследования показали, что содер­жание (FeO) в кислом шлаке, насы­щенном кремнеземом, пропорцио­нально концентрации кислорода в ме­талле [O]/(FeO) = const = L_o, откуда [О] = L_o(FeO), т. е. если вдвое увели­чить содержание (FeO), то вдвое воз­растает и [О]. Другими словами, ак­тивность a_(FeO) в кислом шлаке про­порциональна ее концентрации, по­этому при определении <2(FeO) ^B кислом шлаке в качестве стандартного состоя­ния обычно принимают кислый шлак, содержащий 1 % FeO. Для такого шла­ка fl₍FeO) ⁼ 1- Тогда при содержании в кислом шлаке 2 % (FeO) «(FeO) = 2, а при 3 % (FeO) a_(Fe0) = 3 и т. д.

Для основных шлаков расчеты ак­тивности FeO более сложны, т. е. a _(FeO) ⁼ _(FeO)(FeO)- Коэффициент активности _(FeO) зависит от многих фак­торов, но главным образом от основ­ности шлака. Влияние основности шлака на коэффициент активности FeO показано на рис. 9.5. Это влияние обычно объясняют следующим обра­зом: при введении СаО в шлак в нем образуются сложные силикаты каль­ция (CaO)₂*SiO₂ и (CaO)₄*SiO₂. Это приводит к значительному уменьше­нию общего числа молекул. При од­ном и том же массовом содержании FeO в шлаке мольная доля FeO тем больше, чем меньше общее число мо­лекул, содержащихся в шлаке. Таким образом, повышение основности шла­ка до 1,6-1,8 приводит к увеличению мольной доли FeO при одной и той же массовой концентрации FeO в шлаке и, следовательно, ведет к увеличению активности FeO. При дальнейшем увеличении содержания СаО в шлаке весь кремнезем оказывается связан­ным в силикаты кальция. Избыточ­ный оксид кальция связывается с ок­сидом железа Fe₂0₃ в ферриты каль­ция. Это приводит к уменьшению ак­тивности FeO в шлаке.

Рис. 9.5. Зависимость коэффициента актив­ности FeO в шлаке от его основности при 1600°С

Рассуждая таким же образом, мож­но принять, что кислотные оксиды (SiO₂, P₂O₅) взаимодействуют с FeO и таким образом понижают а _(Fео). Вмес­те с тем если увеличивать содержание СаО и МпО в шлаке, то они образуют с SiO₂ более прочные силикаты, чем силикаты железа, вытесняют FeO из силикатов, в результате чего а _(Fео) увеличивается. Как правило, компонен­тами шлака любого сталеплавильного процесса являются кремнезем и оксид кальция СаО. Для оценки активности этих компонентов в качестве стандарт­ного состояния принимают обычно чистый кремнезем SiO₂, чистый оксид СаО или шлак, насыщенный SiO₂ или СаО. Когда раствор насыщен каким-либо веществом, активность этого ве­щества в растворе может быть принята равной единице.

Например, на заключительной ста­дии плавки в кислой печи шлак обыч­но насыщается кремнеземом, частицы Si0₂ начинают выпадать из раствора и при 55-60 % SiO₂ шлак становится ге­терогенным. Величину а _(SiO)2 в таком шлаке принимают равной единице. При уменьшении концентрации SiO₂ в шлаке а _(SiO)2 уменьшается (рис. 9.6).

В основных шлаках состояние на­сыщения шлака оксидом кальция дос­тигается реже. Кроме СаО основные шлаки содержат обычно значительные количества такого кислотного оксида, как SiO₂ (иногда также и Р₂О₅), в ре­зультате происходит образование си­ликатов кальция и активность СаО уменьшается. В высокоосновных шла­ках а _(SiO)2 ничтожно мала, так как при избытке СаО все количество SiO₂ свя­зано в прочные силикаты кальция. Для изменения активности компонентов шлака обычно используют простые приемы. Например, для повышения а _(СаO) в шлак вводят известь, для повы­шения а _(FеО) — железную руду и т. д.

Рис. 9.6. Актив­ность SiO₂ в кис­лом шлаке

Однако влиять на активность ком­понентов в шлаке и на технологию плавки можно и другими способами. В качестве примера приведем следую­щий технологический прием, который иногда используют при плавке каче­ственной стали в мартеновских печах: введение в конце плавки в высокоос­новный шлак некоторого количества боя шамотного кирпича (шамот состо­ит в основном из SiO₂ и А1₂О₃). В вы­сокоосновном шлаке СаО связан в прочные силикаты, а избыток СаО — в менее прочные ферриты кальция. При введении в такой шлак шамотного боя входящий в его состав кремнезем разру­шает ферриты кальция (CaO)₃*Fe₂O₃ + + SiO₂ + Fe = (CaO)₃*SiO₂ + 3(FeO) с образованием более прочных силика­тов кальция на фоне роста активности оксидов железа.

Химический анализ проб показы­вает, что после присадок шамота в шлаке заметно возрастает содержание SiO₂ и А1₂О₃ и одновременно заметно снижаются основность шлака и содер­жание железа. Снижение содержания железа в шлаке объясняется следую­щим: в момент ввода шамота возрас­тает активность оксидов железа. Следствием повышения а _(FеО) являет­ся интенсивное расходование оксидов железа на обезуглероживание ванны (FeO) + С = СО_Г + Fe, и в пробе шла­ка, отобранной из печи через несколь­ко минут, фиксируется снижение со­держания железа, а в пробе металла — снижение содержания углерода. Та­ким путем добиваются ускорения обез­углероживания ванны и снижения со­держания оксидов железа в шлаке в случае, когда из опасений получить металл с повышенной окисленностью технологические инструкции строго регламентируют содержание оксидов железа в шлаке.