Металлургические процессы сопровождаются образованием шлаков. Шлаки представляют собой преимущественно расплав оксидов, покрывающий поверхность жидкого металла. В процессе плавления шихты начинается окисление железа и других содержащихся в ней элементов: кремния, марганца, хрома и т. д. В образующемся расплаве частично растворяется футеровка печи. Кроме того, с шихтой в печь вносится песок, миксерный шлак, ржавчина, которые, расплавляясь, также переходят в шлак. Поэтому, даже если не принимать специальных мер по наведению шлака, поверхность металла с после расплавления покрывается слоем жидкого шлака.
В каждый момент плавки шлак должен обладать определенными физико-химическими свойствами, чтобы обеспечить протекание в сталеплавильной ванне необходимых процессов. Для обеспечения требуемых свойств шлака в печь периодически загружают разнообразные шлакообразующие материалы (флюсы), твердые окислители, иногда и металлические добавки, например порошок ферросилиция, а также разнообразные углеродсодержащие материалы (молотый кокс, электродный бой и т. д.). Таким образом, шлак образуется из продуктов физико-химических процессов, протекающих в сталеплавильных ваннах, специально добавляемых флюсов и случайно попадающих материалов. По химическим свойствам оксиды, образующие шлак, делятся на три группы:
- кислотные (SiO2, P2O5, TiO2, V2O5);
- основные (CaO, MgO, FeO, MnO);
- амфотерные (Al2O3, Fe2O3, Cr2O3, V2O3).
Преобладание в шлаке оксидов первой группы делает его кислым, преобладание оксидов второй группы — основным. Решающее влияние на свойства шлака оказывает содержание CaO и SiO2. Поэтому за меру основных или кислотных свойств шлака принимают соотношение процентных содержаний оксида кальция и кремнезема: (%CaO)/(%SiO2). Это соотношение называют основностью шлака. Ниже приводится примерный состав различных типов электропечных шлаков, %:
Результаты изучения минералогического состава твердых шлаков показывают, что в них содержатся многочисленные сложные химические соединения:
- силикаты — FeO·SiO2; (FeO)2·SiO2; MnO·SiO2; CaO·SiO2;
- фосфаты — (FeO)3·P2O5; (CaO)3·P2O5;
- ферриты — FeO·Fe2O3; CaO·Fe2O3;
- тройные соединения — CaO·FeO·SiO2; 3CaO·FeO·2SiO2;
- алюминаты — FeO·Al2O3; CaO·Al2O3;
- сульфиды — CaS и т. д.
Сложные соединения при определенной температуре диссоциируют на простые оксиды, например (FeO•SiO2)=(FeO)+(SiO2). Поэтому в шлаковых системах должны непрерывно проходить процессы как образования сложных соединений, так и их распада. Однако современные методы исследования не позволяют изучить соединении и расплавленных шлаках. В связи с этим существуют два представления о строении шлака — молекулярном и ионном.
