Химические свойства шлака

Окислительная способность шлака

Процесс перехода кислорода из шлака в металл описывается уравнением

(FeO) = [Fe] + [О].  (45)

Концентрация железа в металле равна единице, тогда константа равновесия реакции (45) определяется выра­жением

K_FeO = [O,%]/(а_FeO).  (46)

В шлаке железо находится в виде двух- и трехвалент­ного, т. е. если исходить из молекулярного строения шла­ка, то в виде FeO и Fe₂O₃. При анализе окислительной способности шлака в большинстве случаев принято все железо в шлаке пересчитывать на двухвалентное, т. е. на FeO:

(FeO) = (FeO´) + 1,35 (Fe₂O₃),   (47)

где (FeO´), (Fe₂O₃) — содержание в шлаке соответствен­но FeO и Fe₂O₃.

Содержание и активность FeO связаны соотношением

a_FeO = f_FeO (FeO),  (48)

где f_FeO— коэффициент активности FeO.

Для сталеплавильных шлаков коэффициент активно­сти FeO зависит главным образом от температуры и ос­новности шлака. На рис. 9 приведена зависимость коэф­фициента активности FeO от основности шлака при 1600° С. Как видно, коэффициент активности FeO в сильно основных и кислых шлаках различается незначительно. При одной и той же основности шлака и посто­янной температуре при содержании до 25% FeO значе­ние f_FeO остается постоянным и, следовательно, актив­ность FeO становится пропорциональна его концентрации (рис. 10). При дальнейшем повышении содержания FeO в шлаке увеличение его активности происходит в меньшей степени, чем концентрации.

Десульфурирующая и дефосфорирующая способность шлака

В молекулярной форме реакция удаления серы из металла (десульфурация) в основной шлак опишет­ся уравнением

[FeS] +(CaO) = (CaS) + (FeO),

а константа равновесия

Десульфурирующая способность шлака обычно оценивается коэффициентом распределения серы

L_s = (%S)/[%S].     (51)

Коэффициент распределения серы L_s прямо пропор­ционален отношению (a_CaS)/[a_Fe]. Из выражения (51) следует

Десульфурирующая способность шлака возрастает с повышением активности CaO и уменьшением активности FeO. Между активностями СаО и FeO, с одной стороны, и их содержанием, с другой, существует прямо пропорциональная зависимость. Поэтому повышение содержания CaO в шлаке и уменьшение концентрации в нем FeO способствуют улучшению десульфурации металла, переходу серы из металла в шлак.

Однако следует иметь в виду, что десульфурация заметно улучшается при уменьшении содержания FeO в шлаке только с 10 до 0,5%. При содержании в шлаке 10—20% FeO десульфурирующая способность шлака остается неизменной, а при более высоком содержании иногда даже наблюдается улучшение десульфурации металла. Подобное явление объясняется тем, что при повышенном содержании FeO в шлаке часть серы связывается в виде сульфида железа FeS.

Под основными шлаками окисление фосфора (дефосфорация) происходит по следующей реакции:

4 [Р] + 5 (FeO) + 4 (CaO) = (4CaO·P₂O₅) + 5[Fe].                                                                       (53)

Поскольку (%P₂O₅)=0,18 (%4CaO·P₂O₅), а концен­трация железа в металле равна примерно единице, т. е. [Fe]≈1, то постоянную равновесия реакции (53) через концентрацию компонентов можно записать

Для обеспечения дефосфорации металла, согласно выражению (55), необходимо иметь в шлаке повышенное содержание СаО и FeO. Однако при высоком содержа­нии CaO в шлаке образуются ферриты кальция (CaO·Fe2O3), что уменьшает долю CaO, способного взаимо­действовать с P₂O₅. Поэтому, как показывают опыты, для обеспечения максимальной дефосфорации металла необходимо иметь определенное соотношение FeO и СаО и значение основности шлака (% СаО)/(% SiO₂). Мак­симальное значение коэффициента распределения фос­фора (% P_2O5) / [ % P] наблюдается при содержании 12—17% FeO, причем с повышением основности шлака оптимальное значение содержания FeO несколько воз­растает (рис. 11). Согласно данным ряда исследований, константа равновесия реакции (53) Кр уменьшается с повышением температуры; поэтому дефосфорирующая способность шлака выше при пониженных температурах.