Химические свойства шлаков

Для характеристики химических свойств металлургических шла­ков используют понятия окислительная способность и основность.

Окисление содержащихся в металле примесей углерода, фосфо­ра, кремния и марганца происходит в основном благодаря взаимо­действию металлического расплава со шлаком. Шлак является ис­точником кислорода, поступающего в металл. Этот процесс описы­вается уравнением  (FеО) = [Fе] + [О].

Принимая концентрацию железа в расплаве металла равной еди­нице, получим выражение для константы равновесия:  K_Feo =  [O%]/а_Feo

Железо в шлаке присутствует в виде FеО и Fе₂О₃. Обычно для оценки окислительной способности шлака все железо в нем пересчитывают на FеО. Тогда, общее содержание FеО в шлаке ∑(FеО)=(FеО) + 1,35 (Fе₂О₃).

Активность и содержание FеО в шлаке взаимосвязаны соотношением а_(FеО) =f_(FеО) * (FеО), где  f_(FеО) — коэффициент активности  FеО. На коэффи­циент активности FеО в шлаке оказывает влияние температура шлака, его основность и концентрация оксида. Коэффициенты активности FеО в сильно основных и кислых шлаках различаются незначительно.

При заданных основности и температуре  а_(FеО) в шлаке, содержа­щем до 25% FеО, пропорциональна его концентрации. При основно­сти шлаков 1,8—2,5 активность FеО при одной и той же концентра­ции РеО в 1,5—2,5 раза выше, чем в кислых шлаках. Основность шлa­ка влияет на активность таких оксидов, как МпО, SiO₂, Р₂0₅.

Растворенный в металле и шлаке оксид железа РеО взаимодейст­вует с содержащимися в расплаве примесями (углеродом, марганцем, кремнием, фосфором и др.) с образованием оксидов элементов-при­месей по реакциям:

(FеО) + [С] = [Fе] + СО,

(FеО) + [Мn] = [Fе] + (МnО),

2(FеО) + [Si] = 2[Fе] + (SiO2),

5(FеО) + 2[Р] = 5[Fе] + (Р₂0₅).

В отдельных случаях роль шлака состоит в окислении или восстано­влении тех или иных веществ. Так, реакция взаимодействия шлака с кремнием 2(FеО) + [Si]⇔2[Fе] + (SiO₂) является окислительной по от­ношению к кремнию и восстановительной по отношению к железу.

Процесс дефосфорации под основными шлаками происходит по реакции :

2[F] + 5(FеО) + 4(СаО) = (4СаО*Р₂0₅) + 5[Fе].

Так как (Р₂O5, %) = 0,18(4СаО*Р₂О5, %) и [Fе]≈ 1, константу рав­новесия реакции через концентрации веществ можно записать в ви­де соотношения

К_Р = (Р₂0₅, %)/([Р, %]² * (FеО, %)⁵ (СаО, %)⁴) или

(Р₂0₅, %)/[Р, %]² = Кp * (FeO, %)⁵ * (СаО, %)⁴

Для обеспечения максимальной дефосфорации металла необхо­димо иметь в основном шлаке содержание FеО в пределах 12-17%.

При основности шлака >2,5 оптимальное значение FeO несколько возрастает. С повышением температуры дефосфорирующая способ­ность шлака и величина константы равновесия реакции снижаются. Основные шлаки обладают способностью удалять серу из металла {десульфурировать металл) по реакции:

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

константа равновесия которой имеет вид

K_s = a_(CaS) * a_(FeO)/(a_[FeS]  * a_(СаО))

Распределение серы между металлом и шлаком оценивают коэф­фициентом распределения

Ls  = (S%)/[S%] ≈ a _(CaS)/a _[FeS]
где a _(CaS)   и   a _[FeS] – активности CaS и  FeS соответственно в шлаке и металле.

После подстановки в выражение для константы равновесия полу­чим

Ls = (S%)/[S%] = Ks* a_(CaO)/а_(FeO)

Повышенное содержание CaO в шлаке и низкая концентрация FeO в шлаке способствуют эффективной десульфурации металла. Высокую степень десульфурации металла достигают при уменьше­нии содержания FeO в основных шлаках ниже 1%. С повышением температуры десульфурирующая способность такого шлака повыша­ется. Положительную роль в десульфурации играет интенсивное пе­ремешивание металла и десульфурирующего шлака.