Меню

Роль шлаков при получении металлов



Шлаки в металлургии

Силикатные материалы, получаемые при выплавке из руд металлов, называются металлическими шлаками. Они обладают разными свойствами, в зависимости от процесса их получения, химического состава руды и других факторов. Эти искусственные силикаты состоят из оксидов железа, алюминия, кремния, магния, кальция, серы, марганца и др. В зависимости от процентного соотношения этих окислов, скорости и условий остывания шлаков, они могут получать свойства вулканической пемзы или твёрдого гранита, а также рассыпаться в порошок. Их цвета бывают подобными горным породам: белые, жёлтые, чёрные, зелёные, серые, розовые, серебристые, сиреневые, перламутровые и др. Они могут быть разной плотности, пористости, тяжёлыми или лёгкими. Их удельный вес близок к природным камням. По химическому составу бывают основные, кислые, нейтральные.

Шлаки чёрной металлургии

• Доменные – получают при выплавке чугуна. Представляют собой расплавы силикатные или алюмосиликатные. Из-за низкой плотности (в 2 раза меньше, чем у чугуна) они образуются сверху над расплавленным слоем чугуна и периодически удаляются через летку. Возможность его использования зависит от химического состава и способа выхода из домны. Он может при охлаждении получить свойства плотного камня или постепенно рассыпаться в порошок. Плотный материал используется в качестве щебня, стоимость которого значительно меньше натурального, а свойства не уступают. Для проверки пригодности доменных шлаков в производство щебня проводится специальный контроль его качества.

• Сталеплавильные – побочный продукт при любом способе получения стали в открытых агрегатах. Состоит из нелетучих различных оксидов с меньшей плотностью, чем сталь, которые собираются на поверхности расплава. Их источники: продукты, полученные при окислении примесей, содержащихся в чугуне и ломе, добавочные окислители и материалы, внесённые загрязнения (миксерный шлак, песок) и др. Содержат большее количество оксидов железа (20 %) и марганца (10 %).

• Ваграночные образуются при плавке чугуна в вагранке из продуктов окисления чугуна, золы кокса, остатков в виде пригара формовочной смеси, флюса. Основные составляющие ваграночного шлака – оксиды (80 – 90 %). При таком способе производства получаются в большинстве кислые шлаки с выделением минералов (рудных, мелилитов, пироксенов, анортитов), алюмокремнезернистого стекла.

• Ферросплавные – получают в процессе производства ферросплавов. Различаются по добавленным к железу химическим элементам: хрому, марганцу, кремнию и др.

Шлаки цветной металлургии

Для них характерны: высокое содержание оксидов железа, пониженный состав оксидов магния и кальция. Свойства шлаков цветной металлургии зависят от их химического состава. Отличаются от шлаков чёрной металлургии большим удельным весом, разнообразием, дополнительным содержанием ценных редких металлов. Если при выплавке чёрных металлов выход шлаков на 1 т металла составляет 0,1 – 0,7 т, то в цветной металлургии при получении 1 т металла – 100 – 200 т шлаков.

Способы переработки и применение

Самый распространённый способ переработки – грануляция. Происходит путём охлаждения массы водой, воздухом, паром.

• Мокрый способ. Обработка вытекающего из доменной печи раскалённого шлака сильной струёй воды, подаваемой через специальные насадки. Шлак дробится под напором воды и отправляется в бункер до окончательного охлаждения. Его продувают воздухом, в результате чего он остывает и обезвоживается.

• Полусухой способ. Вытекающий из домны шлак попадает на лопасти вращающегося барабана. Небольшое количество воды, подаваемой в желоб, резко охлаждает и делает шлак твёрдым. Затем он попадает в барабан, где дробится и окончательно остывает, отлетая в сторону.

Гранулируются в основном доменные шлаки, которые в большинстве используются в цементной промышленности. Также в этой отрасли распространено применение шлаков ферросплавов, сталеплавильных, цветной металлургии. Из них производят обладающий высокой химической стойкостью цемент, который можно применять даже в агрессивных средах. Получают путём совместного помола металлургического шлака, гипса и извести. Шлаки также используют в качестве активных добавок к портландцементному клинкеру или вместо глины. В зависимости от взятых пропорций, получают обычный цемент или с повышенной стойкостью.

Шлакощелочные цементы получают при совместном помоле гранулированных шлаков, каустической или кальцинированной соды, жидкого стекла. Такие гидравлические вяжущие водостойкие, термостойкие, с высокой прочностью, биостойкие, устойчивы к коррозии. Изготовленные с их добавлением бетоны выдерживают воздействие нефтепродуктов, слабых кислот, твердеют при низких температурах.

Широко используется в строительстве шлаковый щебень, который успешно заменяет натуральный. Получают его путём дробления отвальных шлаков или литья по специальной технологии. Перед применением он проверяется на устойчивость к распаду.

Материал прочный на истирание, выдерживает высокие и низкие сезонные температуры. Используется в качестве наполнителя для различных видов бетонов.

Читайте также:  Почему щелочноземельные металлы хранят под слоем керосина

Для тяжёлых изделий из бетона крупным наполнителем служит отвальный или литой щебень, а для мелкого – гранулированный шлак. Для лёгких изделий предназначен щебень из шлаковой пемзы, которую получают путём вспучивания с применением минеральных газообразователей при быстром охлаждении шлаковой массы. Затем она дробится на фракционный щебень.

Этот материал нашёл широкое применение и в дорожном строительстве как надёжный и при этом дешёвый материал. Используется для подготовки оснований, а также в производстве шлаковых вяжущих для дорожных покрытий, приготовления асфальтобетона.

Способом шлакового литья получают плитки и камни для мощения тротуаров, изготовления бордюров, напольные покрытия для внутренних помещений, трубы, фасадные плиты и другие изделия. Они по многим качествам не уступают железобетонным и стальным аналогам. Их получают при разливе в формы расплавленных металлургических шлаков, поступаемых прямо из доменных печей. Такой производственный процесс очень экономичен – не требуются дополнительные ресурсы на расплавку сырья, его транспортировку и хранение. Технология изготовления проста, литьё таких изделий экономически выгоднее, чем изготовление искусственного камня, а механические свойства мало чем отличаются.

Из металлургических шлаков получаются превосходные материалы – шлакоситаллы. Они состоят из стекловидной аморфной массы и мельчайших стеклянных кристаллов. Бывают разных видов и цвета. Свойства зависят от исходного сырья и технологии изготовления. Процесс происходит в стекловаренной печи. Сырьём служат металлургические шлаки, песок и другие добавки. Шлакоситаллы отличаются высокой прочностью, близкой к чугуну и стали, но при этом они в 3 раза легче. Эти материалы легко обрабатываются и очень востребованы в строительстве. Они хорошо сверлятся, шлифуются, режутся. Широко используются для изготовления прочных изделий и в качестве отделочных материалов: труб, подшипников, оптических приборов, электроизоляторов, мелющих деталей механизмов, химического оборудования, облицовочных плит для фасадов и внутренних стен, напольных покрытий, подоконников, кровли, ограждений балконов и др.

Из металлургических шлаков изготавливают шлаковую вату, которая идёт на производство теплоизоляционных изделий. Из доменных шлаков получают около 80% минеральной ваты. Используются для этого также шлаки цветной металлургии, мартеновские, ваграночные. Выбирается сырьё с оптимальной вязкостью для получения минерального волокна методом вытягивания. В ванных печах или вагранках получают шлаковый расплав, который затем перерабатывается в волокно. Вату изготавливают 3-х типов: для плит повышенной жёсткости, для полусухого прессования изделий, для горячего прессования. На основе минваты получают различные изделия (плиты, цилиндры), где в качестве связующих применяют битумы, эмульсии, синтетические полимеры.

Источник

Роль шлака при производстве стали

Шлаковый расплав является побочным, вспомогательным и неизбежным продуктом плавки, но при производстве стали шлак выполняет ряд следующих важных технологических функций.

1. Сорбция – поглощение шлаком вредных примесей (S, P), а также неметаллических включений, всплывающих к границе раздела металл – шлак в результате перемешивания и обработки металлического расплава. Всплывание включений происходит в результате разницы в плотностях между включением и металлом.

ρMe >> ρНВ (6,9 кг/м 3 >> 2 — 3 кг/м 3 )

2. Защитные свойства. Защитные покровные свойства шлаков обеспечивают предотвращение насыщения объема металлического расплава газовыми примесями (H2 и N2), источником которых является газовая атмосфера.

3. Шлаковый расплав способствует передачи тепла от источника тепла (электрическая дуга, факел) в объем металлического расплава с целью поддержания заданного температурного режима. Кроме того, шлак защищает металл от температурных потерь.

4. Шлак является передатчиком кислорода из газовой фазы к металлическому расплаву.

Состав шлаков (периодов плавления, окисления) будет определяться конструкцией печи, характером футеровки (кислая, основная), наличием или отсутствием систем охлаждения стенок свода (при наличии в шлак будет поступать меньше оксидов магния и хрома и шлак будет менее вязким), удельной мощностью трансформатора, газоотводом, составом шихты (рассказать про МС – поступление пустой породы).

Подавляющая часть дуговых печей работают с основной футеровкой: MgO, MgO+C и только несколько десятков печей в литейных цехах имеют кислую футеровку (динас – SiO2).

В том случае, если выплавка электростали проводится на современных высокомощных печах (удельная мощность трансформатора составляет 600 – 1000 кВ*А/т) шлак предназначен в основном для удаления фосфора.

На печах малой и средней мощности (250 – 450 кВ*А/т) печной шлак также помимо дефосфорации активно участвует в процессах десульфурации. На печах малой и средней мощности для шлакообразования дают руды и извести порядка 1,5 – 2,0% от массы завалки.

Читайте также:  Электрический напильник по металлу своими руками

В зависимости от мощности печного трансформатора и интенсивности подачи газообразного кислорода в ванну процесс образования шлака происходит без введения руды. Если печь работает с болотом (остаток 15 – 20% металла предыдущей плавки + приблизительно 50% шлака предыдущей плавки) окисление железа происходит очень интенсивно. В результате мы имеем следующие положительные моменты:

— отсутствие присадки руды;

— значительный вклад в энергетический баланс от окисления железа.

Отрицательный момент – повышенный угар металлозавалки.

Эти печи, как правило, работают на подготовленном товарном ломе, то есть используют 3 корзины в завалку, а то и больше. Поэтому интенсивное применение кислорода приводит к повышенному износу футеровки и окислению электродов.

Основность шлака зависит от удельной мощности трансформатора. На печах маломощных (250 – 450 кВА/т) основность шлака плавления поддерживают на уровне 1,7 – 2,0 (% CaO/ % SiO2), а на высокомощных (800 – 1200 кВА/т) можно иметь основность 2,5 – 3,0, Это обеспечит более глубокую десульфурацию в период плавления, а также частичное удаление серы (20 – 25%).

Рис. 3.4. Зависимость основности шлака от уд. Мощности трансформатора

Рис. 3.5. Зависимость количества удаляемого фосфора (%) от основности шлака

Необходимо учитывать, что при любой мощности трансформатора и при любой температуре порядка 8-12% извести находится в шлаке в твердом состоянии (нерастворенная – шлак гетерогенен) и практически не принимает участие в дефосфорации и десульфурации

Температурный режим процессов плавления и окисления будет определяться интенсивностью удаления фосфора. Все реакции по окислению фосфора идут с большим выделением тепла, поэтому при высоких температурах наблюдается процесс рефосфорации. Подавить переход фосфора из шлака в металл можно путем постоянного скачивания высокофосфористого шлака и наведением нового шлака путем присадки извести при температуре не ниже 1000 °С.

Рис. 3.6. Зависимость изменения содержания фосфора в металле от температуры

В печах с высокой мощностью трансформатора шлак плавления и окисления должен обеспечить удаление фосфора на 70 – 80%. Причем большая часть уходит вместе со шлаком плавления, так как окислительный период занимает 15 – 20 мин, температура составляет 1650 °С и дефосфорация замедляется.

Удаление серы в мощных печах происходит при ВПО. В ЭДП происходит дефосфорация, расплавление и фиксация углерода, все остальные операции переносятся в ковш на ВПО.

В современных печах работают на длинных дугах, чтоб вводить максимальную мощность в объем печи. Чтобы избежать сильного воздействия излучения на футеровку и на электроды проводят вспенивание шлака путем вдувания углеродсодержащих материалов (углерод, коксик). Вспенивание создают пузырьки СО.

Для вспенивания необходима пониженная основность шлака. Чтобы уменьшить пропитку футеровки шлаками в футеровку добавляют углерод до 15% по массе.

Для удаления Р необходимо повышенное содержание CaO, повышенное содержание FeO, а для вспенивания – эти компоненты вредны. Вспенивание шлака кроме защиты футеровки, защищает и боковые поверхности электродов (боковой износ).

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

РОЛЬ ШЛАКА

Жидкий металл в процессе плавки и разливки постоянно находится в кон­такте со шлаком и взаимодействует с ним. Состав шлака, его температура, жидкоподвижность и другие парамет­ры оказывают решающее влияние на процесс плавки и качество металла. Основная задача сталеплавильщика — удалить из металла вредные примеси (обычно это сера и фосфор). Задача решается путем перевода этих нежела­тельных примесей из металла в шлак и создания условий, препятствующих их обратному переходу из шлака в ме­талл. Изменяя состав шлака, его свой­ства и температуру, можно также регу­лировать содержание в металле мар­ганца, кремния, хрома и других при­месей. Поэтому сталеплавильщик для выплавки качественной стали должен прежде всего получить шлак необхо­димых заданных состава и консистен­ции.

Обычно к сталеплавильному шлаку технологи предъявляют определенные требования.

1. Шлак должен обеспечивать не­обходимую степень удаления вредных примесей из металла.

2. В окислительные периоды плавки шлак должен обеспечивать интен­сивный переход кислорода из атмос­феры агрегата через шлак в металл.

3. В другие периоды, а также в ков­ше после выпуска плавки шлак дол­жен препятствовать переходу кисло­рода из атмосферы в металл.

4. Шлак должен препятствовать процессам перехода газов (азота и во­дорода) из атмосферы в металл.

5. Удаляемый из агрегата шлак не должен содержать большого количе­ства железа, так как в этом случае сте­пень использования железа шихты снижается.

Читайте также:  Краска на водной основе для металла без запаха

6. Во время плавки стали в подовых печах (нагрев сверху) шлак должен хо­рошо передавать тепло металлу.

7. Во время разливки шлак должен препятствовать охлаждению металла, находящегося в ковше, т. е. сдержи­вать температуру.

8. Во многих случаях к шлакам предъявляют дополнительные требо­вания (например, к составу шлака, если его используют для изготовления строительных или других материалов, для дорожных покрытий, для извест­кования или удобрения почвы, для из­влечения из металла таких ценных примесей, как ванадий, титан, хром и т.д.).

Из приведенного следует, что тре­бования к шлаку разнообразны. Для получения шлака заданного состава в него вводят расчетное количество до­бавок (шлакообразующих материа­лов). В необходимых случаях прибега­ют к операции скачивания шлака, т. е. определенное количество шлака (иногда почти 100 %) удаляют (скачи­вают) из агрегата, а затем, вводя необ­ходимое количество требуемых доба­вок, формируют (наводят) новый шлак заданного состава. Операция скачивания и обновления шлака мо­жет проводиться дважды, а в некото­рых случаях и трижды.

Источник

Роль шлаков в сталеплавильных и ферросплавных процессах

Многообразие назначений сталеплавильных и ферросплавных шлаков используют при осуществлении конкретных технологических операций. Так, с помощью кислых шлаков, насыщенных кремнеземом из футеровки печи, окисляют такие компоненты шихты, как углерод, марганец и кремний. В силу своих природных свойств высококремнистые шлаки не обладают способностью удалять из металла серу и фосфор.

Поэтому содержание фосфора и серы в кислой стали определяется только качеством переплавляемой шихты. Шлак основного процесса в дуговых печах обогащен СаО и MgO. Во время расплавления шихты и в окислительный период под основным содержанием FeO шлаков удаляются фосфор, некоторое количество серы и частично азот и водород. Основные шлаки могут быть также и восстановительными по отношению к большинству легирующих элементов. Поэтому под основными шлаками выплавляют высоколерованные сплавы, при этом снижают содержание серы в металле до уровня, не достижимого ни при каком ином сталеплавильном процессе.

Основные шлаки дуговых печей позволяют использовать менее качественные шихтовые материалы и получать при этом широкий ассортимент легированных сталей и сплавов требуемого качества. При производстве ферросплавов температурой плавления шлака предопределяют температуру металла и многие особенности плавки. В качестве примера приведем получение углеродистого феррохрома.

Тепло, выделяющееся на концах электродов, расходуется на нагрев шихтовых материалов и на повышение температуры шлака. Чем выше температура шлака, тем скорее расплавляются шихтовые материалы. Перегрев шлака выше температуры его плавления обычно составляет 100-150 °С и зависит от теплопроводности шлака. Образующийся ферросплав получает тепло в основном за счет теплопередачи от шлака, поэтому его температура ниже температуры шлака и поэтому для выплавки металла, температура плавления которого равна 1500 °С, не применяют шлаки с температурой плавления ниже 1500 °С. Применение более легкоплавких, чем металл, шлаков приводит к расплавлению всей находящейся в печи шихты и нарушению непрерывности процесса получения феррохрома.

Физико-химические свойства шлаков, по сути, определяют структуру и особенности технологических процессов выплавки стали и производства ферросплавов в электрических печах.

В дуговых печах, особенно в крупных печах с глубокой ванной, скорости процессов раскисления и десульфурации весьма малы и пропорциональны удельной поверхности взаимодействия металла и шлака, приходящейся на единицу объема металла.

Наиболее простым способом существенного увеличения поверхности взаимодействия металла и безжелезистого основного шлака является их совместный выпуск через тщательно разделанное сливное отверстие из печи в ковш с достаточной высоты. Интенсивное перемешивание реагирующих фаз способствует эмульгированию (дроблению) шлака в металле на мелкие капли. При этом удельная поверхность взаимодействия зависит от степени дисперсности капель шлака. Если принять, что капли шлаковой эмульсии имеют при малых их размерах форму шара, то удельная поверхность взаимодействия металла и шлака

Fу д = F/V= 4 *π *R 2 /4/3*π*R 3 = 3/R,

где F – поверхность шлака; V- объем металла; R – радиус шара.

С уменьшением радиуса шара в n раз поверхность увеличивается также в n раз, т. е. Fу д — 3n/R. Установлено, что максимальное влияние на степень эмульгирования шлака в металле при выпуске из печи оказывают:

  • • межфазное натяжение на границе металл—шлак;
  • • высота падения струи металла в ковш;
  • • размеры выпускного отверстия;
  • • жидкотекучесть шлака.

Рациональное сочетание перечисленных параметров позволяет организовать обработку металла при выпуске из дуговой печи как собственным восстановительным шлаком, так и синтетическим шлаком, приготовляемым отдельно в дуговой шлакоплавильной печи.

Источник