1.3.4. Диаграммы состояния шлаковых систем

В качестве диаграмм состава и свойств шлаков используется равносторонний треугольник, каждая из сторон которого представляет 100% оксида, расположенного в вершине. Отсчет как правило ведется по часовой стрелке. Встречаются диаграммы, где отсчет ведется против часовой стрелки и в этом случае стрелками обозначают направление отсчета каждого из 3^х оксидов, 100% которых расположены в вершинах. Любой многокомпонентный шлак условно пересчитывают на трехкомпонентный, например, SiO₂; Аl₂O₃; СаО и составы таких шлаков соответствуют определенным точкам внутри треугольника. На рис. 36 точка А соответствует трехкомпонентному шлаку из 10% Аl₂O₃; 50% СаО и 40% SiO₂ (реальный шлак: Al₂O₃ - 8,6%; СаО- 45,8% и SiO₂ - 37,2%; MgO - 5,6%; МnО - 0,4%; FeO - 0,30%; S - 2,1%). Если состав шлака состоит из Аl₂O₃ - 15%, CaO – 47 % и SiO₂ - 38%, то на диаграмме такому шлаку будет соответствовать точка Б. Для первичных шлаков в большей мере отвечает диаграмма из пересчитанных на 100% оксидов CaO; SiO₂ и FeO. Для магнезиальных шлаков большой интерес представляет диаграмма из оксидов MgO – SiO₂ – Аl₂O₃ - СаО. Тройные диаграммы используют для описания свойств шлаков, например, температур плавления, теплосодержания, вязкости, состояния тройных систем, фазовых равновесий и др. Для этой цели на диаграмме наносят линии, все точки которых соответствуют шлакам с одинаковыми свойствами. Так на рис. 1.36 представлены температуры плавления шлаков системы SiO₂ – Аl₂O₃ - СаО. Видно, что область доменных шлаков с начальной температурой плавления 1250-1300⁰С весьма ограничена. Однако температура плавления не определяет еще пригодность шлака для доменной плавки. Так шлак состоящий из 62% SiO₂, 14,75% Al₂O₃ и 23,25% СаО плавится при 1156⁰С, а становится достаточно текучим (0,4-0,35 Па^.с) при 1600⁰С. Для доменных шлаков важно, чтобы разница между температурой начала плавления и температурой при которой вязкость становится равной или менее 0,3-0,35 Па^.с, была небольшой в пределах 50-60⁰С. Иногда указанная разница может достигать 80-100⁰С, если в горне высокие температуры при ровном ходе печи и устойчивом ее нагреве. Как правило, данные условия соблюдаются при выплавке литейных чугунов и ферросплавов.

Следовательно, как уже упоминалось ранее, наиболее важным фактором при оценке доменных шлаков является их вязкость при достигаемых в печи температурах. В зоне первичного шлакообразования при температурах 1200-1250⁰С важнейшим фактором является FeO. На рис. 1.37 представлена диаграмма вязкости шлаков системы СаО - SiO₂ - FeO при содержании 5% Аl₂О₃ и температуре 1200⁰С. Видно, что при сравнительно низкой температуре (1200⁰С) в районе реальной основности по отношению СаО/SiO₂ (0,6-1,2) вязкость первичного шлака составляет 0,3-0,5 Па^.с при содержании от 20 до 40% FeO. Известно, что даже в лучшем случае использования восстановительной способности печных газов (r_d =0,2-0,3) в первичных шлаках содержится не менее 20-25% FeO. В первичных шлаках с повышением содержания Al₂O₃ вязкость несколько возрастает если одновременно не увеличивается температура шлака. Как ранее отмечалось, температура плавления глиноземистых шлаков сравнительно высокая и основная масса Al₂O₃ переходит в промежуточные шлаки в нижней части заплечиков и в горне. На рисунке видно также, что подвижность первичного шлака резко снижается при увеличении его основности. Однако на практике это не сильно сказывается на текучести первичного шлака, т.к. основное количество оксида кальция переходит в промежуточные шлаки на более низких горизонтах печи. Таким образом, несмотря на сравнительно низкие температуры первичного шлака, он обладает хорошей подвижностью и свободно проходит через коксовую насадку.

Во время стекания через коксовую насадку капель промежуточного шлака FeO из него восстанавливается и его количество в промежуточных шлаках уменьшается. Это должно снижать и текучесть шлака, однако на практике этого не происходит. Во-первых потому, что вследствие хорошей подвижности шлак опускается достаточно быстро в зону высоких температур и, омывая раскаленные куски кокса, прогревается. Во-вторых, основность шлака возрастает и растет его теплосодержание. Кроме того, в шлак в этот момент начинает переходить сера, которая снижает его вязкость. Увеличивается количество MgO, также в значительной мере снижающего вязкость. На рис. 1.38 показано изменение вязкости шлаков в системе СаО – Al₂O₃ – SiO₂ (а) и MgO – SiO₂ - СаО при 5%А1₂O₃ с добавкой 2% S; 1,0%FеО; 1,0% МnО; 0,5% К₂О (б). Вязкость шлака в обоих указанных случаях при температуре 1400⁰С изменяется от 0,6-1,5 Па*с для трехкомпонентной системы до 0,25-0,30 Па с для той же системы с добавкой 2-3% MgO, 1,5-2,0% S; 1,0% FeO; 1,0% MnO и 0,5% K₂O. Состав последнего шлака отвечает, примерно составам реальных промежуточных шлаков и указывает на их хорошую текучесть при снижении содержания FeO c 2030 до 1,0%.

Необходимо отметить, что в промежуточных шлаках содержание серы не достигает 1,2-2,0% как это имеет место для шлака, вязкость которого представлена на рис. 1.38, б. Однако главным разжижающим компонентом является MgO, содержание которого в широком диапазоне (2-12%) значительно снижает вязкость шлака. Кроме того, снижают вязкость шлака фтористые соединения, TiO₂ (до 10%) и др. [41,43,44,2,3].

Из рассмотрения указанных выше факторов, влияющих на текучесть шлаков, следует, что вязкость как первичных, так и промежуточных, а в общем случае и конечных доменных шлаков зависит от количества компонентов увеличивающих или уменьшающих текучесть соответствующих шлаков. В справочниках имеются диаграммы зависимости вязкости шлаков от содержания TiO₂, Ti₂O₃, BaO; МnO; диаграммы температур начала кристаллизации шлаков, их поверхностного натяжения и др. Поэтому благодаря соответствующим диаграммам можно определить различные свойства шлаков, представляющих интерес для металлургов.