Proprietățile fizico-chimice și fizice ale zgurii determină în mare măsură viteza și gradul de dezvoltare a proceselor care au loc în timpul topirii oțelului. Formarea rapidă a zgurii active din punct de vedere fizic și chimic asigură eliminarea sulfului și a fosforului, reduce pierderile de metal prin explozii și corole de metal rămase în zgură, crește durabilitatea căptușelii. Zgura vâscoasă este inactivă din punct de vedere fizic. Procesele de interacțiune a acesteia cu metalul sunt încetinite; are o capacitate scăzută de rafinare. Cu astfel de zgură crește pierderea de metal cu corole, precum și cu îndepărtarea stropirii. Aceste izbucniri duc adesea la metalizarea tuyerei și la formarea de depuneri pe gâtul convertorului. Fluiditatea excesivă a zgurii nu este, de asemenea, de dorit din cauza distrugerii crescute a căptușelii convertorului.
În procesul de topire a oțelului în convertizoare cu oxigen și în BSP, condițiile de formare a zgurii și, în consecință, regimurile zgurii sunt diferite. Dar principalele regularități ale formării zgurii și cerințele privind proprietățile sale fizice și fizico-chimice în aceste unități sunt comune: necesitatea de a obține până la sfârșitul topirii o zgură omogenă, suficient de fluidă, activă din punct de vedere fizic și chimic, cu o bazicitate (%CaO)/(SiO2) = 3,0-3,5. Formarea rapidă a acestor zgurii este de dorit atât pentru reducerea duratei de topire și creșterea productivității, cât și pentru reducerea uzurii zidăriei refractare, ceea ce determină, de asemenea, o creștere a productivității unității siderurgice și reducerea costurilor de producție.
Sursele de formare a zgurii sunt oxizii — produși de oxidare ai impurităților de încărcare, materialele în vrac (minereu de fier, var etc.) încărcate în convertor sau în cuptorul cu arc, căptușeala. De o importanță deosebită pentru formarea zgurii este varul, încărcat în baie pentru a obține proprietățile fizice și chimice necesare zgurii și are o influență decisivă asupra vitezei de formare a acesteia.
Punctul de topire al varului este de aproximativ 2500 °C, iar temperatura zgurii ≤ 1250-1500 °C. Prin urmare, una dintre cele mai importante sarcini ale reglării regimului zgurii este o rată suficient de mare de asimilare a varului de către zgură, în principal la o temperatură relativ scăzută. Datorită faptului că temperatura băii, în special în timpul perioadei de topire, este mult mai scăzută decât temperatura de topire a varului, această asimilare poate avea loc numai ca urmare a dizolvării.
Dizolvarea varului în zgură are loc în mai multe etape, dintre care principalele sunt următoarele:
1. Pe suprafața bulgării de var se formează o peliculă de soluție saturată de CaO cu o concentrație (Cn) mai mare decât concentrația de CaO în volumul lichid (C). Formarea filmului este însoțită de formarea de soluții solide și lichide, precum și de compuși chimici ai sistemului CaO-FeO-MnO-SiO2. Rata de dizolvare ulterioară este determinată de rata transferului de masă prin acest film. Exprimată prin schimbarea masei de CaO (G) pe unitatea de timp τ, această rată poate fi descrisă prin ecuația
Unde k este constanta de viteză; F este suprafața bucății de var;D este coeficientul de difuzie în film.
2. Penetrarea zgurii lichide prin pori și limite de grăunți cu dezvoltarea proceselor menționate la suprafață.
3. Topirea și trecerea la zgură a straturilor de suprafață (film).
După cum au arătat studiile experimentale, rata de asimilare (dizolvare) a varului de către zgură este limitată de rata de transfer de masă a CaO prin filmul format pe piesă. După cum se poate observa din ecuația (1), rata transferului de masă crește odată cu creșterea constantei de viteză k, care este egală cu raportul dintre coeficientul de difuzie (D) și grosimea filmului (δ), precum și odată cu creșterea suprafeței de contact a bucății de var cu topitura de zgură. Grosimea peliculei scade, iar constanta ratei de dizolvare crește corespunzător odată cu creșterea intensității agitației zgurii, ceea ce determină spălarea peliculei. Rata de asimilare a varului crește, de asemenea, odată cu creșterea suprafeței fazei solide. O astfel de creștere este favorizată de pătrunderea zgurii lichide prin porii și limitele granulare ale varului.
Compoziția zgurii are o mare influență asupra ratei de asimilare a varului de către zgură. Influențează în mod deosebit conținutul de FeO, odată cu creșterea căruia rata de dizolvare a CaO în zgură crește semnificativ, în special brusc cu creșterea conținutului de FeO în intervalul ≤ 25-30 %. Astfel, conform experimentelor cu dizolvarea unui disc rotativ de var în zgură, odată cu creșterea conținutului de FeO în această zgură de la 5 la 30 %, rata de dizolvare a crescut de la 0,05 la 0,50 kg/(m 2-s). Rata de asimilare a varului a crescut, de asemenea, odată cu creșterea conținutului de MnO în zgură. Influența conținutului de SiO2 din zgură asupra ratei de dizolvare a varului în aceasta nu este univocă. Odată cu creșterea acestuia până la ∼20-25 %, rata de asimilare a varului crește, atingând valoarea maximă. La acest conținut de SiO2 în zgură, pe suprafața bucăților de var se formează silicatul 2CaO-SiO2, al cărui punct de topire este de 2130 °C. Acest lucru împiedică în mod semnificativ dizolvarea varului și încetinește dezvoltarea procesului. În condiții reale de topire a oțelului, rata minimă de dizolvare a varului în zgură apare la o bazicitate (%CaO)/(%SiO2) ≈ 1,7-2,2. MgO reduce vâscozitatea zgurii și accelerează asimilarea varului la un conținut ≤ 6 %.
În convertorul de oxigen și în instalația discontinuă există posibilități diferite de utilizare a regularităților de zgură menționate și, în consecință, operațiuni tehnologice diferite de intensificare a acesteia.
Scurgerea în convertorul de oxigen. O caracteristică distinctivă a procesului de conversie a oxigenului cu suflare de oxigen de sus este formarea rapidă de zgură cu conținut ridicat de (FeO), care favorizează dizolvarea varului (fig. 2). Pentru a utiliza această caracteristică, prima porțiune de var (30-50 % din consumul total) este plasată fie pe fundul convertorului, fie pe resturi, fie chiar la începutul suflării. A doua și a treia porțiune se plantează la intervale de 2-3 minute, astfel încât 90 % din cantitatea totală de var să fie introdusă în prima jumătate a suflării. Formarea intensivă de zgură activă din punct de vedere fizic și chimic, fără emisii și explozii semnificative, precum și fără descărcarea zgurii, este asigurată prin reglarea nivelului de tăiere a tuyerei deasupra băii, precum și prin aditivii în vrac.
Oxidarea intensivă a carbonului duce la un consum semnificativ de FeO și la o scădere a conținutului acestuia în zgură aproximativ până la mijlocul purjării cu oxigen (a se vedea figura 2). Conținutul de (MnO) scade, de asemenea. În consecință, temperatura liquidus a zgurii crește și în ea precipită o fază solidă de cristale de ortosilicat (2CaO-SiO2) și de oxid de calciu (CaO). Zgura se „coagulează” — devine eterogenă, vâscoasă. Jetul de oxigen și bulele de CO emise din zona de reacție împing astfel de zgură la periferia pereților convertorului, expunând metalul din zona centrală. Acest lucru determină creșterea pierderilor de fier cu fum și explozii. Formarea zgurii încetinește, iar bazicitatea părții lichide rămase din zgură scade. Coagularea zgurii apare mai ales în cazul lucrului cu fontă cu conținut scăzut de mangan (< 0,5 % Mn) вследствие низкого содержания MnO в шлаке. Для устранения свертывания шлака в середине продувки в ванну вводят плавиковый шпат (см. рис. 2). Положительный эффект дает и сниже-ние расхода кислорода на продувку.
Pe măsură ce conținutul de carbon din metal scade și rata de oxidare a acestuia la sfârșitul suflării crește din nou conținutul de FeO din zgură. Ca urmare a acestui fapt, precum și datorită creșterii temperaturii (a se vedea figura 2), zgura devine lichidă, activă fizic și chimic.
Compoziția zgurii la sfârșitul topirii într-un convertor cu oxigen cu suflare superioară, %: 40-50 CaO; 10-25 FeO; 13-23 SiO2; 5-15 MnO; 4-6 MgO; 1-3 P2O5.
În convertoarele cu purjare inferioară cu oxigen, după cum s-a observat, datorită reducerii semnificative a picăturilor de oxid de fier formate în zona de reacție, conținutul de FeO din zgură este mult mai mic decât în cazul purjării superioare. În cursul suflării, acesta este de obicei ≤ 5-10 %. Acest lucru împiedică în mod semnificativ asimilarea varului și, în consecință, formarea zgurii. Prin urmare, la suflarea inferioară cu oxigen, se utilizează pe scară largă pulberea de var suflată în baia metalică în curentul de oxigen pentru a intensifica procesul de scaldare.
