Producția de oțel și feroaliaje în unitățile de topire este însoțită de producerea a două faze lichide nemiscibile, o fază metalică și o fază nemetalică, numite zgură. Zgurii sunt aliaje multicomponente de diverși oxizi care formează o serie de compuși chimici, precum și soluții solide și lichide. Principalele surse de formare a zgurii sunt:
- produsele de oxidare ale impurităților din fonta brută, fierul vechi și partea de minereu a încărcăturii;
- contaminarea materialelor (nisip, argilă, pământ, rugină);
- produse de degradare refractare;
- materiale aditive și agenți oxidanți (calcar, var, bauxită, fluorină, minereu de fier și mangan, sinter etc.).
Prin introducerea unor aditivi corespunzători din anumite materiale, se obțin zgurii cu compoziția necesară pentru dezvoltarea unor reacții și suprimarea altora. Structura și structura cristalină a zgurii solidificate sunt determinate prin analize petrografice și cu raze X, rezultatele obținute fiind prezentate grafic sub formă de diagrame de stare.
Compoziția și proprietățile fizice ale zgurii
Zgurăturile metalurgice au o anumită compoziție chimică. Caracteristicile fizice ale zgurii sunt: punctul de topire, densitatea, vâscozitatea, entalpia (conținutul de căldură), conductivitatea electrică, rezistența electrică, tensiunea superficială. Cele mai frecvente (comune) componente ale zgurii metalurgice sunt CaO, SiC>2, AI2O3, FeO, MgO. Acești oxizi, cu excepția FeO, au puncte de topire ridicate (GШ1, °С: MgO — 2800; CaO — 2570; AI2O3- 2050; Si02 — 1712), depășind temperaturile obișnuite ale proceselor metalurgice de producție a fierului și aliajelor (1300-1700 °С). Punctul de topire al zgurii metalurgice este semnificativ mai scăzut decât punctul de topire al componentelor individuale incluse în compoziția lor. Această proprietate, inerentă zgurii multicomponente, este utilizată în crearea de noi compoziții de zgură pentru a le conferi temperatura de topire necesară.
În funcție de conținutul predominant de substanțe bazice (CaO, MgO, MnO, FeO) sau acide (Si02TiO2, V205, А120z), acestea se numesc zgură bazică, respectiv acidă. Bazicitatea sau aciditatea zgurii se exprimă prin raportul dintre conținutul total de oxizi bazici și conținutul total de oxizi acizi sau invers. Cel mai adesea, bazicitatea este exprimată prin raportul dintre conținutul componentelor zgurii CaO și Si02exprimată în procente masice (sau fracțiuni molare), CaO/Si02 (sau Asao/L^s)- Pentru zgurile cu bazicitate scăzută, medie și crescută, acest raport este respectiv egal cu 1,3-1,5, 1,8-2,2, >2,5. În procesul de topire a încărcăturii metalice în cuptoarele cu arc are loc oxidarea fierului, siliciului, manganului, fosforului, cromului, vanadiului și a altor elemente. Oxizii rezultați formează zgură, în care se dizolvă varul, siliciul și alți aditivi, precum și magneziul din căptușeala cuptorului. Compoziția zgurii se schimbă în mod constant pe măsură ce procesele din cuptor evoluează în timpul unei anumite perioade de topire.
Într-un cuptor acid, principala componentă a căptușelii este siliciul solid, astfel încât, în procesul de topire, zgura este îmbogățită cu Si0 .2. În plus față de siliciu, compoziția zgurii acide include FeO, MnO, A1203 și CaO. La creșterea conținutului de CaO în zgură de la 0 la 12%, solubilitatea Si02crește la 57%. În cuptorul principal, căptușeala refractară constă în principal din magnezit MgO. În timpul funcționării normale a cuptorului și al utilizării zgurii de bază, conținutul de MgO în acestea nu depășește 18%.
Metalul lichid și zgura au densități diferite p, g/cm 3 : fier solid 7,86, oțel solid 6,8-8,2 și oțel lichid 6,5-7,0. Densitatea zgurii lichide depinde de conținutul de oxizi grei: FeO, Fe203, MnO, etc. și este de aproximativ două ori mai mică decât densitatea metalului. În general, densitatea zgurii depinde de compoziția sa chimică și, în plus, variază în funcție de temperatura de topire a zgurii. De exemplu, densitatea zgurii care conține, %: Si02 18,2, А120z 13,7, CaO 52,7, MgO 9,1, CaF2 6,4, la o temperatură de 1600 ° C este egală cu 2,75 g/cm 3 . Pe măsură ce temperatura crește de la 1400 la 1700 °C, densitatea zgurii de bază care conține 25% de oxizi grei scade de la 3,14 la 2,77 g/cm 3 .
Compoziția chimică și temperatura zgurii afectează semnificativ desfășurarea proceselor metalurgice. Rata reacțiilor în topiturile metalice și de zgură depinde de rata proceselor de difuzie, care determină în mare măsură vâscozitatea topiturilor.
Vâscozitatea este frecarea internă care apare între straturile separate ale unui fluid atunci când aceste straturi se deplasează la viteze diferite. Unitatea de vâscozitate este „poise” (1 Pz = 1 Pa*s = 1 Ns/m 2 = 1 g*c m-1 * s-1 ).
Vâscozitatea ridicată a zgurii este cauza scăderii reactivității acesteia, deoarece procesele de difuzie sunt încetinite, iar ca urmare calitatea metalului este redusă. Scoriile cu vâscozitate ridicată în producția de feroaliaje rețin o cantitate semnificativă de metal sub formă de picături înghețate (corole), ceea ce reduce randamentul util al metalului. Scoriile vâscoase sunt greu îndepărtate din cuptoarele de topire și reduc astfel durabilitatea căptușelilor refractare.
Vâscozitatea lichidelor, inclusiv a zgurii, depinde de compoziția chimică și de temperatură, astfel încât, prin diferite combinații de oxizi în zgură, este posibil să se obțină o topitură cu vâscozitate minimă și reactivitate ridicată.
Vâscozitatea oțelului carbon la 1600 °C este d e-0,015, iar cea a zgurii metalurgice normale este de 0,2-0,7 Pz. De exemplu, vâscozitatea celor mai frecvent utilizate pentru prelucrarea metalelor atunci când sunt eliberate din cuptoarele cu arc electric (CaO 50-55%, Si02 10-15%, А1203 8-10%, MgO 6-12%, CaF2 8-10%, FeO 1,0%) și sintetice (CaO 50-55%, A1203 43-45%, Si02
Inversul vâscozității — fluiditatea este, de asemenea, utilizat pentru evaluarea calitativă a zgurii. Cea mai simplă modalitate de a determina fluiditatea este de a turna o mostră de zgură, luată cu lingura din cuptor, pe un unghi de fier, stabilit la o înclinație d e-10 °. Cu cât zgura are mai multă fluiditate (mai puțină vâscozitate), cu atât va avea mai mult timp să se întindă înainte de solidificare. Uneori, în acest scop se utilizează un vâscozimetru, care este o cupă metalică detașabilă cu o pâlnie de recepție și un canal comunicant. Capacitatea de curgere a zgurii este estimată în funcție de gradul în care aceasta umple canalul viscometrului. Metodele accelerate de măsurare a vâscozității (fluidității) nu au pretenții de precizie și servesc doar la evaluarea calitativă a zgurii.
Caracteristicile importante ale zgurii siderurgice și feroaliate sunt capacitatea termică și căldura de fuziune sau entalpia. Prin entalpia zgurii se înțelege toată căldura care trebuie comunicată zgurii pentru a o încălzi până la punctul de topire, a o topi și a o încălzi până la temperatura necesară. Entalpia zgurii se determină experimental cu ajutorul unui calorimetru.
În cazul zgurii cu rezistență electrică relativ ridicată, lungimea arcului este mai mică decât în cazul zgurii cu rezistență mai mică. Pentru un transfer mai bun al căldurii arcului către baia metalică, topirea în cuptoare electrice puternice se realizează pe zgură spumoasă.
Este interesantă o proprietate a zgurii, cum este tensiunea superficială. Pe orice particulă din lichid acționează forțe de aderență echilibrate reciproc. Dacă particula se află pe suprafața interfeței lichid-gaz, ea este supusă acțiunii forțelor interne de atracție ale lichidului și ale mediului care mărginește lichidul. Munca depusă pentru formarea interfeței dintre faze se numește tensiune superficială sau interfacială o. Această caracteristică este utilizată și în cazul fenomenelor de suprafață din sistemele metalurgice formate din metal și zgură. Tensiunea superficială a zgurii lichide bazice și acide la limita cu faza gazoasă este de 0,5-0,6 și respectiv 0,3-0,4 mJ/cm 2 .
Oxizi MnO, Si02, Р205TU2FeO, Cr203, V205 sunt substanțe tensioactive în raport cu zgura de bază, astfel încât, odată cu creșterea conținutului lor în zgura de bază, valoarea lui o scade. Oxizii CaO, MgO, A1203nu sunt substanțe tensioactive, astfel încât, odată cu creșterea conținutului lor în zgura principală, valoarea lui a crește. Tensiunea interfacială la interfața fier-scură formată din CaO, A1203Si02se situează în intervalul 1,0-1,1 mJ/cm 2 .
Rolul zgurii în producția de oțel și de feroaliaje este divers. Zgură este:
- o sursă de alimentare a băii metalice cu oxigen în timpul proceselor de oxidare;
- o protecție fiabilă a topiturii metalice, împiedicând absorbția azotului și a hidrogenului;
- un mediu favorabil care asigură rafinarea metalului de impuritățile dăunătoare (fosfor, oxigen, sulf);
- un mediu care asigură dizolvarea incluziunilor nemetalice care plutesc în afara metalului și pierderi minime pentru evaporarea fierului și a elementelor de aliere;
- un element de rezistență care generează căldura necesară pentru topirea electrozilor metalici consumabili în cuptoarele de topire cu electroslag.
