Кислые шлаки содержат (SiO₂) =50…55, (FeO+MnO)=40…45 масс. долей, %.

Основные шлаки содержат: (CaO+MnO+MgO)=60…65 (в том числе CaO>40); (FeO)=10…25; (SiO₂+P₂O₅+Al₂O₃)=20…25 масс. долей, %.

MgO попадает в шлак в результате износа кладки ванны, сильно увеличивает вязкость шлака, поэтому целесообразно, чтобы (%MgO) не превышал 10 масс. долей, %.

Содержание оксидов железа в шлаке увеличивается с ростом интенсивности поступления кислорода в ванну, с увеличением основ-ности шлака и с уменьшением содержанием содержания углерода в металле.

Важнейшая химическая характеристика шлака — его основность (В). Наиболее часто она выражается как отношение:

. (3.46)

При фосфористой шихте

. (3.47)

Такие способы определения основности шлака достаточны для производственных целей, так как удаление серы и фосфора из металла определяется главным образом отношением концентраций наиболее сильного основного оксида к концентрациям наиболее сильных кислотных оксидов.

Обычно значение В колеблется в пределах 2,0…3,0.

В научных исследованиях для основности шлака применяется более полное выражение (3.24).

Избыток основных оксидов в шлаке (по Чипмену)

. (3.48)

Избыток оксида кальция (по Герти)

. (3.49)

Избыток основных оксидов в шлаке в значительной степени характеризует содержание в нем свободных анионов кислорода.

При расчетах основности шлака по “валовому” анализу часто получают побочные результаты, поскольку гетерогенность шлака не учитывается (в пробу шлака попадают твердые неассимилированные жидкой фазой частицы CaO и MgO).

Окислительную способность шлака характеризуют два показателя:

а) активность оксида железа (II) a_(FeO), которая определяет максимально возможное содержание кислорода в металле при равновесии со шлаком;

б) интенсивность передачи кислорода из окислительной газо-вой фазы через шлак в металл

, кг/(м²*ч).

С чисто термодинамической точки зрения максимальной окислительной способностью при одинаковом содержании оксида железа (II) обладают шлаки с основностью В=1,8…2,0, так как при такой основности максимален коэффициент активности y_(FeO).

С точки зрения кинетики передачи кислорода из газовой фазы оптимальная основность шлака В=2*2,5…2,8. Это вытекает из исследованного нами механизма передачи кислорода из атмосферы мартеновской печи в металл. Этот процесс состоит из пяти стадий.

I стадия. На поверхности шлак-газ оксид железа (II) окисляется до оксида железа (III). При 1600…1700^oС оксид железа (III) не устойчив (упругость диссоциации 2,5…16,5 МПа, т.е. намного больше парциального давления кислорода в атмосфере печи). Поэтому возможно лишь образование ферритов (FeO*Fe₂O₃; 2CaO*Fe₂O₃), которые более устойчивы при высокой температуре, чем чистый оксид:

2(FeO)+ 1/2{O2}+2(CaO) = (2CaO*Fe₂O₃) (3.50)

С ростом основности шлака реакция (3.50) протекает полнее вправо. В кислых шлаках возможно образование феррита железа Fe₃O₄, который устойчив при малых его содержаниях в шлаке (0,5…1,0 масс. долей, %). Поэтому кислые шлаки менее интенсивно поглощают кислород из газовой фазы, чем основные.

II стадия. Ферриты (или ионы трехвалентного железа) диффундирую из верхних слоев шлака к границе шлак-металл. Скорость этой стадии зависит от площади зеркала ванны, толщины, вязкости и интенсивности перемешивания шлака, а также от градиента концентраций Fe₂O₃ по высоте шлака.

III стадия. На границе шлак-металл ферриты, малоустойчивые при контакте с железом, почти полностью реагируют с железом по реакции

(2CaO*Fe₂O₃)+[Fe]=3(FeO)+2(CaO) (3.51)

IV стадия. Оксид железа (II) (или ионы Fe²⁺) диффундируют снизу вверх, где снова реагируют по реакции (3.50).

Рис. 16. Схемы изменения содержания оксидов железа по глубине шлака в мартеновской ванне (а) и влияния активности (б) на среднее значение (FeO) (1), vc в период чистого кипения (2), содержание Fe2O3 в верхнем (3) и нижнем (4) слоях шлака

V стадия. Оксид железа (II) частично переходит в металл, где кислород расходуется на окисление примесей.

Описанный механизм транспортировки кислорода из газовой фазы через шлак в металл подтвержден специальными опытами. С помощью тарельчатого прибора отбирали пробы шлака одновременно по всей его глубине в мартеновской ванне. Установлено, что (%Fe₂O₃) относительно больше в верхних слоях шлака, а (%FeO) — в нижних его слоях. С ростом основности шлака увеличивается разность концентраций Fe2O3 (в виде ферритов) по глубине шлаков, среднее содержание оксида железа (II) в шлаке и скорость выгорания углерода в ванне, связанная с интенсивностью поступления в нее кислорода. Однако при значениях В выше оптимального определенного предела диффузионные процессы в шлаке замедляются из-за роста его вязкости, что приводит к стабилизации и даже к некоторому уменьшению интенсивности поступления кислорода в металл не смотря на повышенные значения (FeO) и (Fe₂O₃). Изложенное иллюстрируется схемами, изображенными на рис. 16.

Таким образом, с точки зрения термодинамической активности оксида железа (II) желательна основность В=1,8…2,0. С точки зрения кинетики передачи кислорода из окислительной атмосферы в металл основность должна быть несколько выше (2,5…2,8). Снижение при этом y_(FeO) компенсируется увеличением (%FeO), а скорость передачи кислорода металлу растет за счет увеличения (Fe₂O₃) в глубине ванны. Необходимо обеспечить нормальную вязкость высокоосновного шлака присадками боксита или плавикового шпата и ранней наводкой шлака.