> Техника, страница 89 > Флюсы

Флюсы

Флюсы, плавни, минеральные вещества, добавляемые в шихту металлургии, печей для получения шлаков (смотрите) определенного химии, состава и требуемых физич. свойств. Добавка флюсов имеет своей целью как понижение, так и повышение шлака. Сообразно с характером шлаков Ф. обычно делятся на кислые и основные, реже применяются Ф. глино-земистые. В исключительных случаях (например катастрофич. неполадки) приходится прибегать к сильно действующим Ф., позволяющим получить легкоплавкие шлаки для быстрого исправления ненормальной работы печей или ненормального состояния их огнеупорной футеровки. Подобными же Ф. пользуются и систематически для получения достаточно жидкоплавких (подвижных), а следовательно более активных шлаков. Однако в этих случаях ограничиваются применением только весьма небольших количеств таких сильно действующих Ф.

Ф. в металлургии черных металлов. При металлургических процессах получения (и нагревания) черного металла (чугуна, железа и стали) обычно пользуются следующими Ф. Кислые Ф. (кварц, кварцит, кварцевый песок, бой динасового, кремнистого кирпича, бой красного кирпича) применяются сравнительно редко и в ограниченном количестве. Это объясняется главн. образом тем обстоятельством, что большинство железных руд и почти все сорта минерального горючего (кокс, антрацит) имеют кремнистую или кремнисто-глиноземную пустую породу и требуют обычно не кислого, а основного Ф. Кислый Ф. вводится в шихту в виде бедных руд с кремнистой пустой породой (железистые кварциты) или кислых передельных шлаков (бессемеровский шлак, шлак сварочных печей, нагревательных колодцев и так далее). Иногда бедные кремнистые руды или передельные кислые шлаки даются в шихту одновременно с основными Ф. в целях увеличения общего количества шлака. Это делается например в доменном производстве при выплавке литейных чугунов для более успешного восстановления кремния при увеличенном количестве шлака. Такой же прием целесообразно применять и для наводки нового шлака в мартеновских печах. Кремнистые Ф. (кварцевый песок, молотый кварцит) часто служат также достаточно дешевым и быстродействующим средством для разжижения густых шлаков и для разъедания («стравливания») основных настылей и твердых образований на поду основных мартеновских печей или в горне (в шахте) печей доменных. В этих случаях пользоваться кислым Ф. следует с большой осторожностью (во избежание разъедания стен и пода печи). Кислым же Ф. (кварцевым песком) обычно пользуются для легкого удаления окалины в виде жидкого шлака из нагревательных колодцев и сварочных печей в том случае, если работа на «сухой подине» (сделанной из магнезитового кирпича или талькового камня) считается менее удобной.

Глиноземистые Ф. применяются еще реже, чем Ф. кислые. Это происходит не только потому, что чистые глиноземистые Ф., например бокситы, довольно редки и достаточно дороги, но и потому, что в большинстве случаев практики естественное содержание глинозема в шлаках получается вполне достаточным с точки зрения их физич. качеств. С химич. же точки зрения содержанию глинозема в шлаках обычно не придается большого значения. Практически в качестве глиноземистых Ф. приходится применять бой шамотного кирпича или глину. Это приводит к тому, что вместе с глиноземом вводится значительное количество кремнекис-лоты, то есть дается кремнисто-глиноземистый Ф. Несмотря на кажущуюся нерациональность добавки таких Ф. применение их в нек-рых случаях вполне оправдывается. Так, при работе древесноугольных доменных печей на рудах с сильно магнезиальной пустой породой добавка глины или глинистого сланца дает возможность получить вполне нормальный по жидко-плавкости шлак (прежняя работа доменных печей на штирийской руде, современная работа Забайкальского Петровского завода на рудах Ба-лягинского месторождения). Глиноземистые Ф. оказывают весьма благотворное влияние и на свойства шлаков сталеделатгельных производств. Этим иногда пользуются при работе в тиглях, в кислых мартеновских печах и в печах электрических. Добавку глиноземистых материалов одновременно с основными Ф. следует считать вполне рациональной мерой для наводки конечных шлаков в основных мартеновских и электрич. печах. Такая добавка целесообразна во всех тех случаях, когда приходится заботиться об увеличении количества шлака для понижения концентрации тех его составных частей, которые являются слишком трудноплавкими и делают шлак слишком густым. В качестве примера можно привести шлаки основных мартеновских печей, перерабатывающих большие количества хромистых возвратов (шлаки, настыли, печные выломки и др.) или ведущих передел чугунов с высоким содержанием хрома (халиловские чугуны с 2,5—3,0% хрома). Добавка глиноземистых Ф. (боя посуды с фаянсовых фабрик) практикуется иногда и для сварочных печей (сварка мелких труб из бессемеровской полосовой заготовки на американских заводах).

Основные Ф. играют в черной металлургии значительно более важную роль. В числе последних следует отметить: известняк, из весть и доломит. Расход основного Ф. (известняка и извести) на современных, металлургия, з-дах достигает огромных цифр; о чем можно судить например по следующим данным: на 1 ж чугуна, выплавляемого в коксовых доменных печах, расходуется от 0,40 до 0,80 тонн известняка; на 1 ш основной мартеновской стали расходуется ок. 0,10—0,12 ж (то есть ок. 10—12%) известняка, а на 1 ж томасовской стали около 0,12—0,15 ж (то есть 12—15%) обожженной извести. Такое широкое применение основного Ф. в черной металлургии объясняется не только тем, что кремнисто-глиноземистая пустая порода руды и зола кокса требуют значительного количества основных окислов для своей флюсовки, но и тем, что большинство производственных процессов черной металлургии имеет своей главной задачей борьбу с вредными примесями—серой и фосфором. Успешное выполнение этой задачи возможно только при условии работы на основных шлаках, для образования которых необходима добавка значительных количеств основного (известкового) Ф. В качестве основного Ф. коксовой (а иногда и древесноугольной) доменной плавки обычно применяется известняк. Он должен быть достаточно дешев и чист в отношении содержания кремне кислоты, серы, фосфора, а и других примесей (содержание Si О а в пределах 1—3%), свободен от примазки земли и глины, достаточно прочен. Известняк применяется в дробленом виде (куски размером до 150 миллиметров в поперечнике) с обязательным отсевом от мелочи и мусора. При коксовой доменной плавке часть известкового Ф. может быть с успехом заменена доломитом, к-рый применяется в таком же виде, как и известняк. Замена известкового Ф. доломитом допускается на ^х/₄—Vs (Д° содержания около 10% MgO в доменном шлаке) и дает улучшение физич. качеств шлака (увеличение жидкоплав-кости при той же Это значительно облег чает работу доменной печи, особенно при достаточно вязких глиноземистых шлаках. Однако применение доломита в нек-рых районах затрудняется более высокими ценами (транспорт) на доломит по сравнению с известняком. Такое неблагоприятное соотношение наблюдалось на всех наших южных з-дах. Нек-рые америк. з-ды (Пенсильвания), наоборот, имеют возможность получать доломит по очень низким ценам (доменные печи нек-рых з-дов построены на доломитовой скале) и широко используют эту возможность для улучшения физич. свойств доменных шлаков. С этой точки зрения можно считать вполне целесообразным применение в доменных печах доломитизированных известняков, то есть известняков, содержащих нек-рое количество магнезии. Применение обожженной извести или обожженного доломита в качестве Ф. доменной плавки не допускается, т. к. не м. б. оправдано никакими соображениями. В качестве суррогата основного Ф. в доменных печах, чугуноплавильных вагранках и в газогенераторах, работающих с выпуском жидкого шлака, с успехом применяется основной мартеновский шлак, содержащий достаточно высокий % извести и магнезии (в сумме до 50%) при довольно значительном содержании металлич. окислов (сумма окислов железа и марганца 20—25% и выше). Такой оборотный шлак является своего рода бедной железной рудой с основной пустой породой и с повышенным содержанием марганца и фосфора. Утилизация оборотного мартеновского шлака в доменном производстве повышается с каждым годом и дает значительные экономические преимущества. Сравнительно редко представляется возможность использовать в качестве основного Ф. пустую породу руды или золу топлива. Однако и эти случаи встречаются в нек-рых металлургия, районах. Так, мощные залежи оолитовых бурых железняков «минетт», находящиеся в Эльзас-Лотарингии, Бельгии и Люксембурге, содержат сорта руды как с кислой, так и основной пустой породой. Это позволяет вести плавку смеси этих руд без добавки Ф. (известняка) или с незначительным его количеством. Получение такой самоплавкой шихты не только устраняет затраты на покупку известняка, но значительно улучшает общие технико-производственные показатели работы доменных печей. Иногда кокс (например в Верхней Силезии) содержит в золе значительное количество основных окислов (СаО и MgO). Зола этого кокса может считаться самоплавкой, что значительно уменьшает расход основного Ф. (известняка) по сравнению с работой на обычном коксе (кремнисто-глиноземистая зола).

Расход основного Ф. в доменном производстве (смотрите) зависит от богатства руды, состава ее пустой породы, относительного расхода кокса, содержания в нем золы, состава последней и т. д. При плавке бурых железняков Клеве-ленда (Англия^ расход известняка доходит до 0,8—1,0 на 1 m чугуна. К основным Ф., применяемым в сталеделательных производствах, предъявляются те же требования, как и в доменном производстве, в смысле небольшого содержания серы, фосфора, а и нерастворимого осадка (Si0₂+Al₂0₃). Но в отличие от Ф. доменной плавки известняк, идущий в мартеновские печи, не должен содержать заметных количеств магнезии (не выше 2—3% MgO), а доломит совершенно не допускается в качестве Ф. мартеновского процесса, т. к. содержание магнезии в основных мартеновских шлаках достаточно высоко вследствие разъедания основной (магнезитовой или доломитовой) наварки подины и откосов печи. Вместо известняка в основной мартеновской печи частично, а в электропечах и томасовском конвертере всегда, применяется обожженная известь. Выгодность применения извести мотивируется следующими соображениями. 1) Разложение известняка требует довольно значительной затраты тепла по реакции: СаС0₃=Са0+С0₂ -43 920 Cal.

Эту простую операцию выгоднее производить в специальной известково-обжигательной печи, а не в таком дорогом производственном агрегате, каким является мартеновская печь.

2) Реакции шлакования известняком в конце операции идут с большим поглощением тепла, требуют больше времени и сильно студят ванну, то есть в конечном счете уменьшают производительность печи. 3) При высоких t° мартеновского процесса углекислота, выделяющаяся при разложении известняка, может окислять примеси металла, например углерод по реакции: 2 С+2 CaC0₈+(Fe0)₂-Si0₂==(CaO)₂*Si0₂-b4CO+2FeO -161816 Cal, тогда как при работе с известью можно было бы ожидать протекания реакции по следующему ур-ию:

2C-J-2CaO+(FeO)₂-Si0₂=*=(Ca0)₂.Si0₂+2C0+2Fe -62 196 Cal,

то есть с значительно меньшей затратой тепла и с бблыним выходом металла вследствие того, что окисление углерода идет за счет кислорода руды и сопровождается восстановлением железа (вместо 12 весовых частей углерода восстанавливается 56 вес. ч. железа). Однако работа с обожженной известью также имеет свои недостатки: 1) требует установки известково-обжигательных печей, 2) вызывает необходимость иметь крытые склады и специальный подвижной ж.-д. состав, 3) удорожает значительно стоимость Ф., что не всегда покрывается преимуществами работы на обожженной извести, 4) затрудняет хранение на складах, 5) ухудшает санитарно-гигиенич. условия рабочего персонала, 6) уменьшает интенсивность перемешивания ванны при разложении («кипении») известняка. Работа в основных мартеновских печах с применением обожженной извести широко практикуется на герм, з-дах; на з-дах США, наоборот, работа в таких печах ведется почти исключительно на сыром известняке. Исследования, проведенные отдельными америк. заводами, говорят даже за то, что в условиях америк. практики применение извести в мартеновских печах при работе дуплекс-процессом не дает даже увеличения производительности и представляется менее выгодным по сравнению с работой на сыром известняке. Вопрос о применении известняка или извести должен разрешаться для каждого частного случая отдельно с учетом всех местных тех-нико-экономич. условий. Однако нет никаких сомнений в том, что во второй половине процесса плавки в печь должна задаваться только обожженная известь. Возможно, что такой комбинированный метод работы с дачей сырого известняка в завалку и обожженной извести для окончательной доводки шлака может оказаться наиболее рациональным и рентабельным для большинства случаев практики. Высказанное положение не противоречит тому факту, что в условиях америк. практики при работе в кислой мартеновской печи в конце плавки иногда производят добавку сырого известняка в целях торможения кремневосстановительного процесса. Такая добавка производится в очень незначительных кодачествах и имеет своей целью не только уменьшить концентрацию свободной Si О ₂ шлака (что можно было бы сделать и при помощи добавки СаО), но вместе с тем стремится понизить и t° металлич. ванны за счет затраты тепла на нагревание и разложение СаС0₃. Незначительная добавка основного Ф. довольно существенно меняет состав кислого мартеновского шлака и обычно практикуется с таким расчетом, чтобы в шлцке содержалось 5—8% СаО. Обожженная известь для томасовского и мартеновского производств должна содержать > 2—3% Si0₂, > 0,2 % серы, >2—3% MgO, должен быть свежеобожженной, без пыли и мелочи, в кусках размером 75—150 миллиметров, причем допускается недожог ее (содержание С0₂ до 2—4%). Для электропечей известь должна храниться в закрытых бункерах и подаваться к печам с возможно меньшим содержанием поглощенной из воздуха влаги.

Наиболее эффективным Ф. основного мартеновского процесса является плавиковый шпат (смотрите), или фтористый кальций (CaF₂). Применение CaF₂ основано на его способности сильно увеличивать жидкоплавкость основного мартеновского шлака, а следовательно значительно повышать его активность и ускорять реакции взаимодействия между шлаком и металлом, наир, при удалении серы в основной мартеновской печи путем реакций: FeS+CaO=CaS+FeO + 6 573 Cal,

MnS+CaO =CaS+MnO - 13 481 Cal.

Благотворное влияние плавикового шпата на удаление серы сказывается еще и в том, что фтор повидимому, способен давать с серой летучие соединения (предположительно SF_e) и т. о. окончательно выводить часть серы из баланса мартеновской плавки. Расход плавикового шпата в зависимости от качества получаемой стали обычно колеблется в пределах 0,1—0,4% от веса металлич. садки. В особо трудных случаях работы с густыми шлаками (высокое содержание окислов хрома и т. д.) расход CaF₂ повышается до 2% и более (халиловские плавки). Как показали опыты, проделанные герм, техниками (Schleicher и другие), увеличение содержания CaF₂ в шлаке свыше 2^г/г% (от веса шлака) не приносит заметной пользы, но начинает сильно сказываться на стойкости динасовой кладки стен и свода мартеновской печи, что можно объяснить образованием летучего соединения SiF₄ по следующим реакциям: 2 CaF₂+2 Н₂0 =2 CaO+4HF,

4 HF+Si0₂=2H₂0+SiF₄,

2 CaF_a-bS10₂ =2 CaO +SiF₄.

Плавиковый шпат представляет собой реагент, достаточно удобный для хранения и обращения с ним. Единственным недостатком является его сравнительная дороговизна (довоенная цена плавикового шпата, ввозимого из Англии и Богемии, была, на наших з-дах в пределах 35— 50 коп. за пуд). Плавиковый шпат должен быть чист в отношении Si0₂ и не должен содержать включений пирита, ясно видимых невооруженным глазом. В настоящее время CaF_a получается нашими заводами из Забайкалья. Аналогично плавиковому шпат-у:(СаБ₂) действует и хлористый кальций (СаС1₂), применение которого в сталеплавильном производстве было предложено англичанином Санитером. Однако по своим природным свойствам СаС1₂ является значительно менее удобным реагентом при высоких t°. Применение его давало более пестрые, менее устойчивые результаты и вскоре было совсем оставлено. К сильно действующим щелочным Ф. следует отнести также целый ряд патентованных средств, известных под различными промышленными названиями и применяемых для обессеривания жидкого чугуна, выпущенного в ковш из доменной печи или чугунолитейной вагранки. В состав таких десульфато-ров обычно входят: известь, плавиковый шпат, сода, иногда хлористый кальций или хлористый натрий и другие соединения, дающие очень легкоплавкий шлак, хорошо перемешивающийся с металлом и способный легко образовывать достаточно прочные соединения серы со щелочами (CaS, Na₂S и т. д.). Уже незначительное количество такого энергичного реагента (до 0,1% от веса чугуна) способствует значительному переходу серы из металла в шлак (до 35—50% и даже выше всей серы). Легкоплавкими щелочными Ф. (например каменной солью NaCl) иногда пользуются для быстрого исправления ненормальностей работы доменных печей при загромождении горна трудноплавкими настылями. Обычно введение NaCl производилось через фурмы в очень небольших количествах при помощи специальных аппаратов путем подачи соли в струю воз духа (доменного дутья). Заметное содержание щелочей в шихте доменных и коксовальных печей действует разрушающе на огнеупорную кладку, почему и нельзя рекомендовать применение щелочных Ф. (Na₂0 и К₂0). На этом основании приходится признать нерациональным и введение NaCl в виде соленого кокса (например при опытных плавках халиловских руд). Иногда в качестве Ф. могут применяться окислы железа и марганца, обычно служащие окислителями для примесей металлич. ванны. Марганцовистая руда может с успехом применяться для получения значительных количеств сменных (спускных) марганцовистых шлаков при переделе сильно сернистых чугунов (опыты Шелгунова), а также для разъедания («травления») трудноплавких настылей в кислых (бессемеровских) ретортах и в шахтах доменных печей. В последнем случае часто пользуются марганцовистыми.доменными шлаками, полученными при выплавке ферромангана. Сильножелезистые шлаки стараются получить во всех тех случаях, когда невозможно или нежелательно поднять t° процесса. В частности добавкой небольших порций железной руды можно, так же как и добавкой извести, затормозить процесс восстановления кремния в конце кислой мартеновской плавки. Этим обстоятельством и пользуются при англ, способе выплавки малоуглеродистой стали в кислых мартеновских печах.

Химически чистый известняк состоит из 56% СаО и 44% С0₂; лучшие сорта известкового Ф. содержат около 1% нерастворимого остатка (Si0₂ + А1₂0₃), средние до 3%, худшие до 5%. Химически чистый доломит содержит: 30,45% СаО, 21,75% MgO и 47,80% С0₂. Обычно доломиты менее чисты, чем известняки, и содержание в них £(Si0₂+Al₂0₃) доходит до 5% и выше. Доломиты с высоким (нормальным) содержанием магнезии (18—20% MgO) чаще идут в качестве огнеупорного материала и реже употребляются в качестве магнезиального Ф., для чего обычно употребляют доло-митизированные известняки с содержанием MgO до 12—15%.

Общий расход известняка как Ф. черной металлургии доходит до 50—60% от веса выплавляемого чугуна, причем ок. ³/₄—⁴/б этого количества падает на Ф. для доменной плавки. Сравнительная оценка известкового Ф. должна производиться в зависимости от состава того шлака, на к-рый ведется флюсовка. Для упрощения контроля за химич. составом Ф. в известняке обычно определяют только колйчество нерастворимого остатка R=Σ(δί0₂+Α1₂0₃). Количество свободного СаС0₃ (и MgC0₃ для доменной плавки) будет определяться в зависимости от состава шлака ф-лой:

СаСОз своб.=100 - (К · н?. R + R)=100 —(1,8 К+1) R_f

55

где К—соотношение между Σ (СаО + MgO) и Σ (Si0₂ + Al₂0₃) в шлаке, R—количество не-

юо растворимого остатка в известняке, а «

1,8 — приближенное соотношение между СаС0₃ и СаО. Для доменных шлаков коксовой плавки 1,и формула принимает вид:

СаСОз своб.=100 - 2,8 R.

Кроме этой ф-лы имеются более сложные ф-лы для коммерческой оценки Ф.

Лит.: Павлов М., Металлургия чугуна, Л., 1924; его ш е, Расчет доменных шихт, П., 1914; Липин В., Металлургия чугуна, железа и стали, т. 1, 2 и 3, Л.*

1925—.27; Карнаухов M., Металлургия стали, т. 1 и 2, вып. 1, 2 и 3, Л., 1924—29; Селиванов Б., Металлургия чугуна, Л., 1933; Os an η В., Lehrbuch d. Eisenhiittenkunde, В. 1, 2, Lpz., 1923; Schleicher, «St. u. E.», 1921, p. 357—364. M. Пильнин.

Ф. в металлургии цветных металлов. В качестве Ф. применяются почти те же материалы, что и в металлургии черных металлов. Наиболее распространенными Ф. являются: известняк, доломит, железные руды, марганцовые руды, кварц и алюмосиликаты; кроме того в качестве Ф. употребляются: плавиковый шпат, сульфиды (например пирит), гипс и барит. Влияние кремнекислых материалов и известняка на образование шлаков смотрите выше. Сульфиды употребляются с целью сульфуризации, то есть для образования штейна (смотрите), во избежание перехода в шлак ценных металлов в случае руд, содержащих мало серы. Известь в металлургии цветных металлов может оказаться полезной только в специальных условиях при высоких фрахтах на“Ф. В свинцовой плавке известь (известняк) вводится, заменяя железо в шлаках по ур-ию:

4Fe0-2Si0₂+2PbS+2Ca0+2C==2Pb-b2FeS-b(2Ca0»Si0₂-b2Fe0»Si0₂)-b2C0.

Кроме того известь, являясь сильным основным Ф., способна вытеснять из силикатов большую часть других оснований, например по реакции: ^

ZnO »Si0₂-|-CaO=GaO *Si0₂-j-ZnO ·

Железные руды применяются для Ф. в виде FeO и Fe₂0₃. Закись железа (FeO) является весьма дешевым компонентом шлака, образуя жидкие и легкоплавкие шлаки, но увеличивает уд. в шлака и переход в него Cu₂S. Железистый Ф. является основанием для силикатной руды:

*Fe0-Si0₂+Fe0=2Fe0-Si0₂.

При восстановлении углеродом или окисью углерода окислы железа действуют в качестве осадителя по отношению к свинцу по реакциям:

2PbS-b4Fe0*Si0₂-bC=2Pb-b2FeS-b2Fe0-Si0₂+C0₂

ИЛИ

[ 4 PbS+2 Fe₂0 ₃+3 С =4РЬ+4 FeS+ЗСО а.

Флюсующая способность железной руды тем выше, чем чище последняя. Присутствующая в руде Si0₂ не только связывает часть окиси железа, но и расходует нек-рое количество СаО для образования соответствующего шлака. В качестве Ф. употребляются следующие железные руды: гематит Fe₂0₃, лимонит Fe₂0₃-nH₂0 и реже—сидерит FeC0₃. Целесообразность употребления Fe₃0₄ (магнитного железняка) в ряде случаев оспаривается, так как иногда затрудняет ведение, процесса плавки. Окись железа (Fe₂0₃) не образует силикатов и шлакуется с образованием последних после восстановления до FeO. Если Fe₂0₃ переходит в шлак без восстановления, то шлак делается густым. С основаниями окись железа образует тяжелые по уд. весу и весьма тугоплавкие ферриты, что отзывается на свойствах шлака. Окись марганца (МпО) подобна окиси железа и замещает последнюю в шлаках в эквивалентных количествах. Шлаки, содержащие МпО и FeO, обладают большей текучестью, чем шлаки с одной FeO. Наиболее распространенным Ф. является перекись марганца (Мп0₂)—п и ролю з и т. Окислы марганца окисляют ZnS и уменьшают растворяющую способность шлака в отношении ZnO, MgO и BaS, Гипс и барит дают серу, необходимую для образования штейна, и в то же время—СаО и ВаО, пере-

ходящие в состав шлака. Плавиковый шпат плавится при t° 1 378°; он весьма жидок в расплавленном состоянии и растворяет тугоплавкие составные части руды. В настоящее время плавиковый шпат почти не употребляется в качестве флюса. Флюс пробирного анализа см. Пробирное искусство.

Лит.: Френкель Ф., Курс металлургии на физ.-хим. основании, М., 1927; Мостович В., Металлургия меди, Томск, 1931;Уразов Г. и Эдельсон, Материалы по металлургии цветных металлов, Л., 1932; Гофман Г., Металлургия свинца, пер. с англ., Москва—Ленинград, 1932; Hof man Н., General Metallurgy, New York, 1913; Η о f m a η H., Metallurgy of Copper, New York, 1924; Hof man H., Metallurgy of Lead, New York, 1918; Guillet L., Trait6 de M6tallurgie G6n6rale, Paris, 1921; T a f e 1 V., Lehrbuch d. Metallhiit-tenkunde, Leipzig, 1927—28. И. Плаксин.