Шлак в ванне конвертера во время продувки расплава определяет качество готового металла не менее радикально, чем соответствующая шихта. Прежде всего, он выполняет важнейшую задачу сталеплавильного процесса – удаляет вредные примеси (фосфор, серу) из жидкой ванны и препятствует их возвращению. Кроме того, в окислительный период плавки шлак обеспечивает переход кислорода из атмосферы конвертера в расплав для окисления примесей, а после выпуска плавки препятствует переходу кислорода, азота и водорода из атмосферы в металл. Препятствует и охлаждению стали в ковше во время её разливки.
Изменяя состав шлака, его физико-химические свойства и температуру можно регулировать содержание в металле марганца, кремния, хрома и других примесей. Поэтому применение шлака оптимального состава, рациональной структуры и благоприятной консистенции может обеспечить получение стали самого высокого качества.
Основными и управляемыми компонентами шлака являются флюсы, которые вводят в рабочее пространство конвертера в различные периоды плавки стали. Расширяют спектр состава шлака продукты окисления примесей жидкого чугуна и расплавляемого скрапа: оксиды – Si02, МnО, Cr2О3; оксисульфиды – FeS ∙ FeO, MnS ∙ МnО, (Mn, Fe)S ∙ FeO и др. Образовавшиеся в процессе формирования шлака, более легкие, чем металл, соединения всплывают, составляя над металлической ванной слой защиты и рафинирования. В этот слой могут войти продукты разрушения футеровки рабочего пространства конвертера – MnО, SiO2, Cr2О3 и др.
Скорость шлакообразования зависит от многих факторов: температуры ванны, состава флюсов, интенсивности перемешивания ванны, размера кусков шлакообразующих материалов, порядка их загрузки, применения интенсификаторов образования шлака. Скорость продувки ванны современного конвертера (вес плавки составляет 350 – 380 т стали) весьма велика – до 5 м3 / (т ∙ ч). Продолжительность продувки не превышает 20 мин. На 1 т стали образуется – 0,15 т шлака. Следовательно, уже в первой половине процесса выплавки, – в считанные минуты, – формируется шлак массой в несколько десятков тонн. Если не принять специальных и исчерпывающих мер, то может оказаться, что операция плавки закончилась, а шлак требуемого состава сформироваться не успел, вредные примеси удалены не полностью.
Для ускорения шлакообразования оставляют в конвертере часть жидкого шлака, предыдущей плавки; вдувают в ванну шлакообразующие в порошковом состоянии; вводят в рабочее пространство конвертера материалы, снижающие температуру плавления шлакообразующих материалов (плавиковый шпат, бокситы).
Компонентами шлака являются главным образом оксиды. Их можно разделить, в соответствии с их химическими свойствами, на три группы: 1) основные – (CaO, MgO, FeO, MnО); кислотные – (Si02, P2O5, ТiO2, V2O5); амфотерные, т. е. в зависимости от условий в рабочем пространстве конвертера, могут проявлять себя как основные, или как кислотные шлаки – (Аl2O3, Fе2O3, CrO3).
Шлак, в котором преобладают основные оксиды, называют основным; если в его составе преобладают кислотные оксиды, – шлак называют кислым.
Отношение концентраций – по массе – (CaO) / (SiO2) характеризует основность шлака, а отношение (SiO2) / (FeO + МnО) - его кислотность. По признаку основности шлаки делят на три группы: низкоосновные - (CaO) / (SiO2) ≤ 1,5; средней основности - то же отношение равно 1,6 – 2,5 и высокоосновные – если оно более 2,5.
Данные об основности шлака позволяют судить о его важнейшем свойстве – способности извлекать из расплава вредные примеси.
Мероприятия по ускорению шлакообразования и получению шлака с заданной основностью: перемешивание ванны; замена обычных шлакообразующих материалов комплексными флюсами; применение их в порошкообразном виде – способствуют уменьшению вспенивания шлака, нередко играющее отрицательную роль в его взаимодействии с расплавом.
Важнейшей характеристикой шлака является и величина его окисленности. Она свидетельствует о степени способности шлака передавать из атмосферы рабочего пространства конвертера в расплав кислород. Роль основного окислителя во время взаимодействия шлака и расплава принадлежит оксиду железа – FeO. Увеличение его содержания в шлаке увеличивает окислительную способность этого слоя, корректирующего содержание примесей в расплаве.
Минералогический анализ показывает, что шлаки могут содержать:
- силикаты – FeO ∙ SiO2, (FeO)2 ∙ SiO2, MnO ∙ SiO2, (MnO)2 ∙ SiO2, (CaO)2 ∙ SiO2, (CaO)3 ∙ SiO2, MgO ∙ SiO2, (MgO)2 ∙ SiO2, Al2O3 ∙ SiO3;
- фосфаты – (FeO3) ∙ P2O5, (MnO)3 ∙ P2O5, (CaO)3 ∙ P2O5, (CaO)4 ∙ P2O5, (MgO)3 ∙ P2O5;
- алюминаты – FeO ∙ Al2O3, CaO ∙ Al2O3, MgO ∙ Al2O3;
- ферриты – FeO ∙ Fe2O3, CaO ∙ Fe2O3, (CaO)3 ∙ Fe2O3 и др. соединения.