Шлакообразование, появление первичных шлаков и их последующее изменение

Появление первых порций жидкого шлака—расплава невосста­новленных окислов — в доменной печи, как правило, предше­ствует началу образования жидкого чугуна, и шлак является пер­вой жидкой фазой, возникающей по ходу доменного процесса.

Горизонт, на котором начинается образование шлака, не яв­ляется постоянным. Условия начала шлакообразования зависят от состава и качества шихтовых материалов, распределения и температуры поднимающихся газов и других факторов. В свою оче­редь, процесс формирования шлака существенно влияет на ход доменной плавки, в значительной мере определяя движение газо­вого потока в печи, условия восстановления окислов, а также тепловые условия в нижних горизонтах печи.

Моменту образования жидкого шлака предшествует ряд под­готовительных процессов, протекающих еще в твердых и частично размягченных материалах.

При сравнительно низких температурах (800—1100° С) про­исходит спекание железосодержащих материалов, характерное для переработки железных руд. Процесс спекания является слож­ным сочетанием физических явлений слипания отдельных частиц окислов и их химического взаимодействия при тесном контактиро­вании.

Агломераты поступают в доменную печь уже прошедшими про­цесс спекания. В зоне с несколько более высокими температурами куски агломерата размягчаются. Размягченные куски под действием вышележащего слоя материалов деформируются. При этом наблюдается некоторая усадка кусков, слипание пор и тор­можение процесса восстановления газами.

Процесс образования первичных шлаков, непосредственно сле­дующий за процессом размягчения, тесно связан со свойствами исходных железосодержащих материалов, а также с предшеству­ющими процессами восстановления окислов железа. Присутствие легкоплавких связок в агломерате определяет начало образования жидкой фазы и дает возможность регулировать ход шлакообразо­вания в доменной печи изменением состава, свойств и количества связок при агломерации. В первичном шлакообразовании прини­мают участие невосстановленные окислы железа и марганца, сни­жающие температуры и повышающие горизонт шлакообразования.

Вязкостные свойства первичного доменного шлака определяют дальнейшее продвижение шлака по высоте печи. Следует указать, что подвижность шлака не имеет прямой связи с его легкоплавкостью, определяемой температурой расплавления, и ориентиро­вочно оценивается на основании диаграмм состав—вязкость. Можно отметить, например, весьма значительную вязкость даже при 1500° С наиболее легкоплавкого состава системы СаО—SiO₂— AlO₃, содержащего 62% SiO₂, 14,8% AlO₃ и 23,2% СаО (рис. 38). Шлаки с высоким содержанием SiO₂ не склонны к значительному понижению вязкости при нагреве из-за крупных частиц сложных кремнекислородных анионов в структуре шлаков. Напротив, более тугоплавкий шлак состава 47,3% SiO₂, 18,6% AlO₃ и 34,1% СаО, структура которого представлена более простыми и мелкими ионами, становится весьма подвижным уже при перегреве на 100 град. Таким образом, для доменной плавки важно сочетание свойств шлака, в первую очередь температуры плавления (темпе­ратуры ликвидус) и вязкости. Например, маложелезистые и мало­марганцовистые шлаки с высокой температурой плавления,как правило, не имеют высокой вязкости на горизонте их образования и беспрепятственно стекают в горн.

Важное значение имеет также тепловая характеристика шлака — его теплосодержание. Так называемые трудноплавкие шлаки требуют повышенных затрат тепла на плавление, с чем необходимо считаться при оценке теплового баланса на горизонте их образования. В то же время, перемещаясь на более низкие горизонты, они приносят соответственно большее количество тепла, чем легкоплавкие шлаки.

Изменение теплосодержания 1 кг шлака при нагреве от 0° С до температуры плавления и расплавления (так называемая плав­кость) составляет 1340—1930 кдж/кг (320—460 ккал/кг). Величина плавкости зависит не только от температуры плавления, но и от теплоемкости шлака.

Продвижение более легкоплавких первичных шлаков вниз по высоте печи обычно связано с существенным изменением их со­става и вязкости, главным образом вследствие восстановления закиси железа и марганца. При опускании первичного шлака к горну происходит растворение в нем окиси кальция и окиси магния. Впоследствии при попадании шлака в горн в его состав переходит также зола кокса, содержащая в основном SiO₂ и Al₂O₃. Одновременно некоторые количества MnО и SiO₂ восстанавли­ваются из шлака.

Изменение вязкости шлака обусловлено указанными измене­ниями его химического состава, а также повышением температуры. В зависимости от соотношения действия этих факторов вязкость шлаков либо увеличивается (при преобладающем действии измене­ния составов в сторону уменьшения разжижающих составляющих FeO, MnО), либо понижается, если более сильное действие оказы­вает повышение температуры. Как правило, при нормальном ходе доменного процесса не наблюдается значительного повышения вязкости при продвижении шлаков вниз и они быстро стекают в горн печи, не успевая сильно понизить содержание FeO и MnО. В этом случае происходит охлаждение горна быстро приходящими в него из области сравнительно невысоких температур жидко­подвижными шлаками.

Тугоплавкие шлаки, имеющие обычно мало изменяющийся химический состав на коротком пути от пониженного горизонта их образования до горна, отличаются повышенным теплосодержанием и хорошим прогревом. Принося в горн тепло, они способствуют повышению его температуры.

В отдельных случаях необходимо предвидеть возможное не­благоприятное соотношение изменения состава и вязкости легко­плавких первичных шлаков. Быстрое снижение содержаний железа и марганца, связанное с поглощением тепла, может приводить к сильному возрастанию вязкости шлаков. Это может усугубляться выделением твердых частиц железа в объеме шлаковой фазы и за­путыванием в массе шлака частиц кокса. Движение такого шлака вниз почти прекращается, и он может образовывать настыли на стенах печи или вязкие массы на отдельных участках ее се­чения.

Это приводит к нарушению нормального хода доменной печи, задерживая плавное опускание шихтовых материалов и плавящихся масс в нижние горизонты, а также ухудшая равномерность рас­пределения газового потока по сечению.

Особенно опасны в этом отношении шлаки, проявляющие сильное изменение подвижности с температурой. Эти шлаки уже при небольшом понижении температуры (на 25—40° С) быстро превращаются в малоподвижные. Аналогичное влияние на свойства шлаков могут оказывать и небольшие изменения их состава (на­пример, на 2% по главным компонентам СаО или SiO₂). Такого рода шлаки следует характеризовать как неустойчивые, т. е. сильно изменяющие свои свойства под влиянием небольших от­клонений температуры и состава, часто имеющих место по ходу доменной плавки.

Ровная и устойчивая работа доменной печи обеспечивается в том случае, когда имеются шлаки с относительно постоянными свойствами, так называемые устойчивые шлаки. Они имеют малые изменения температуры плавления (не более чем на 25 град) и вязкости (не более чем на 1—2 пз) при изменении состава шлака по главным компонентам в пределах 2%.

Изменение температуры и вязкости шлака по мере его про­движения в горн происходит одновременно с изменением его со­става. Последний в значительной степени определяет и вязкостные характеристики шлака. Первичные шлаки, образующиеся обычно еще внизу шахты или в верхней части распара, характеризуются широкими пределами содержания составляющих в зависимости от свойств исходных материалов и условий работы печи. Содержа­ние отдельных компонентов в их составе обычно следующее: 30—40% SiO₂, 11—20% Al₂O₃, 27—35% СаО, до 6% MgO, до 8% MnО, до 18% FeO, до 0,7% S.

Промежуточные шлаки, формирующиеся в нижней части заплечиков и в верхней части горна, имеют содержание компонентов в среднем в следующих пределах: 36—38% SiO₂, 6% Al₂O₃, 39—45% СаО, 2% MgO, до 6% MnО, до 7% FeO, до 1,5% S.

Конечные шлаки, образующиеся после перехода в их состав окислов золы кокса и восстановления большей части FeO и MnО и некоторого количества SiO₂, содержат в основном три компо­нента — SiO₂, СаО и Al₂O₃ — и поэтому с большим основанием могут рассматриваться на основе тройных диаграмм состояния и вязкости СаО—SiO₂—Al₂O₃. Их состав и свойства связаны с со­ставом выплавляемого чугуна и служат одним из показателей правильного подбора шихтовых материалов для получения того или иного продукта доменной плавки.

Состав конечного шлака при выплавке передельного чугуна (для мартеновских печей и кислородных конвертеров) из криво­рожских руд следующий: 39,5% SiO₂, 7,5% Al₂O₃, 45,5% СаО, 2,5% MgO, 3,4% MnО, 0,3% FeO и 1,7% S. Тесная связь состава чугуна с составом конечного шлака обусловлена приближением к равновесию между ними при относительно большом времени пребывания в горне доменной печи.

Наличие такой связи, подтвержденной в свое время многочис­ленными производственными данными, позволило академику М. А. Павлову рекомендовать составы нормальных шлаков для выплавки различных видов чугуна.

Позже для определения оптимальной суммы оснований в шлаке при выплавке различных марок чугуна на коксе была предложена формула А. Н. Рамма, учитывающая требуемый состав чугуна по кремнию и сере:

(СаО +  MgO + МnО + FеО) = 50—0,25 (Al₂O₃) + 3 (S) —

0,3 [Si]+30 [S] / A

Здесь содержания компонентов в шлаке ( ) и в чугуне [ ] берут в процентах, а через А обозначен выход шлака в тоннах на 1 т чугуна (А — 0,4÷1,48).

Значительное влияние на ход доменной плавки оказывает не только сам процесс шлакообразования и дальнейшего формирова­ния состава и свойств шлака, но и подготовительные процессы спекания и размягчения железосодержащих материалов.

При образовании в процессе размягчения большой по высоте области тестообразных, вязких масс создаются значительные трудности для нормального распределения газового потока. При небольшом и пониженном температурном интервале размягчения шлаки будут иметь повышенное содержание закиси железа, что обеспечит их легкоплавкость и подвижность. Как правило, при этом нормальное распределение газового потока не нарушается и становится возможным форсирование ведения доменного про­цесса увеличением количества подаваемого в печь дутья. Такие же условия создаются и при применении агломерата, особенно офлю­сованного, для которого процесс шлакообразования заранее под­готовлен еще при агломерации и интенсивно протекает в небольшом и пониженном температурном интервале. Сравнительно холодный шлак, попадая в горн, снижает его температуру и создает условия для выплавки чугунов с пониженным содержанием трудновос- станавливаемых элементов, в первую очередь кремния. Описанные условия благоприятны для получения маломарганцовистых и малокремнистых чугунов, практика производства которых на­ходит широкое распространение в настоящее время. Такие чугуны перерабатываются современными сталеплавильными процессами (высокопроизводительная мартеновская плавка и кисло­родный конвертерный процесс).

Наоборот, для производства продуктов, содержащих повышен­ные количества трудновосстанавливаемых элементов, необходимо иметь тугоплавкие шлаки, образующиеся на более низких гори­зонтах доменной печи. Это обеспечивает высокотемпературный режим горна и значительное развитие восстановления окислов кремния и марганца твердым углеродом, которое требует высоких температур и больших затрат тепла.