Тройная диаграмма состояния плавление и шлакообразование по высоте доменной печи

Обновлено: 13.05.2024

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) —

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.

Тройная диаграмма состояния плавление и шлакообразование по высоте доменной печи

Сырые материалы — руды, агломерат, известняк и кокс — после загрузки в доменную печь, опускаясь, подвергаются действию встречного потока горячих восстановительных газов, поднимающихся от горна к колошнику. При взаимодействии сырых материалов с газами происходит непрерывное изменение температуры, химического состава и физического состояния этих материалов и, соответственно, изменяется состав, температура и давление газов.
Движение столба шихтовых материалов обусловлено горением кокса у фурм, истиранием, измельчением и плавлением материалов, а также периодическим выпуском чугуна и шлака.
Скорости опускания материалов в печи неодинаковы как по горизонтальному сечению, так и по высоте: наибольшие скорости — над зонами горения кокса, рудная часть шихты, особенно после расплавления, движется гораздо быстрее (примерно в два раза) кокса. Время пребывания материалов в печи составляет обычно 6—8 час., а средняя скорость их движения 2,5—3,5 м/час. В верхней части печи скорость движения шихты достигает 10 м/час, в средней части шахты понижается до 4—5 м/час и в нижней части (до фурм) — до 3,5 м/час.
Постепенно опускаясь, шихтовые материалы попадают в горн, в окислительную зону, где происходит горение кокса и частичное окисление образовавшегося ранее чугуна.
В горне движение материалов, особенно кокса, носит сложный характер. Процесс горения кокса у фурм в окислительной зоне, согласно существующим представлениям, подобен горению топлива в слое.
Вблизи устья фурмы протекает реакция

По мере удаления от фурмы с нарастающей интенсивностью происходит реакция газификации углерода:

следовательно, изменяется состав газовой фазы по оси фурм (рис. 8).
По последним данным, подобная картина изменения состава газа наблюдается при малом количестве дутья. С повышением интенсивности плавки качественно изменяется характер горения. Перед фурмами энергично циркулируют кокс и газ в сферической полости, образованной выходящей из фурм струей дутья (рис. 9). Газификация углерода при этом протекает в промежуточном слое, окружающем сферу циркуляции. Изменение состава газа по оси фурм в этом случае имеет несколько иной характер (рис. 9) и характеризуется сравнительно слабым изменением содержания кислорода внутри циркуляционной зоны.

Образовавшиеся при горении газы распространяются по сечению печи и продвигаются через столб шихтовых материалов вверх, к колошнику. Из-за неоднородности столба шихтовых материалов и в зависимости от формы профиля печи распределение газового потока неравномерно обычно более развит периферийный поток газа.
Время пребывания газов в печи 2—4 сек. Наибольшая скорость газа наблюдается на участке фурмы — распар (до 32—64 м/секменьшая (22—24 м/сек) — на участке распар — колошник. При проходе через столб шихтовых материалов постепенно уменьшаются давление и температура, а также изменяется состав газов (рис. 10).
Перепад давления газов при работе печей с повышенным давлением на колошнике 0,7—0,75 ати составляет 1,1—1,2 ата. Максимальные температуры 1800—1900° развиваются в зоне горения. Температура газа на колошнике при выплавке передельного чугуна обычно составляет 200—300°, по сечению печи температура газов не остается постоянной — у стен печи она значительно выше (рис. 10).

По высоте печи наблюдается неравномерное распределение температур, носящее S-образный характер. Наиболее резко изменяется температура в нижней и верхней зонах и сравнительно слабо — в средней. Согласно теории Б.И. Китаева, подобное распределение температур определяется наличием теплотехнических зон, в которых теплообмен практически завершен. В нижней зоне теплообмен протекает весьма активно и температура газов быстро снижается до температуры шихты; в средней зоне на значительной высоте разность температур мала и теплообмена почти нет; в верхней части, куда поступает свежая шихта, при наличии большой разности температур между газом и шихтой теплообмен протекает довольно интенсивно.
Состав газа в области фурм обусловлен составом подаваемого в печь дутья. В более высоких горизонтах газ сначала обогащается CO (до 37—41%), а затем CO2. Изменение состава газа (рис. 10) происходит в результате реакций восстановления и разложения плавильных материалов, главным образом известняка.

Изменение состава шихтовых материалов

После загрузки в доменную печь из шихтовых материалов под действием горячих газов удаляется гигроскопическая влага, а затем гидратная вода. Удаление гидратной воды в основном заканчивается при 400—600°.
По мере продвижения материалов в зоны более высоких температур удаляются летучие из кокса, разлагаются углекислые соли, иногда присутствующие в рудах, и разлагается известняк.

Интенсивное разложение известняка наблюдается при температурах выше 900°, когда давление выделяющейся CO2 превышает атмосферное. Заканчивается разложение, особенно в более крупных кусках, при 1000—1100°. На разложение известняка нередко затрачивается до 15% общего количества тепла. С целью экономии тепла и расхода кокса используют офлюсованный агломерат высокой основности; при этом известняк из доменной шихты исключают.

Восстановление окислов железа и других элементов

Основу доменной плавки составляют процессы восстановления окислов железа. Восстановителями окислов железа в твердом состоянии в условиях доменной печи служат в основном окись углерода и в меньшей степени — водород.
Современная теория восстановления окислов металлов основана на грудах советских ученых А.А. Байкова, M.А. Павлова, И.А. Соколова и др.
В соответствии с принципом последовательного превращения, установленного А.А. Байковым, восстановление окислов железа протекает ступенчато от высшего к низшему вплоть до образования металлического железа.
При температурах выше 570° восстановление окислов железа окисью углерода протекает по следующим реакциям, именуемым реакциями «косвенного» восстановления:

Ниже 570° магнитная окись железа восстанавливается непосредственно до металлического железа, минуя вторую ступень.
Состояние равновесия для любой из указанных реакций характеризуется константой равновесия Kр= рСО2/рСО, т. е определенным составом газовой фазы при данной температуре (рис. 11). Восстановление идет тем успешнее, чем богаче газовая фаза окисью углерода по отношению к ее равновесному содержанию.
В доменной печи газовая фаза является восстановительной для всех окислов железа [(рСО2/рСО)дом.печи << (рСО2/рСО)равнов], поэтому на любом горизонте печи имеются благоприятные условия для восстановления окислов железа.

Кроме газовой фазы, обогащенной окисью углерода, успешному восстановлению окислов железа способствуют высокие температуры, достаточная газопроницаемость шихты, тщательная подготовка сырых материалов и ряд других факторов.
Механизм процесса восстановления окислов железа, согласно теории Г.И Чуфарова и др., носит адсорбционно-автокаталитический характер. Процесс восстановления сводится к трем последовательным стадиям адсорбции газа-восстановителя на поверхности окисла, поверхностной реакции адсорбированных молекул восстановителя с кислородом кристаллической решетки окисла, сопровождающейся кристаллохимическими превращениями, и десорбции газообразных продуктов реакции.
В условиях доменной печи восстановление окислов железа происходит с достаточной скоростью и начинается уже в верхних горизонтам печи. Окись железа восстанавливается при 350—400°, FegO4 — в интервале 600—800°. Восстановление закиси железа происходит при еще более высоких температурах, причем начиная с 950—1000° и выше восстановление закиси железа протекает с участием раскаленного углерода кокса.
Так называемое «прямое» восстановление

происходит фактически газом-восстановителем — окисью углерода, образующейся в результате взаимодействия

Таким образом, при прямом восстановлении одновременно протекают реакции восстановления FeO окисью углерода и взаимодействие CO2 с углеродом. Скорость этого процесса определяется в основном скоростью реакции газификации углерода. Температурная зона развития только прямого восстановления лежит выше 1100—1200°, располагаясь в распаре и заплечиках.
Прямым путем при выплавке обычных сортов чугуна восстанавливается 40- 60% железа. Снижение степени развития прямого восстановления способствует уменьшению расхода кокса.
Для каждого сорта чугуна и различных условий плавки должно существовать оптимальное соотношение между прямым и косвенным восстановлением. Для повышения технико-экономических показателей плавки необходимо повышение степени косвенного восстановления, достигаемое тщательной подготовкой сырья, лучшим распределением материалов и газов в печи и другими мероприятиями, повышающими восстановимость шихты.
Кроме окиси углерода, газовая фаза доменной печи в небольшом количестве (1,6—2,6%) содержит еще более энергичный восстановитель — водород, который ускоряет процесс восстановления окислов железа.
Наряду со свободными окислами железа в агломератах, рудах и шлаках, добавляемых в шихту, обычно присутствуют силикатные соединения железа. Силикаты железа образуются и в доменной печи при формировании шлака. Восстановление железа из этих соединений более трудно; оно происходит из шлаковой фазы углеродом в области распара и заплечиков. Этот процесс облегчается при добавлении в шихту извести за счет образования прочных силикатов кальция,

Кроме железа в процессе доменной плавки восстанавливается некоторое количество Si, Mn, P и в отдельных случаях Cu, Ni, Cr, As и других элементов. Эти элементы в виде окислов или других соединений либо находятся в проплавляемых материалах, либо их вводят в шихту (например, Mn) для получения чугуна необходимого состава. Полнота восстановления этих элементов зависит от температурных условий плавки, прочности окисла элемента, состава и свойств шлака, возможности образования растворов с железом и карбидов и от других факторов. Трудновосстановимыe окислы MnO и SiO2 восстанавливаются в зоне высоких температур (в заплечиках и горне) углеродом преимущественно из шлака:

При выплавке передельных чугунов в металл переходит 50—70% марганца шихты, в большем количестве он восстанавливается при выплавке высокомарганцовистых чугунов; кремния восстанавливается значительно меньшее количество (25—35%), основная масса его остается в шлаке. Фосфор практически полностью восстанавливается и переходит в чугун, лишь при выплавке феррофосфора до 5—12% P переходит в шлак. Восстановление фосфора происходит прямым путем в нижних горизонтах шахты и в распаре по реакции

(CaO)3 * P2O6 + 5С = ЗСаО + 2Р + 5CO

Из других элементов в условиях доменной плавки при наличии их в шихтовых материалах практически полностью восстанавливаются медь, никель, кобальт и большая часть хрома.

Образование чугуна и шлака

Процесс восстановления руды завершается образованием металлического железа. Частицы восстановленного железа, отдельного куска руды или агломерата, тесно перемешанные с пустой породой, принимают форму губки. Постепенно опускаясь, они подвергаются действию газа-восстановителя при все более высокой температуре. Металлическое железо науглероживается, а пустая порода, взаимодействуя с невосстановленными окислами железа и марганца, а также с известью, образует первичный шлак (рис. 12). Науглероживание твердого железа, по-видимому, идет по реакциям:

Окись углерода разлагается на поверхности восстановленного железа с выделением активного углерода, который, диффундируя, растворяется в металле. Науглероживание начинается в нижней части шахты и интенсивно протекает в распаре, заплечиках и горне доменной печи.
Углерод понижает температуру плавления железа, поэтому в ходе науглероживания примерно при 1200—1300° происходит оплавление частиц железа и образование капель чугуна. Стекая вниз и соприкасаясь с раскаленным коксом и шлаком, чугун дополнительно науглероживается и обогащается восстановленными примесями — фосфором, марганцем и кремнием. Конечное содержание углерода в чугуне определяется в основном содержанием других элементов. Mn, Cr, V, Ti как карбидообразующие элементы способствуют переходу в чугун большего количества углерода; действие Si, Р, S обратное Передельный чугун обычно содержит 3,8—4,2% С.
Окончательное формирование состава чугуна после прохождения окислительной зоны у фурм происходит в горне. В этом процессе существенную роль играет состав и свойства шлака, шлак обеспечивает также необходимую степень десульфурации чугуна.
Горизонт, на котором происходит образование шлака, не является постоянным даже для одной и той же печи; начало шлакообразования (см. рис. 12) зависит от качества шихтовых материалов, состава, температуры и распределения разового потока, расхода кокса и температуры дутья.
Первичный шлак, образующийся в нижней части шахты и в распаре обычно обогащен закисью железа (до 20%) и закисью марганца (от 2,8 до 12,0%). Постепенно стекая в горн, шлак обедняется окисла ми железа и марганца в результате их восстановления и обогащается известью. В районе фурм в шлак переходит зола кокса. Окончательный состав шлака устанавливается в горне.
В непосредственной зависимости от состава, количества и физических свойств шлака находятся температура горна, состав чугуна и степень десульфурации. От шлакового режима зависит и ход печи.
Основными компонентами шлака являются SiO2, CaO, Аl2О3, сумма которых составляет около 90%; кроме того, в шлаке содержатся небольшие количества MgO, MnO, FeO, CaS. Одной из характеристик состава шлака является его основность CaO/SiO2, влияющая на состав чугуна. Рекомендуется при работе на коксе основность шлака поддерживать в следующих пределах:

Для определения оптимальной суммы оснований в шлаке при выплавке чугуна различных марок на коксе применяется также формула А.Н. Рамма

Важнейшие физические свойства шлака температура плавления и вязкость Легкоплавкие шлаки имеют температуру плавления 1250—1300°, тугоплавкие — до 1540°. Вязкость шлаков коксовой плавки при 1500° составляет 2—10 пз. Наиболее текучи из основных шлаков те, в которых отношение SiO2+Al2O3/CaO близко к единице.

Удаление серы

Сера в доменную печь вносится главным образом коксом и в меньшем количестве — рудой и известняком. В шихте доменной печи содержится примерно 8—9 кг серы на 1 т чугуна. При горении кокса сера окисляется, образовавшиеся SO2 и отчасти H2S восстанавливаются углеродом до парообразной серы. Небольшая часть паров серы уносится газом, большая часть переходит в металл. Из чугуна сера удаляется при взаимодействии со шлаком в основном по реакции, протекающей в горне доменной печи

FeO + C(Si, Mn) = Fe + CO(SiO2, MnO)

Внедоменная десульфурация чугуна

После выпуска из доменной печи в ковше и миксере при снижении температуры чугуна происходит частичное удаление серы в результате экзотермической реакции

Степень десульфурации чугуна марганцем невелика и зависит от начального содержания марганца и серы в чугуне. Поэтому прибегают к другим, более эффективным способам внепечной десульфурации, например к обработке чугуна щелочами каустической и кальцинирован ной содой. Операцию производят, как правило, в чугуновозных ковшах. Десульфурация содой происходит за счет образования Na2S по суммарной реакции

FeS + Na2CO3 + 2С = Na2S + Fe + 3СО

Степень десульфурации может составлять 70—90%. Хотя этот способ получил достаточно широкое распространение, неудобство применения щелочей, сильный износ огнеупоров, снижение эффективности процесса при задержке удаления содового шлака и другие недостатки ограничивают его дальнейшее развитие.
Для десульфурации чугуна применяются также твердые реагенты на кальциевой основе — обожженная известь, известняк, карбид кальция, кальций-цианамид и др. В основе этого способа лежит реакция

FeS + CaO = CaS + FeO

в присутствии углерода, который обеспечивает восстановление закиси железа.
Степень десульфурации всеми этими способами в значительной мере обусловливается начальным содержанием серы в чугуне. Для успешной десульфурации твердыми реагентами необходим длительный контакт их с чугуном и интенсивное перемешивание. Это достигается вдуванием реагентов в чугун или же обработкой в специальных вращающихся печах. Весьма эффективным способом десульфурации является вдувание порошка карбида кальция или извести с помощью азота под поверхность чугуна в ковше.

ШЛАКОВЫЙ РЕЖИМ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ

Шлаковый режим во многом является определяющим показателем работы доменной печи в силу следующих причин.

1. Температуры начала плавления и расплавления материалов (температурный интервал вязкопластичного состояния материалов) определяет развитие фурменных очагов и газодинамическую напряженность зоны вязкопластичного состояния материалов.

2. Подвижность расплавов на коксовой насадке, характеризуемая зависимостью вязкости шлака от температуры определяет термодинамические и кинетические условия восстановления примесей, а, следовательно, и качество чугуна. Кроме того, этот фактор определяет степень заполнения расплавом коксовой насадки и газопроницаемость слоя в нижней зоне доменной печи.

3. Вязкость конечного шлака определяет процессы накопления гетерогенных включений в шлаковой фазе и процессы десульфурации чугуна.

4. Возможности оперативной корректировки шлакового режима по ходу плавки весьма ограничены. Поэтому расстройства печи, связанные со шлаковым режимом, как правило, продолжительны и приводят к перерасходу кокса и потере производительности печи.

Задача выбора оптимального шлакового режима решается как задачу выбора соотношения различных компонентов железорудных материалов руды, или выбора оптимальной основности шлака.

Конечные шлаки доменной плавки состоят на 95-98 % из СаО, SiO₂, MgO и Al₂O₃. Наилучшие показатели доменной плавки достигаются при следующем составе шлака.

Шлакообразование в доменной печи - это сложный и многоэтапный процесс, включающий процесс твердофазного минералообразования, последующего размягчения, образования первичного шлакового расплава (характеризуется повышенным содержанием FeO), его изменения по мере движения в коксовой насадке и превращения промежуточного шлака в конечный шлаковый расплав.

Свойства шлака ходе всего процесса шлакообразования, начиная со стадии размягчения, последующей фильтрации первичного шлакового расплава в коксовой насадке и заканчивая получением конечного шлакового расплава, определяются зависимостью характерных температур от его химического состава.

Температура образования первых порций жидких фаз (соответствует началу усадки - температуре начала размягчения) и температура расплавления (температура появления подвижного шлакового расплава) определяется по эмпирическим уравнениям для каждого вида используемого железорудного сырья по соотношениям вида

где CaO,SiO₂. - содержание соответствующих оксидов в железорудном материале, % (масс.); а_0, а_1, а_2, а_3, а_4, а₅– эмпирические коэффициенты, различные для температур начала размягчения и температуры плавления.

За температуру расплавления ЖРМ (t_р) принимается температура при которой вязкость шлака становится равной 2,5Па•с. При этой температуре шлак начинает вытекать из коксовой насадки, освобождая каналы для движения газов. Температурный интервал плавления (Dt_пл.) железорудных материалов составляет:

Очевидно, что чем уже температурный интервал зоны вязкопластичного состояния, тем меньше газодинамическая напряженность нижней зоны печи, и тем выше суточное производство чугуна.

Известно, что количество восстановленных оксидов определяется скоростью реакции и временем, в течении которого протекает эта реакция.

Увеличение времени, в течении которого расплав пребывает в области высоких температур приводит к тому, что элементы, восстанавливаемые из шлакового расплава в большей степени восстанавливаются и переходят в чугун.

Скорость фильтрации расплава через слой кокса может быть описана уравнением Пуазейля

Повышение вязкости шлака приводит к снижению скорости фильтрации и увеличению времени его пребывания в зоне с высокой температурой. Это способствует восстановлению примесей. Именно в силу влияния вязкости шлака на процессы восстановления примесей и условия движения газов в зоне первичного шлакообразования важнейшей характеристикой шлаковых систем является зависимость вязкости шлака от температуры (политерма). Сопоставление шлаков с низкой и высокой основностью приводится на рис.13.

Вязкость шлака с основностью 1,05 при температуре превышающей 1300 о С выше, чем у шлака основностью 1,25. Следовательно, этот шлак больше времени будет находиться в зоне восстановления примесей. Потому выплавка низкопримесных чугунов производится на шлаках обладающих хорошей подвижностью при температурах выше 1250 о С.

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ - конструкции, предназначенные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ

Высокие технико-экономические показатели доменной плавки могут быть достигнуты при выполнении ряда условий, одним из которых является ровный сход (скорость опускания шихтовых материалов остается практически постоянной) шихтовых материалов.

Движение шихты определяется образованием свободного объема вследствие горения кокса, плавления рудной составляющей и периодического выпуска продуктов плавки. Тепло, необходимое для получения чугуна заданного состава генерируется за счет горения кокса на фурмах и вносится дутьем, нагретым до температуры 1200-1250 о С. Количество кокса, обеспечивающего выделение требуемого количества тепла, задается отношением массы рудной составляющей к массе кокса в порции (рудной нагрузкой). Чем больше в единицу времени будет газифицировано кокса, тем больше будет производительность печи. Следовательно, производительность печи определяется минутным количеством кислорода, подаваемого в печь с дутьем.

Движение газов происходит за счет разности давления, которое создается воздуходувной машиной и под колошником.

Шихта в доменной печи опускается за счет силы тяжести, которая определяется по уравнению

Препятствуют движению материалов сила трения шихты о стенки, которая определяется профилем печи и свойствами материала, и сила взаимодействия шихты с газовым потоком, которая выражается через перепад давления ( ) и сечение шахты (s).

В практике доменной плавки считается, что ровный сход шихтовых материалов достигается, когда степень уравновешивания ( ).

Перепад давления в слое описывается известным уравнением Эргона, которое устанавливает взаимосвязь между перепадом давления ,гранулометрическим составом шихты и параметрами комбинированного дутья.

Значение эквивалентного диаметра кусков рудного материала и кокса рассчитывается по уравнению:

где g_i - содержание i -ой фракции в материале, % (масс.)

d_i - средний диаметр i -ой фракции материала, мм.

Порозность шихты связана с насыпной массой ( ) и кажущейся плотностью материалов ( ) следующим соотношением

Учитывая послойную загрузку рудных материалов и кокса порзность шихты в верхней зоне печи можно определить по уравнению

В нижней зоне доменной печи порзность слоя определяется позорностью кокса и удельным количеством первичного шлака (Ш). Для расчета ( ) используется следующее уравнение

Общий перепад давления можно определить как сумму верхнего и нижнего перепада. При этом допускается, высота верхней зоны печи составляет 70 %, а нижней 30 %. Уравнение для расчета суммарного перепада можно упрощено записать

Порозность слоя определяется гранулометрическим составом шихты. На рис.8 представлена схема, которая поясняет влияние соотношения диаметров мелких и крупных частиц на порозность слоя.

Рис. 8. К расчету оценки влияния соотношения мелких и крупных частиц на

В зависимости от качества агломерата его порозность изменяется в пределах 0, 30 – 0,40, а порозность кокса - 0,35-0,45.

Порозность слоя материалов определяется не только порозностью агломерата и кокса, но и рудной нагрузкой. Влияние рудной нагрузки на газопроницаемость слоя шихты можно выразить через удельное газодинамическое сопротивление шихты в верхней зоне доменной печи, которое вычисляется по уравнению

Зависимость удельного газодинамического сопротивления от рудной нагрузки при использовании в шихте агломерата и окатышей приводится на рис. 9.

Рис.9. Зависимость удельного газодинамического сопротивления от рудной

Приведенные на рисунке данные показывают, что основным фактором определяющим газопроницаемость слоя является распределение рудной нагрузки по радиусу печи, которая формируется при загрузке шихты на колошнике. Поскольку рудная нагрузка распределена неравномерно, газопроницаемость слоя в кольцевых сечениях существенно различается. Газа идет больше там, где больше кокса и меньше рудных материалов, которые необходимо восстановить. Поэтому выравнивание рудной нагрузки по радиусу доменной печи способствует улучшению использования восстановительного потенциала газов, а, следовательно, и снижению энергозатрат на производство чугуна.

В тоже время выравнивание рудной нагрузки по радиусу печи приводит к ухудшению условий движения газов в зоне вязкопластичного состояния. Кокс и железорудные материалы загружаются в печь слоями. Упрощено процессы шлакообразования можно представить следующей схемой (рис. 10).

При неравномерном распределении рудной нагрузки по радиусу печи количество газа теплоносителя будет больше там, где меньше рудная нагрузка. В этих кольцевых сечениях прогрев шихты происходит быстрее. Следовательно, процессы шлакообразования начинаются на меньшем расстоянии от уровня засыпи. В тоже время в зонах с повышенной рудной нагрузкой процессы шлакообразования протекают ближе к уровню фурм. В результате чего формируется неравномерная по радиусу печи зона вязкопластичного состояния (рис.11). В пределах этой зоны газы двигаются через «коксовые окна».

Газопроницаемость слоя в зоне первичного шлакообразования определяется размером «коксовых окон», диаметром кусков кокса (зависит от горячей прочности кокса) и количеством шлака на один кубический метр коксовой насадки. Повышение неравномерности распределения рудной нагрузки по радиусу печи создает благоприятные условия для движения газов, а, следовательно, способствует повышению производительности печи. В тоже время повышение неравномерности приводит к тому, что газы двигаются преимущественно там, где много кокса и мало рудных материалов. В этих зонах восстановительный потенциал газов используется менее эффективно. Следовательно, косвенное восстановление оксидов железа развивается в меньшей степени. Это приводит к развитию процессов прямого восстановления увеличению потребности в тепле и повышенному расходу кокса.

Резюмируя сказанное выше необходимо отметить, что задача организации распределения рудной нагрузки по радиусу печи является задачей оптимизации.

Читайте также: