» » Влияние свойств шлаков на работу печи
09.06.2015

От свойств первичного, промежуточного и конечного шлака зависит ровность схода шихты, температура в горне и другие характеристики процесса. Важнейшими свойствами шлаков являются их температура плавления, вязкость и химический состав. На работу печи влияет также и количество шлака.
Рассмотрим влияние этих факторов на ход печи. С повышением температуры плавления шлак при прочих равных условиях поступает в горн более нагретым. В свое время Де-Ватер, а позже М.А. Павлов показали, что температура плавления шлака определяет температуру, которую он будет иметь на уровне фурм: если шлак легкоплавкий, он расплавится на относительно высоком горизонте, причем, расплавляясь, будет поглощать тепло без повышения температуры. Лишь полностью перейдя в жидкое состояние, шлак продолжает нагреваться, но в жидком состоянии он подвигается между кусками шихты быстрее, чем его составные твердые части и кусковой материал. Поэтому после расплавления шлак не может нагреться достаточно сильно. В противоположном случае, когда температура плавления шлака высока, он переходит в жидкое состояние в более низком горизонте печи, приходит к фурмам нагретый до соответственно более высокой температуры.
Таким образом, температура шлака в горне определяется не только расходом кокса и нагревом дутья, но и нагревом поступающих жидких продуктов плавки. Чугун, образующийся всегда при одной приблизительно температуре, стекает в горн с одинаковыми примерно скоростью и теплосодержанием. Теплота же нагрева шлака различна и зависит от температуры его плавления. Если шлак приходит в горн нагретым до более высокой температуры, то и горн будет более «горячим», несмотря на то, что расход кокса и нагрев дутья могут быть в обоих случаях одинаковы. А так как в нижней части печи происходит восстановление наиболее грудно-восстановимого элемента кремния, то при более тугоплавком шлаке кремния в чугуне больше — чугун, как говорят, «химически горячее». Отсюда установившееся положение: тугоплавкий шлак «греет» горн, легкоплавкий — «охлаждает». Это следует понимать не буквально, а условно: более тугоплавкий шлак приходит к фурмам с более высокой температурой, чем легкоплавкий, и при этом температура продуктов плавки выше. При легкоплавком шлаке труднее добиться той же температуры горна, что при тугоплавком. Другие меры для лучшего нагрева горна, а именно — повышенный расход кокса и нагрев дутья — также способствуют повышению содержания кремния в чугуне, но путь этот менее эффективен, со значительным при этом и ненужным повышением температур по всей высоте печи и даже на колошнике.
В действительности шлак редко расплавляется при вполне определенной температуре. В большинстве случаев процесс расплавления растягивается в довольно широком интервале температур и в обширном объеме печи. Тем не менее можно условно различать шлаки трудно- и легкоплавкие. Роль плавкости шлаков усиливается тем, что наиболее легкоплавкие и подвижные из них — обычно железистые и марганцовистые. Кроме того, эти шлаки имеют наибольший удельный вес. Вследствие этого они быстрее стекают вниз и меньше нагреваются. В заплечиках и горне восстановление железа и марганца из шлаков происходит быстро, но с поглощением большого количества тепла, а это также ведет к дальнейшему охлаждению горна. Поэтому охлаждающее действие легкоплавких шлаков часто оказывается следствием не только низкой температуры их плавления, но и чрезвычайно быстрого их протекания в горн и большого потребления тепла в горне на восстановление железа и марганца твердым углеродом.
Таким образом, подвижность и удельный вес первичного и промежуточного шлаков играют существенную роль в регулирующем нагрев горна действии шлака. Если легкоплавкий шлак окажется малоподвижным, он дольше задержится на пути от места плавления до горна и нагреется до более высокой температуры, чем шлак легкоподвижный; наоборот, подвижный шлак согреет горн меньше, чем малоподвижный, если даже он будет тугоплавким.
Подвижность шлака обычно определяется вязкостью, т. е. «внутренним трением» жидкости. Понятие это обратно текучести: чем вязче шлак, тем он менее подвижен. Вязкость шлака измеряется пуазами. Представление об этой величине можно составить, если учесть, что, например, касторовое масло при 20° имеет вязкость около 10 пуаз, глицерин — 7,8 пуаза, а вода — 0,01 пуаза. Легкоподвижные доменные шлаки при выпуске из печи обладают вязкостью 3—6 пуаз, а шлаки, почти не вытекающие из печи — до 50 пуаз и более. Вязкость каждого шлака уменьшается с повышением температуры.
В доменной печи происходит «саморегулирование» вязкости шлака, связанное с тем, что вязкость первичного шлака зависит от содержания FeO и MnO в нем, а скорость продвижения и нагрева зависит от вязкости. Так, интенсивное восстановление железа и марганца на некотором горизонте вызовет повышение вязкости шлака; следствием этого будет задержка его схода и усиленный его нагрев. Поэтому шлак будет достаточно текучим, несмотря на пониженное содержание в нем FeO и MnO. Наоборот, при медленном восстановлении Fe и Mn шлак, сохраняя высокую текучесть, приходит в горн быстро и потому нагревается мало. Вследствие этого его текучесть не будет чрезмерно велика. Вот почему его вязкость при данном содержании FeO и MnO в первичном шлаке оказывается более или менее стабильной, независимо от интенсивности восстановления Fe и Mn при продвижении шлака к горну.
В силу такого саморегулирования и можно говорить о вязкости в зависимости от состава первичного шлака, как о величине, характерной и для конечного шлака.
Все сказанное убеждает в том, что шлак в доменной печи никогда не может быть значительно перегрет сверх температуры его плавления, на что много раз указывал А.А. Байков. Фактически перегрев колеблется в пределах 50—100°, а при выплавке ферросилиция — 200°.
Данные о температуре, теплоте плавления и вязкостях обычно относятся не к первичным и промежуточным шлакам, свойства и поведение которых определяют ход печи, а к конечным. Последние образуются только в горне и не регулируют процессов в печи, поскольку при более низких температурах в распаре и заплечиках не бывает шлака конечного состава. Свойства конечного шлака, однако, в некоторой степени отражают свойства первичного и промежуточного шлаков в том смысле, что более тугоплавкому и вязкому окончательному шлаку соответствуют, как правило, более тугоплавкие и вязкие первичный и промежуточный шлаки. Если, например, более известковый шлак является более вязким и тугоплавким, то такому конечному шлаку отвечает и промежуточный шлак, интенсивно теряющий содержавшиеся в нем FeO и MnO и растворяющий в себе CaO. Такой промежуточный шлак также сравнительно тугоплавок и вязок. Обратная картина имеет место при малоизвестковых конечных и отвечающих им промежуточных шлаках (в условиях плавки на коксе).
Указанные свойства шлака влияют не только на температуру горна, но и на ход печи. Так, например, тугоплавкий и вязкий шлак, заполняя пространство между кусками шихтовых материалов (главным образом кокса), ухудшает газопроницаемость столба материалов. Наоборот, легкоплавкие и подвижные шлаки, энергично протекая и как бы «проливаясь» сквозь слой кусковых материалов, оставляют еще не заполненными межкусковые пустоты, через которые проходят газы. Газопроницаемость всего столба в этом случае оказывается больше, а ход печи — ровнее.
Вязкий шлак может налипать на стенки печи, способствуя образованию настылей или создавая условия кострения материалов при опускании, зависания шихты. Чрезмерно подвижный жидкий шлак тоже вреден, так как может не только остудить горн, но и разрушить футеровку нижней части печи.
Вред вязких шлаков сказывается тем сильнее, чем больше их количество. Сравнительно вязкий шлак, если его немного, заполняет не все пустоты и оставляет путь для газов; очень подвижный шлак, даже в относительно большом его количестве, может еще оставить проходы газам. Однако большое количество весьма вязкого шлака значительно нарушает ровный сход шихты. При этом даже вязкий шлак течет в пустотах между кусками кокса лучше, чем шлак с механически примешанными кусочками коксика, извести или других твердых веществ. Эти примеси затрудняют свободное и быстрое продвижение шлака в межкусковых пространствах. Вредное действие механических примесей в шлаке ослабевает с уменьшением его вязкости.
Таким образом, количество шлака во взаимосвязи с его вязкостью является одним из важнейших факторов ровного хода печей.
На газопроницаемость столба материалов в печи влияет не только состояние участка, где жидкий шлак проходит между кусками материалов, но и расположение и распространение зоны, в которой находятся тестообразные массы руды, частично размягчившейся и начинающей спекаться. Такая вязкая масса заполняет пустоты между кусками и создает преграду движению газов. Слой пластической массы должен быть тоньше, а это возможно только при условии, что интервал температур размягчения руды небольшой. Чем ниже температура размягчения руды, тем больше железа остается невосстановленным до размягчения и, следовательно, больше закиси железа переходит в первичный шлак. Следовательно, низкая температура размягчения способствует образованию железистых шлаков, и чем ниже эта температура, тем более легкоплавки и менее вязки первичные шлаки, содержащие много закиси железа. Однако широкий интервал температур размягчения, даже при низкой температуре начала размягчения, не дает возможности использовать хорошую подвижность шлака для ровного хода печи, а толстый слой тестообразной массы, имеющий плохую газопроницаемость, будет ограничивать возможность вдувания в печь большого количества дутья.
Из сказанного видно, что легкоплавкие и маловязкие шлаки благоприятствуют форсированной работе, но не дают возможности получить кремнистые, «горячие» чугуны. Наоборот, тугоплавкие и не очень подвижные шлаки «греют» горн, но нарушают ровный ход при большом количестве дутья.
Две отмеченные крайности интересны с принципиальной стороны, но они условны, и практически ни одна из них не допустима в работе. Чрезмерно легкоплавкий и подвижный железистый шлак приводит к похолоданию горна, а тугоплавкий и вязкий шлак — к тугому ходу и зависанию. Технолог должен избегать не только этих крайностей, но и всякого приближения к ним, выбирая, в зависимости от обстоятельств, такое течение процессов образования первичного и конечного шлаков, которое обеспечивает в каждом случае ровный ход при необходимом тепловом напряжении горна.
Интересен такой практический пример влияния свойств шлака на температуру горна: высокомарганцовистым чугунам, например, ферромарганцу с 80% Mn, сопутствуют легкоплавкие и подвижные не только первичные, но и конечные шлаки с высоким содержанием MnO. Вследствие этого, хотя плавка ферромарганца ведется при расходе кокса, превышающем в 2—2,5 раза таковой при плавке передельного чугуна и при высоком нагреве дутья (700—1000°), температура чугуна и шлака, а также температура на фурмах оказывается ниже, чем при обычных чугунах. Ройстером измерены следующие температуры при выплавке разных чугунов (табл. 10).
Влияние свойств шлаков на работу печи

Если при литейном чугуне, когда горн горячее, чем при мартеновском, соответственно выше все температуры, то при плавке марганцовистых чугунов все температуры гораздо ниже, чем при мартеновском, несмотря на более высокие расходы кокса и нагрев дутья. При этом у ферромарганца это сказывается резче, чем у зеркального чугуна (с содержанием около 20% Mn), так как в шлаке первого соответственно больше MnO, чем в шлаке второго.
А.П. Любан показал, что при выплавке ферромарганца температуры металла и шлака оказываются тем выше, чем больше содержится в шлаке CaO. Так, например, при шлаке с 25% CaO температура металла составляла 1295°, а шлака — 1350°; при 35% CaO соответственно 1415 и 1430°, а при 39% CaO в шлаке — 1515 и 1587°.
Оказывается, что расход кокса и нагрев дутья нужно изменять для регулирования нагрева чугуна не произвольно, а только в тесной связи во свойствами шлаков; игнорирование этого условия может дать обратный результат.
В связи со сказанным, можно отметить следующее обобщение М.А. Павлова. В шихте восстановимость руд и плавкость их пород могут сочетаться по-разному: в легковосстановимой руде может присутствовать легкоплавкая и трудноплавкая порода. С теми же видами породы может сочетаться и трудновосстановимая руда.
Из отмеченных четырех характерных сочетаний крайними являются два: 1) трудновосстановимая руда при легкоплавкой породе и 2) легковосстановимая руда при трудноплавкой породе. При этом основную роль играет восстановимость, так как порода руды большей частью мало отличается по плавкости Нетрудно видеть, что эти случаи соответствуют: первый — выплавке малокремнистого чугуна при низком нагреве горна с возможно большей форсировкой печи; второй — производству кремнистого чугуна при медленном ходе печи. Все прочие случаи соответствуют промежуточным характеристикам хода доменной печи.
Химический состав шлаков также оказывает существенное влияние на процессы в печи. Чем больше в шлаке оснований, тем легче восстанавливаются элементы, связанные с кислородом в основные окислы, т. е. железо, марганец и ванадий; наоборот, при кислых шлаках труднее восстанавливаются Mn и V, больше их окислов входит в шлак. Основность шлака влияет и на растворение серы в шлаке.
Говоря о влиянии основности шлака на ход химических реакций, нужно иметь в виду, главным образом, конечный шлак, поскольку о восстановлении элементов и шлаковании серы судят по окончательному эффекту этих процессов, т. е. по содержанию тех или иных элементов в конечных продуктах плавки — чугуне и шлаке.
При этом состав шлака влияет на интенсивность реакции в тесной связи с вязкостью шлака. Так, восстановление элементов и шлакование серы проходят тем полнее, чем подвижнее шлак. Количество шлака также влияет на эти процессы: с увеличением количества шлака возрастает количество восстанавливаемого кремния и количество шлакуемой серы, но хуже восстанавливается марганец.