» » Устойчивость доменных шлаков
09.06.2015

Изменяемость плавкости и вязкости шлаков от состава названа В.Е. Васильевым устойчивостью. Чем менее резки эти изменения, тем шлак более устойчив. Из рис. 94 видно, что шлаки, содержащие от 42 до 50% SiO2 в отсутствии глинозема, или от 30 до 40% SiO2 при 12—20% Al2O3, и все промежуточные составы крайне неустойчивы по температурам кристаллизации, так как последние резко изменяются при незначительном изменении содержания SiO2 или СаО. При увеличении содержания Al2O3 изотермы температур плавления расположены более редко; следовательно, более глиноземистые шлаки при том же соотношении СаО: SiO2 более устойчивы. Из рассмотрения той же диаграммы видно, что почти все кислые шлаки устойчивы, а шлаки, содержащие менее 10% Al2O3 при 40—45% СаО, неустойчивы. Можно также заметить при 1500° крайнюю неустойчивость вязкости (частое расположение изоком) основных шлаков, содержащих 44—50% SiO2 в отсутствии глинозема, или 30% SiO2 при 12—20% Al2O3 и всех промежуточных составов (рис. 103). При 1400° поле неустойчивых по вязкости шлаков расширяется, но и здесь крайней неустойчивостью характеризуются именно основные шлаки (рис. 102). При увеличении содержания SiO2 и Al2O3 шлак попадает в область устойчивых по вязкости составов. Несколько менее резко то же явление видно из рис. 104 и 105. Таким образом, устойчивость шлаков по температуре кристаллизации и по вязкости подчиняется общей закономерности: она меньше у шлаков основных малоглиноземистых и больше у кремнеземистых и основных с повышенным содержанием глинозема.
Нетрудно понять, почему устойчивость шлаков играет большую роль в доменном процессе. В производственной практике неизбежны непроизвольные изменения ряда условий плавки. Возможны колебания состава руд, кокса и его золы, флюсов; возможны неточности при взвешивании шихты. Бывают существенные нарушения в распределении материалов на колошнике и перераспределении их при опускании, меняется содержание влаги в дутье, нагрев дутья и его количество и т. д. Все эти изменения, часто неучтенные технологом, отражаются на составе конечного и промежуточного шлаков. Если изменения состава шлака будут резко изменять его свойства (температуру плавления, вязкость), то ход печи будет неустойчив по нагреву горна и по скорости схода подач. Допуская, что изменения состава шлака по трем основным окислам достигают 2%, следует подобрать такой шлак, чтобы температура его плавления и вязкость менялись в пределах (например, не более 25° или 1—2 пуаз), не влияющих существенно на работу печи.
О том, насколько важно, чтобы шлаки располагались вне области густо расположенных изотерм и изоком, можно судить по ряду примеров, детально рассмотренных М.А. Павловым при изучении влияния золы горючего на свойства шлака. В золе кокса отношение SiO2 : Al2O3 в большинстве случаев ниже, чем в пустой породе руды, т.е. зола богаче глиноземом, чем руда. В тех случаях, когда к шлаку на уровне фурм присоединяется сравнительно много золы, последняя может повысить в нем содержание Al2O3. В связи с этим шлак может выйти из области с густо расположенными изотермами (неустойчивые шлаки) в область с редко расположенными изотермами (устойчивые шлаки). Рассматриваемый М.А. Павловым пример плавки мартеновского чугуна из криворожской руды на донецком коксе с расходом кокса 1,0 при относительном количестве шлака 0,47 дает следующий состав шлака без золы: 36,2% SiO2, 7,1% Al2O3, 55,5% CaO. В золе содержится 59% SiO2, 31% Al2O3 и 8,2% CaO; а в конечном шлаке — 40,1% SiO2, 11,2% Al2O3 и 47,3% CaO. В выпускаемый шлак поступает 87% шлака, пришедшего на фурмы, и 13% — из золы кокса. Таким образом, сильно глиноземистая зола (SiO2 : Аl2O3=2) при малоглиноземистой породе руды (SiO2 : Аl2O3=5,1) и при относительно большом количестве золы существенно изменяет состав шлака, повышая в нем содержание Al2O3 от 7,1 до 11,2%. Поэтому состав шлака передвигается из области с температурой плавления около 1700° и с густорасположенными изотермами в область с температурой плавления около 1350° и с реже расположенными изотермами. При увеличении содержания Al2O3 еще на 2—3% шлак уже находится в устойчивой области. Особенно ясно виден переход в устойчивую область на диаграммах вязкости (рис. 102 и 103). Шлак, приходящий на фурмы, лежит вне поля изоком, левее самых вязких шлаков, а окончательный — попадает в область малых и устойчивых вязкостей.
Весьма высокая расчетная температура шлака, еще не растворившего золы, но включившего якобы всю породу руды и флюс, свидетельствует о том, что такой шлак фактически и не образуется. He вся известь, предназначенная для окончательного шлака, растворяется в нем: значительная ее часть к шлаку примешивается механически, сильно сгущая его и делая тестообразным. Только добавление к такой массе золы, притом глиноземистой, делает шлак нормальным и сравнительно устойчивым.
Явление это усугубляется при плавке бессемеровских чугунов на Юге, когда руды содержат еще меньше Al2O3, чем при мартеновском чугуне. Поэтому легкоплавкий и устойчивый окончательный шлак вовсе не свидетельствует еще о том, что и первичный шлак такой же. Этим, кстати, объясняются частые затруднения в работе доменных печей Юга, особенно на бессемеровский чугун. Низкое содержание Al2O3 в рудах является причиной неустойчивости первичных шлаков, а окончательный шлак может оказаться устойчивым.
Однако в других случаях, когда отношение SiO2 : Al2O3 в породе руды и в золе кокса одинаково, зола, присоединяясь к шлаку, не меняет его свойств, что имеет место при работе печи на магнитогорской руде и коксе из восточных углей (другой пример М.А. Павлова). В этом случае отношение SiO2 : Al2O3 в породе и в золе находится в пределах 1,65—2.
А.Д. Сокольский обратил внимание на то, что при температурах выше ликвидуса вязкость жидкости, определяемая в вискозиметре, не меняется, как бы ни был длителен опыт и как бы ни менялась скорость охлаждения. При температурах же ниже ликвидуса очертания кривой вязкости меняются в зависимости от скорости охлаждения и времени выдержки.
При одной и той же температуре измеряемая вязкость шлака возрастает:
1. При замедленном охлаждении, так как при этом полнее проходит процесс кристаллизации, приближаясь к равновесию кристаллов и жидкости: кристаллов получается больше и они становятся крупнее.
2. С увеличением длительности эксперимента, так как чем дольше выдержка расплава при данной температуре, близкой к температуре кристаллизации, тем процесс кристаллизации более приблизится к равновесному. Следовательно, при охлаждении выделяется больше кристаллической фазы.
Наоборот, при быстром охлаждении жидкость может переохладиться, рост кристаллов будет мал, кривая вязкости пологая. При недлительном эксперименте процесс кристаллизации не доходит до равновесного состояния между кристаллической и жидкой фазами, кристаллов мало, вязкость низка. Данное явление А.Д. Сокольский назвал «аномалией вязкости».
На рис. 106 точка Ts — температура ликвидуса; при более высокой температуре шлак представляет гомогенную систему; вязкость его неизменна при любой длительности выдержки. Ниже температуры Ts — вязкости разные в зависимости от времени и скорости охлаждения.
Если при одной и той же температуре T1 выдерживать шлак, то он будет загустевать, причем вязкость его будет принимать все возрастающие значения η1, η'1, η''1 и т.д.
Устойчивость доменных шлаков

На рис. 106 кривая 1 относится к шлаку, сохраняющему при охлаждении гомогенное состояние, а кривые 2 и 3 — к шлакам, охлаждающимся более или менее медленно и потому переходящим при температурах ниже Ts в гетерогенное состояние. При температуре ниже начала кристаллизации вязкость шлака, даже небольшая, — неустановившаяся, лабильная по выражению А.Д. Сокольского.
Отсюда вывод: вязкость при любой температуре устойчива только в тех участках диаграммы, при которых температура плавления шлака не выше той, для которой взята вязкость.
Средняя температура выпускаемых шлаков обычно около 1500°. Если на диаграмму вязкости при 1500° спроектировать изотерму 1500° диаграммы температур плавления, получим картину, изображенную на рис. 107. На этой диаграмме внутри изотермы 1500° находятся шлаки с температурой плавления ниже 1500°; для них изокомы дают устойчивую вязкость. Наоборот, шлаки за пределами изотермы, имеющие температуры плавления выше 1500°, даже при вязкости 5—7 пуаз, неприемлемы. Хотя при температуре выше 1500° они и будут иметь низкую вязкость, но все эти значения окажутся неустойчивыми, ненадежными, так как 1500° для этих шлаков — область ниже ликвидуса, а в этой области они лабильны.
Устойчивость доменных шлаков

Сокольский объясняет расхождения данных исследователей, отмеченные выше и объяснявшиеся по-разному Н.В. Руллой и И.П. Семиком, тем, что в опытах применялись разные скорости охлаждения.
Отсюда можно заключить, что надо останавливаться на шлаках, лежащих внутри изотермы температуры, для которой выбирается вязкость. Следует выбирать такие шлаки, чтобы вязкость их была не выше 6—8 пуаз (для основных шлаков) и чтобы составы их находились в областях устойчивых по температуре плавления и вязкости расплавов.
Приведенные суждения относятся к трехкомпонентным шлакам, более или менее сходным с реальными. Присутствие других окислов часто существенно меняет свойства шлаков, делая тугоплавкие — легкоплавкими, вязкие — подвижными, неустойчивые — устойчивыми.