» » Требования к свойствам доменных шлаков
09.06.2015

Изложенное дает основание полагать, что первичные и промежуточные шлаки для обеспечения ровного хода доменной печи должны обладать следующими свойствами.
1. Шлаки должны быть равномерны по составу. Плохо, если в одних местах образуются шлаки железистые, в других — марганцовистые, в третьих — чрезмерно кремнеземистые, известковые или глиноземистые.
Наличие разных по свойствам шлаков создает неравномерность процессов и растягивает шлакообразование по высоте. Кроме того, при неустойчивом шлакообразовании на любом горизонте возможно образование жидких фаз, затем их сгущение, опять размягчение и затвердевание. Такая неустойчивость процесса ведет к образованию настылей. В связи с этим важно сохранить устойчивость горизонтов шлакообразования. Особенно важно, чтобы первичные и промежуточные шлаки были устойчивы по температурам плавления и по вязкости, саморегулируемыми.
2. Процесс шлакообразования должен по возможности протекать в ограниченном по высоте печи пространстве. Необходимо уменьшить потери напора дутья на этом участке. В первую очередь это относится к зоне первичного шлакообразования, начинающегося размягчением, с последующим образованием вязких тестообразных масс. Узкий интервал размягчения и расплавления руд сокращает участок наибольшего гидравлического сопротивления в печи.
3. Первичные шлаки должны быть достаточно подвижны. Последнее определяется не только температурой плавления шлаков и их вязкостью, но также и гомогенностью образовавшегося шлака. Чем меньше в шлаке мелких кусочков и дисперсно взвешенных частиц твердого вещества, тем первичный и промежуточный шлаки подвижнее. Однако не следует стремиться к получению чрезмерно подвижных шлаков, слишком быстро приходящих в горн и охлаждающих его. Шлаки должны не только хорошо стекать вниз, но и быстро прогреваться. Это особенно важно для шлаков нижней зоны заплечиков: при поступлении в горн они не должны сильно увеличивать подвижность. Однако в горне в процессе образования конечного шлака вязкость последнего должна быть возможно меньше.
4. Количество шлака должно быть как можно меньше. При большом количестве шлака тепло расходуется непроизводительно, повышается относительный расход кокса, а производительность печи понижается.
Рассмотрим пути обеспечения всех указанных условий.
Узкий интервал размягчения руд и агломератов обусловлен соответствующим подбором этих материалов. Размягчение не должно начинаться слишком рано, следовательно, необходимо выбирать руду и агломерат с не очень низкой температурой размягчения.
Однородность первичного и промежуточного шлаков определяется применением, по возможности, самоплавких руд. Однако таких руд в России очень мало. Тесное перемешивание руды с известью при загрузке лишь в небольшой мере может служить поставленной цели. При агломерации пылеватых руд и концентратов освоено производство офлюсованного агломерата, основность которого стремятся увеличивать, не уменьшая при этом его прочности. Наилучшие результаты при этом достигнуты на Магнитогорском заводе. Важно также, как это практикуется на некоторых заводах Юга, вводить в агломерат и марганцевую руду. При загрузке в печь такого агломерата исключается возможность образования первичных шлаков отдельно на железной или марганцевой, кислой или основной базе. Все первичные шлаки в этом случае образуются на одном приблизительно горизонте, равномерно изменяются в составе, хорошо усреднены и потому равномерны по свойствам.
Отсюда очевидна необходимость тщательного усреднения железных руд, загружаемых непосредственно в печь и подвергающихся агломерации. Неусредненные руды с резким изменением количества и состава пустой породы не обеспечивают равномерного шлакообразования и необходимого состава конечного шлака.
Взвешенные в шлаке твердые частицы могут быть разного происхождения, но во всех случаях они резко понижают подвижность шлака. К ним относятся: частицы мелкого коксика при механически слабом коксе; металлическое железо, быстро восстанавливаемое из железистого шлака; известь в кусках разнообразных размеров и в виде взвеси, которая хорошо смачивается шлаком и потому впитывается им, наконец, частицы пустой породы, не растворившиеся в первичном шлаке.
При первичном шлакообразовании образуются легкоплавкие эвтектики, причем окислы содержатся в них в количественных отношениях, определяемых составом эвтектики. Только один какой-нибудь из окислов, входящих в шлак, может полностью войти в первичную эвтектику; остальные компоненты войдут в нее лишь частично. Прочие их количества останутся неошлакованными, но механически примешаются к шлаку. Это особенно касается извести, хорошо смачиваемой шлаком и сгущающей его тогда, когда CaO взвешена в виде дисперсной мути. Вред этой извести тем больше, чем меньше она принимает участия в первичном шлакообразовании и чем больше ее в шихте и в данном участке печи. Вот почему так вредна работа на известковых шлаках. Особенно неровно работают печи, когда при загрузке известняк сосредоточивается у стен и на периферии образуются основные шлаки с большим количеством нерастворившейся дисперсной извести, затрудняющие работу и способствующие образованию известковых настылей.
В связи с ролью нерастворившейся в шлаке извести становится очевидным вред высокого содержания золы в коксе: зола (обычно кислая) требует для ошлакования извести. Освобождается же зола и входит в шлак лишь в горне после сгорания кокса. С увеличением содержания в коксе золы больше нерастворившейся извести содержится в первичном шлаке, ухудшая его подвижность и, следовательно, ухудшая ход печи.
Подвижность и устойчивость первичного шлака может быть обеспечена закисью железа и марганца. Присутствие FeO в шлаке возможно при плавке любого чугуна, но не всегда гарантировано, так как железо может полностью восстановиться до начала шлакообразования. Наличие MnO в шлаке возможно только при выплавке марганцовистых чугунов, т. е. ферромарганца, зеркального и марганцовистого мартеновского чугуна, или когда в железной руде содержится марганец в заметных количествах.
В определенных областях трехосной диаграммы CaO—SiO2—Al2O3 можно найти шлаки более или менее подвижные при температурах распара и заплечиков. К ним относятся, например, шлаки, содержащие 45—48% СаО, 8—13% Al2O3 и 40—43% SiO2. В этой области находится эвтектика (47,4 % СаО, 11,6% Al2O3 и 41 % SiO2), имеющая температуру плавления 1310°. При 1350° вязкость этого шлака 7,8 пуаза. Следовательно, без участия других компонентов первичный шлак может быть сравнительно подвижен только при 1350°, но если в нем содержится достаточно большое количество глинозема (11,8%). Получение шлака с таким содержанием Al2O3 возможно при работе на рудах центрального района, восточных и керченских. При плавке криворожских руд, характеризующихся высоким отношением SiO2 : Al2O3, образуется малоглиноземистый первичный шлак. Если на трехосной диаграмме и можно найти эвтектики с температурами плавления 1165, 1265°, то вязкость этих эвтектик даже при 1400° еще велика. Следовательно, в ряде металлургических районов (в том числе при выплавке маломарганцовистых чугунов из криворожских руд) достаточная подвижность и устойчивость вязкости первичного шлака могут быть достигнуты только при содержании в нем некоторого количества FeO. Только при содержании в шпаке SiO2 более 30% и FeO более 25% можно иметь низкую вязкость при перегреве на 50° сверх температуры плавления (см. рис. 112). При 10—15% FeO в шлаке должно быть не менее 40—55% SiO2, чтобы он был достаточно подвижным и устойчивым. Это достигается при отношении SiO2 : FeO в первичном шлаке не более 4—5.
При последующем опускании шлака к горну восстановление железа из закиси не уменьшает подвижности шлака: он, согреваясь, приобретает более высокую температуру, обеспечивающую нужную подвижность.
Расчет показывает, что для обеспечения поставленного условия не требуется вводить в шихту заметные количества трудновосстановимой руды; следовательно, подвижный железистый первичный шлак не вызывает увеличения степени прямого восстановления.
Допустим, что в рудной сыпи содержится 57% Fe и 14% SiO2. Если даже весь кремнезем руды войдет в состав первичного шлака, то для обеспечения в шлаке отношения SiO2/FeO = 4 нужно, чтобы из руды в первичный шлак перешло 14 : 4 = 3,5% FeO, чему соответствует 3,5 * 56/72 = 2,7% Fe. Такому количеству железа соответствует 2,7/57 * 100% = 4,8% Fe, содержащегося в руде. Следовательно, можно иметь легковосстановимую руду, которая, будучи восстановлена на 95% до начала шлакообразования, вместе с тем обеспечит достаточно подвижный первичный шлак. Такой случай и наблюдался при исследовании процессов восстановления и шлакообразования на Магнитогорском заводе в 1952 г., когда на горизонте, расположенном на 4750 мм выше оси фурм (распар), степень восстановления железа была 93,5% (вместо 54—59% в 1937 г.), а в немагнитной пробе материала, отобранного с того же горизонта, содержалось 8,9% FeO при 29,2% SiO, и 13,9% Al2O3. Отношение SiO2 : FeO составило 29,2/8,9 = 3,3, т. е. шлак был подвижным при температурах распара; Al2O3 было в нем достаточно.
Таким образом, сравнительно повышенное содержание закиси железа в первичном шлаке обеспечивается присутствием в доменной шихте незначительного количества железа в трудновосстановимой форме (например, в виде силиката железа в малопористых кусках), но часто возможно и без принятия особых мер. Опыт последних лет свидетельствует о том, что при кусковой шихте нет необходимости специально вводить трудновосстановимые добавки, так как необходимое и безвредное содержание FeO в первичном шлаке обеспечивается и без этих мер. Ввод трудновосстановимых компонентов нужен лишь в случаях, когда печь склонна к тугому ходу, подвисаниям, настылеобразованиям. Тогда подвижный первичный шлак будет обеспечен вводом в шихту магнетито-силикатных или шамуазитовых руд, высокозакисного или железомарганцевого трудновосстановимого и малопористого агломерата в небольшом количестве с тем, чтобы основная масса шихты (около 90%) была легковосстановимой для обеспечения высокой степени непрямого восстановления, а весь материал — прочным.
Излишнее (сверх минимально необходимого) содержание FeO в первичном шлаке принесет вред, а именно: усиленное восстановление железа прямым путем при похолодании горна и заплечиков; механическая примесь восстановленного железа к шлаку; чрезмерно большое количество самого первичного шлака. Таким образом, ввод трудновосстановимых компонентов должен проводиться осторожно, в меру необходимости.
Лишь в особых условиях, при рудах с повышенным содержанием Al2O3, возможно образование первичного шлака, состоящего только из СаО, SiO2 и Al2O3 и подвижного в достаточной степени при 1350°.
Рассмотренные условия получения подвижных первичных шлаков из трех компонентов или с участием FeO и MnO еще не гарантируют образования устойчивых промежуточных шлаков: ведь восстановление FeO и MnO из шлаков способствует их переходу в неустойчивое состояние. Вот почему часто рекомендуется обеспечивать присутствие магнезии в первичных и промежуточных шлаках. Она при всех условиях увеличивает устойчивость шлаков. Поэтому введение ее в шихту с тем, чтобы в шлаке содержалось 5—8% MgO (на Юге), целесообразно. Чем шлак кислее, тем он устойчивее. Поэтому особых мер повышения устойчивости кислых шлаков не требуется; их только нужно разжижать, также вводом магнезии. Вот почему присутствие магнезии в первичных кислых и основных шлаках желательно в одних случаях для разжижения, в других — для обеспечения устойчивости.
Наличие в шлаке магнезии способствует его хорошему прогреву, достаточно высокой вязкости при стекании через заплечики в горн, при значительном снижении вязкости уже после окончательного сформирования шлака в горне. Это технологическое действие магнезии вытекает из ее влияния на свойства шлаков при разных температурах.
Важнейшим условием подвижности первичного и промежуточного шлаков является прочность кокса. Слабый кокс при разрушении и истирании образует мелочь, которая, примешиваясь к шлаку, сгущает его.