» » Состав и количество шлака в период плавления
04.02.2015

Состав основных шлаков при использовании в шихте металлизованных материалов, полученных из типичных богатых железорудных концентратов, в период плавления примерно следующий, %: FeO 10-25; MnO 2-5; CaO 30-40; MgO 8-20; SiO2 15-25; Al2O3 5-10.
Основными шлакообразующими при плавке железа прямого восстановления являются: пустая порода и окислы железа металлизованных материалов, известь, футеровка печи, заправочные материалы и отчасти шлак, оставшийся от предыдущей плавки.
Большая часть SiO2 и Al2O3, содержащихся в шлаке, поступает из пустой породы окатышей, в которой содержание этих окислов может достигать 85 %. В некоторых сортах металлизованных окатышей содержатся окислы ванадия и титана, переходящие в шлак. Как правило, во всех сортах металлизованных материалов содержание MnO очень низкое (менее 0,1 %), поэтому данный окисел поступает в шлак в основном из стального лома.
Содержание CaO в шлаке определяется главным образом количеством вводимой для получения требуемой основности шлака извести. В случае использования для заправки печи доломита количество извести уменьшается, поскольку часть окислов кальция вносится этим материалом.
Основность шлаков периода плавления выбирается, исходя из требуемой степени дефосфорации расплава, качества огнеупорных материалов футеровки, температурного режима плавки и других факторов. В большинстве работ, касающихся выплавки стали в электропечах с применением железа прямого восстановления, рекомендуется поддерживать основность шлаков в период плавления в пределах 1,7-2,0. В качестве показателя основности приводятся различные выражения: (CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3), (CaO+MgO)/SiO2, CaО/SiО2. Хотя разница в величине основности, выраженной различными способами, для рассматриваемых шлаков невелика и для практических целей форма показателя основности не имеет принципиального значения, учитывая, что содержание окислов магния и алюминия сказывается на химических (активность кислорода, кремнезема, фосфора) и физических (температура плавления, вязкость) свойствах шлака, с точки зрения комплексной оценки их правильнее выражать основность отношением (CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3). От общепринятого отличается шлаковый режим на заводе в Гленбруке (Новая Зеландия), где, по-видимому, с целью снижения расхода электроэнергии при работе на губчатом железе с большим содержанием пустой породы в период плавления работают на кислых шлаках (14,2 % SiO2, 16,8 % Al2O3, 27,6 % TiO2, 6,8 % CaO, 14,7 % MgO), рафинируя металл под основными шлаками после расплавления всей шихты. На заводе в Бенони (Южная Африка) шлаки в первой половине плавления имеют пониженную основность, что, по мнению автора работы, создает предпосылки для их лучшей вспениваемости. Содержание окислов магния в шлаках примерно такое же, как и при плавке лома. Так, при выплавке стали с использованием в шихте 40% металлизованных окатышей содержание окислов магния в шлаках изменялось в пределах 9-22% и в среднем составляло 16%, что совпадает с приводимыми в литературе данными. Указанное содержание несколько выше, чем характерное для периода плавления лома, и практически совпадает с содержанием окислов магния в шлаках окислительного периода плавки. Расчеты показывают, что из общего поступления окислов магния в шлак 10-20 % вносится металлизованными окатышами, содержащими обычно 0,3-0,6 % MgO, 1-3 % поступает с известью, остальное - из огнеупорных материалов. Баланс окислов магния несколько меняется в случае применения доломитизированной извести, когда часть магнезии сразу вносится в шлак с целью уменьшения ее перехода из огнеупоров.
Основной источник поступления окислов железа в шлак - металлизованные материалы. Некоторое количество может вноситься специально вводимыми в ванну окислителями (железорудными окатышами, газообразным кислородом), а также из атмосферы печи.
Окисленность шлаков определяется в первую очередь содержанием углерода в металле, при 0,2-0,3 % С и более шлаки содержат 12-18 % FeO, в области низких концентраций углерода содержание закиси железа возрастает до 25, а в некоторых случаях до 35 %. Содержание закиси железа зависит от температуры, основности шлаков, присутствия в них углеродсодержащих материалов (кускового или порошкового кокса, электродного боя), вводимых в шихту или на зеркало ванны. Науглероживание ванны вдуванием порошка кокса в металл сопровождается снижением содержания закиси железа в шлаке на 3-10 %, присадка в жидкую ванну антрацита с последующей продувкой кислородом - на 6-11 %. При значительном количестве кокса в шлаке и невысокой скорости плавления окатышей содержание окислов железа может быть снижено до 2-8 %, при этом, однако, возникают затруднения с дефосфорацией металла.
В период плавления окатышей состав шлака может колебаться в зависимости от режимов подачи материалов в печь. Это касается главным образом содержания FeO, CaO и SiO2, т.е. тех компонентов, которые поступают в значительных количествах с окатышами или известью. Для поддержания основности шлака на одном уровне в течение всего периода плавления необходимо, чтобы в любой момент соотношение между количеством загруженных окатышей и извести оставалось постоянным. Выполнение такого требования означало бы необходимость осуществления непрерывного дозирования и загрузки извести, которые должны быть оправданы получением каких-либо преимуществ по сравнению с вариантом, где основность колеблется в некоторых пределах.
С точки зрения создания оптимальных условий для дефосфорации и службы футеровки требование строгого постоянства основности не является обязательным. Для получения стали с низким содержанием фосфора важно получить шлаки с требуемой основностью незадолго до момента их спуска из печи, что возможно по расплавлении 60-80 % шихты.
Основность шлаков — не единственный фактор, определяющий величину износа подины и стен в период плавления окатышей. Условия службы футеровки в период плавления существенно меняются при изменении уровня металла в ванне, степени экранирования стен шихтой, температуры Футеровки.
Учитывая сказанное, а также то, что сооружение и эксплуатация системы непрерывной (работающей синхронно с загрузкой окатышей) загрузки извести обходятся дороже, чем системы дискретного дозирования и подачи, в большинстве случаев предпочтение отдается последней, особенно если она используется одновременно для подачи в печь других материалов, например ферросплавов. Из данных об изменении состава шлака в период плавления следует, что в большинстве случаев стремятся поддерживать режим загрузки извести, при котором основность шлаков или остается примерно постоянной, или несколько снижается, например от 2 до 1,7 к концу плавления. Это достигается введением большего, чем требуется, исходя из массы загруженных окатышей, количества извести в первой половине периода плавления.
Масса порций извести, вводимых в печь, зависит от общего расхода этого материала в период плавления, производительности дозирующих устройств и тракта загрузки. Присадка извести в период непрерывного проплавления окатышей очень большими порциями (в один - два приема) ведет к тому, что из-за разбавления шлака содержание в нем окислов железа снижается и на какое-то время прекращается кипение ванны. Для ускорения растворения больших количеств извести и поддержания требуемой окисленности шлака в ванну на поверхность раздела шлак -металл вдувают в умеренных количествах кислород.
На рис. 37 приведено изменение состава шлака и основности в период плавления шихты из 100 % окатышей Пурофер (из бразильских концентратов Итабира), содержащих, %: FeO 7,2; CaO 1,8; MgO 0,13; SiO2 2,3; Al2O3 1,0.
Состав и количество шлака в период плавления

Малые колебания состава шлака в данном случае объясняются не столько режимом введения извести, сколько относительно высокой основностью пустой породы окатышей (В=0,6) и принятой ка многих зарубежных заводах практики заправки электропечей доломитом. За счет последнего покрывалось примерно 30% потребности в окиси кальция шлака. На использование доломита (для заправки) или доломитизированной извести (в качестве шлакообразующего материала наряду с известью) при выплавке стали на металлизованных окатышах указывается в работах. В отдельных случаях возможна плавка окатышей на нейтральных или кислых шлаках, с повышенным содержанием окислов магния, введенных доломитом. Данный прием дает возможность путем преднамеренного введения окислов магния со шлакообразующими уменьшить переход этого окисла в шлак из футеровки подины и откосов. Поскольку с ростом содержания окислов магния в шлаке ухудшаются условия десульфурации и дефосфорации, такой шлаковый режим оправдан в случае, если содержание серы и фосфора в шихте невелико, что соответствует применению шихты, включающей металлизованные окатыши. Для плавки на ломе искусственное повышение содержания окислов магния в шлаке нецелесообразно.
Количество шлака периода плавления зависит от состава и количества окатышей в шихте, основности, окисленности шлака и отчасти состава лома.
Экспериментально количество шлака можно определить на балансовых плавках взвешиванием его или расчетом по разбавлению какого-либо одного или нескольких окислов, поступление которых в шлак достаточно точно поддается учету. При плавке окатышей такими окислами могут быть SiO2 и Al2O3, переходящие в шлак из пустой породы окатышей, а также частично из лома как продукты окисления кремния.
Количество шлака и расход шлакообразующих могут быть рассчитаны по известному их составу. В общем случае расчет сводится к решению системы уравнений материального баланса для окислов, составляющих шлак, например (SiO2+Al2O3), CaO, MgO:
Состав и количество шлака в период плавления

где i относится к шихте, извести и заправочным материалам.
Вводя ряд допущений, можно упростить расчеты, сохранив достаточную Для практических целей точность. Применительно к плавке в печах с основной футеровкой можно считать, что источником кислых окислов является только шихта - пустая порода окатышей и окисляющийся кремний лома, т.е.
Состав и количество шлака в период плавления

тогда выражение (31) запишется
Состав и количество шлака в период плавления

Пустую породу шлака и окатышей можно рассматривать как сумму всех окислов, за вычетом окислов железа (и марганца):
Состав и количество шлака в период плавления

Принимая во внимание, что В = (ХCaO + XMgO)/(XSiO2 + XAl2O3, получаем
Состав и количество шлака в период плавления

После подстановки выражений (37) в (35) и преобразований получаем
Состав и количество шлака в период плавления

Сумма кислых окислов шихты при содержании окатышей в ней χ, %, выражается
Состав и количество шлака в период плавления

Расход извести и заправочных материалов (футеровки) определяется из решения системы уравнений (32), (33), корни которой
Состав и количество шлака в период плавления

Пренебрегая отдельными членами (произведениями) в выражении (41) и подставив в него mш из выражения (39), можно получить ряд упрощенных формул для расчета расхода извести:
Состав и количество шлака в период плавления

Состав и количество шлака в период плавления

Сходные формулы могут быть получены для mф. Погрешность при расчете по этим формулам не превышает 5 % по сравнению с формулами (41) и (42). В случае применения в качестве заправочного материала доломита предпочтение следует отдать формуле (45), обеспечивающей лучшую точность.
Приведенные выше выражения могут быть использованы для расчетов шихты, в том числе в алгоритмах управления процессом плавки. Так как состав шихты (40) линейно зависит от содержания в ней металлизованных окатышей, возможны два способа расчета mш и mизв: 1) исходя из состава шихты, найти (XSiO2+XAl2O3)ших, затем вычислить mш и mизв; 2) рассчитать mш и mизв для шихты из 100 % лома и 100 % окатышей, а затем интерполяцией найти искомые значения для шихты заданного состава.