11.6.4. Влияние работы вращающегося распределителя

Влияние работы вращающегося распределителя на окружное распреде­ление шихты и газов в доменной печи рассмотрено в главе 10. К изложенному там следует лишь добавить, что для устранения нарушений окружного рас­пределения шихты и газов используют возможность распределителя шихты избирательно выбирать станции вращения вне программы нормальной его работы и загружать или разгружать секторы с отклонениями от оптимального распределения шихты и газов.

11.7. Влияние свойств шлака и его количества на работу доменной печи

Важнейший фактор в осуществлении технологии доменной плавки - ее шлаковый режим. Ровность хода доменной печи, качество и вид выплавляемо­го чугуна зависят от свойств шлака и его количества. Главными свойствами шлака являются: плавкость, температура плавления, вязкость или текучесть и серопоглотительная способность. Эти свойства шлака определяются его хи­мическим составом и минералогическим строением исходных шихтовых ма­териалов.

Плавкость шлака определяется количеством тепла (в джоулях), необхо­димого для расплавления 1 кг шлака. Это свойство шлака влияет на расход горючего и температуру горна. Затраты тепла на расплавление шлака зависят от теплоемкости и температуры его плавления. В связи с тем, что теплоем­кость различных шлаков изменяется незначительно, определяющим фактором расхода тепла на расплавление шлака является температура его плавления. Чем она выше, тем больше потребуется тепла на расплавление шлака и тем выше будет нагрев горна, способствуя получению чугуна с более высоким содержа­нием кремния. Таким образом, подбирая более или менее тугоплавкие шлаки, можно влиять на степень перехода в чугун трудновосстановимых элементов. Получение чугунов, содержащих малые количества кремния и марганца, дол­жно сопровождаться более легкоплавкими шлаками, и наоборот. Расход тепла на плавление 1 кг шлака при выплавке различных видов чугуна изменяется от 1470 до 1890 кДж (от 350 до 450 ккал). Как видно, разность в теплотах плавле­ния различных шлаков достигает 420 кДж (100 ккал), составляя значительную часть тепла на расплавление шлаков и существенно влияя на расход горючего, особенно при большом выходе шлака.

Шлаки не имеют определенной температуры плавления (подобно О °С для системы вода-лед), так как переход шлака из твердого состояния в жидкое осуществляется в некотором температурном интервале. Поэтому для ведения доменной плавки важна температура шлака, при которой он свободно вытека­ет из доменной печи. Полное представление о технологических свойствах шлака можно иметь, лишь зная его вязкость (текучесть).

В еличина, обратная вязкости, называется текучестью. Для нормальной работы доменной печи вязкость шлака не должна превышать 0,3-0,8 Па∙сек. Вязкость шлака зависит от состава и существенно уменьшается с повышени­ем его температуры. Однако это изменение неодинаково для шлаков различно­го состава.

Для установления зависимости вязкости шлака от его состава исследу­ют расплавы с переменным содержанием составляющих оксидов при посто­янной температуре. Наиболее изучены шлаки системы СаО-SiO₂—А1₂О₃. На рис. 11.8 показана диаграмма вязкости шлаков системы СаО-SiO₂-А1₂О₃ при температуре 1500 °С. Такую температуру имеет шлак при выпуске его из нор­мально работающей доменной печи.

На диаграмме кривыми линиями соединены точки одинаковой вязкости. При постоянной температуре вязкость трехкомпонентного шлака зависит от со­отношения в нем содержания извести и суммы кремнезема и глинозема. Наи­меньшей вязкостью обладают шлаки вблизи состава 38-42% SiO₂; 52-48 СаО и 8-12% А1₂О₃, когда соотношение CaO/SiO₂ + А1,О₃ близко к единице. С увеличе­нием этого отношения вязкость шлака резко возрастает. Например, при увеличе­нии содержания СаО в шлаке с 52 до 55% вязкость шлака (рис. 11.8) возрастает с 0,3 до 2 Па∙сек. Такой шлак принято считать неустойчивым по вяз­кости с изменением химичес­кого состава при постоянной температуре.

Шлак постоянного со­става с содержанием более 50% СаО будет неустойчивым по вязкости и при незначитель­ном понижении температуры, возможном в условиях рабо­ты доменной печи. Если шлак, содержащий 52% СаО, 38 SiO₂ и 10% А1₂О₃, при 1500° С име­ет вязкость 0,2 Па∙сек и вполне текуч, то при 1450 °С вязкость этого шлака возрастает до 3,2 Па ∙сек. Такой шлак практически не текуч. Отсюда следует очень важное понятие об устой­чивости шлаков, которое можно сформулировать следующим образом: устой­чивыми называются шлаки такого состава, вязкость которых не изменяется или изменяется в незначительных пределах при отклонениях от оптимальных значений температуры или состава шлака, возможных в условиях работы домен­ной печи. На диаграмме (рис. 11.8) область неустойчивых шлаков характери­зуется густо расположенными линиями вязкости.

Неустойчивыми считаются и шлаки, незначительное изменение хими­ческого состава которых приводит к резкому изменению температуры плавле­ния шлака. Обычно, шлаки, неустойчивые по температуре плавления и по вяз­кости, характеризуются идентичным химическим составом. Как правило, это чрезмерно известковые шлаки.

Присутствие в шлаке других компонентов (FeO, MnO, MgO CaS и др.) изменяет физические свойства шлаков, прежде всего первичных и промежу­точных, где содержание МnО, и особенно FeO, достигает значительных вели­чин. Поэтому свойства первичных шлаков, от которых во многом зависит про­текание доменного процесса, необходимо рассматривать с учетом влияния FeO, MgO и МnО.

Имеющиеся данные о влиянии магнезии на свойства шлака говорят о том, что увеличение содержания MgO в шлаках в пределах 5-15% уменьшает плавкость, температуру плавления и вязкость шлаков. Разжижающее действие магнезии используют, например, при выплавке маломарганцовистых чугунов, заменяя часть извести магнезией.

Увеличение содержания CaS в шлаке до 6% способствует некоторому уменьшению вязкости шлака. При содержании CaS более 6% вязкость замет­но возрастает.

Содержащиеся в шлаках оксиды щелочных металлов понижают вязкость шлака, а оксиды титана увеличивают ее. Эффективным способом разжижения шлаков служит фтористый кальций CaF₂, присадку которого к шлаку можно осуществить введением в шихту плавикового шпата.

Важной технологической характеристикой реальных доменных шлаков является основность шлака, выраженная отношением суммы основных окси­дов к сумме кислотных оксидов. Учитывая, что в конечном шлаке содержание МnО и FeO незначительно, основность шлака выражают отношением:

O_ш=(CaO+MgO)%/(SiO₂+Al₂O₃)%.

Поскольку содержание А1₂О₃ в шлаках почти всегда стабильно для данной шихты, то основность чаще выражают отношением:

O_ш=(CaO+MgO)/(SiO₂),

а при постоянстве содержания MgO

O_ш=(CaO)/(SiO₂).

Шлаки с основностью (CaO:SiO₂) выше 1,2 принято называть основны­ми, ниже 1,1 - кислыми. Кислые и основные шлаки характеризуются различ­ными физическими свойствами и, прежде всего, различной вязкостью при из­менении температуры. Кислые шлаки при охлаждении застывают медленно и, проходя через тестообразное состояние, превращаются в стекловидную массу с блестящим изломом, если шлак был хорошо прогрет, или с раковистым загрязненным изломом при недостаточном прогреве шлака. Кислые шлаки в связи с медленным их застыванием принято называть длинными.

Основные шлаки, имеющие хорошую текучесть при высокой темпера­туре, при охлаждении в очень узком интервале температур быстро превраща­ются в твердую массу, практически минуя тестообразное состояние. В изломе такие шлаки имеют тусклый светло-серый или белый с голубоватым оттенком цвет. Вследствие быстрого застывания основные шлаки принято называть короткими. Шлаки с основностью от 1,1 до 1,2 принято называть половинча­тыми: в изломе одна часть поверхности такого шлака прозрачная стекловид­ная, а другая часть имеет белый матовый цвет.

Зависимость вязкости от температуры для кислых и основных шлаков показана на рис. 11.9. При понижении температуры вязкость основного шлака (2) возрастает намного быстрее, чем кислого (1).

Серопоглотительная способность шлака зависит от состава, температу­ры и вязкости шлака. Чем выше основность и температура шлака и ниже вяз­кость, тем выше его серопоглотительная способность.

При выплавке некоторых марок чугуна необходимых физических свойств шлака можно было бы достичь при ос­новности (CaO:SiO₂), равной 0,8-0,9. Однако необходимость ограничения ко­личества серы, переходящей в чугун при работе печи на высокосернистом коксе, требует использования основных шла­ков, что увеличивает количество шлака и расход кокса. Так, основность шлака (CaO:SiO₂) при выплавке передельного чугуна на донецком коксе должна быть не ниже 1,15-1,20, а при выплавке литейного чугуна - не ниже 1,25-1,30. Доменные печи заводов России и Казахстана работают на менее основных шла­ках, так как содержание серы в коксе из кузнецких, воркутинских, караган­динских углей в 2/3 раза ниже, чем в донецком коксе.

Изучение процесса шлакообразования и обобщение практического опы­та технологии доменной плавки позволяют сделать следующие основные вы­воды о влиянии свойств и количества шлака на работу доменной печи.

1) Нагрев горна доменной печи при одинаковых температуре дутья и расходе кокса определяется температурой плавления и вязкостью шлака. Легкоплавкий и подвижный шлак, образуясь на высоких горизонтах при сравнительно низких температурах, быстро стекает в горн и охлаждает его. Тугоплавкий шлак расплавляется на более низких горизонтах при сравнительно высоких температурах. Приходя в горн, такой шлак приносит больше тепла, чем легкоплавкий, и, следовательно, способствует получению более высокой температуры в горне.

2) Нагрев шлака зависит от изменения его состава и свойств во время стекания в горн, поэтому не во всех случаях легкоплавкость и подвижность первичного шлака соответствуют пониженному нагреву горна. По мере опускания первичного шлака, содержащего повышенное количество FeO (до 5%), железо восстанавливается, а шлак становится более тугоплавким и вязким. Снижение скорости стекания шлака приводит к увеличению его нагрева, при этом шлак снова становится подвижным.

3) Вязкий шлак вреден. Он может налипать на стенки печи, способствуя образованию настылей, кострению материалов и подвисанию шихты. Чрезмерно подвижный шлак тоже вреден. Кроме охлаждения горна, он может химически взаимодействовать с футеровкой и разрушать ее.

4) На работу печи сильно влияет степень устойчивости шлаков. При расчете шихты следует выбирать такие шлаки, чтобы вязкость их при основности (CaO:SiO₂), равной 1,2, была не выше 0,5-0,8 Па∙сек. Составы этих шлаков на диаграммах должны находиться в областях, устойчивых при температуре кристаллизации и вязкости расплавов, так как в производственных условиях всегда возможны непроизвольные изменения химического состава материалов и температуры в различных зонах доменной печи. Допуская, что изменения состава шлака по трем основным оксидам могут достигать 2%, состав шлака должен быть таким, чтобы температура его плавления и вязкость при этих условиях изменялись не более чем на 25°С и 0,1-0,2 Па ∙сек соответственно.

5) Химический состав шлака оказывает существенное влияние на процессы восстановления и десульфурацию чугуна. Чем выше основность конечного шлака, тем легче восстанавливаются элементы основных оксидов, т. е. железо, марганец, ванадий, хром. Кислые шлаки, наоборот, благоприятнее сказываются на восстановлении элементов кислотных оксидов, например, кремния. Основность шлака влияет и на распределение серы между металлом и шлаком.

6) Большое количество шлака отрицательно влияет на работу доменной печи - приводит к повышению расхода кокса вследствие уноса большого ко­личества тепла из печи со шлаком и вызывает неровный ход, ухудшая газопро­ницаемость шихты и распределение газов, особенно, если шлак тугоплавкий и вязкий. Опытными плавками доказано, что можно успешно работать с количе­ством шлака около 0,35 т/т чугуна. Дальнейшее снижение количества шлака может ограничиваться условиями перевода серы в шлак.

Количество шлака на 1 т чугуна и его химический состав определяются химическим составом исходных шихтовых материалов и видом выплавляемо­го чугуна. Для определенных условий плавки эти показатели должны сохра­няться постоянными. Однако иногда для устранения нежелательных явлений в работе печи прибегают к временному изменению состава или количества шлака. Это делают при загромождении горна и при образовании толстого слоя гарнисажа или настылей (трудноплавких масс) на стенах заплечиков, распара и нижней части шахты.

Для приведения горна в нормальное состояние наводят более жидкопод-вижные шлаки путем загрузки в печь сварочного шлака или марганцевой руды. Иногда временно переходят на выплавку другого вида чугуна. Эта операция называется промывкой горна.

Для устранения зарастания стен заплечиков распара и нижней части шахты переходят на более кислые шлаки, изменяя режим загрузки материалов так, чтобы обеспечить развитие периферийного потока газов и более высокую температуру у стен печи.