Фазовые превращения материалов при доменной плавке

И. Д. Балон, И. З. Буклан, В. Н. Муравьев, Ю. Ф. Никулин

Металлургия, 1984 г.

Процесс доменнойплавки завершается образованием двух жидких продуктов — чугуна и шлака, скапливающихся в горнедоменной печи.

Шлак является продуктомплавления пустой породы железной руды (агломерата) и золы кокса. Пустая порода имеет различный химический состав, неудобный для получения шлаков требуемых физических свойств, обеспечивающих нормальную работу печи и выплавку чугуна соответствующего сорта. Поэтому в шихту вводят добавочно флюс в таком количестве, чтобы получить шлак необходимого состава. Обычно в рудах содержится кислая или кремнеземисто-глиноземистая пустая порода, которая ошлаковывается при наличии основного флюса (известняк, доломитизированный известняк), реже содержится основная порода, требующая добавки кислого флюса.

В состав шлака, выпускаемого из доменной печи, входят окислы кремния, кальция, магния, алюминия, сульфиды металлов, а также небольшие количества закиси железа и закиси марганца. Железо практически полностью восстанавливается, марганец— неполностью в зависимости от степениосновностишлаков и расхода горючего. В шлакпереходит не весь кремнезем, имеющийся в шихте, так как часть его восстанавливается и переходит в виде кремния в чугун. Чем горячее ход печи и относительно меньше основность шлаков, тем больше восстановимость кремния.

Процесс шлакообразования зависит от химического состава и физического строения железной «руды, распределения температур и газов в печи. При выплавке одного и того же сорта чугуна распределение температур в шахте печи может быть различно в зависимости от степени развития периферийного и осевого потоков газа. Это определяет ход процессов восстановления, химического взаимодействия и минералообразования в твердой и жидкой фазах, спекания и шлакообразования по высоте и поперечному сечению печи. От восстановимости руды и характера ее пустой породы зависит образование на разной высоте шахты первичных шлаков (первая подвижная жидкость, возникающая из пустой породы руды) с содержанием в них различного количества невосстановленных окислов железа: магнетита (Fe304) и вюстита (FeOx, где х несколько больше 1).

В дальнейшем первичные шлаки при стекании между кусками кокса вниз непрерывно меняют свой химический и минералогический состав вследствие восстановления железистых и марганцовистых минералов, растворения тугоплавких веществ (кварца, известняка и др.)» а в горнедоменной печи — присоединения золы кокса. Такие шлаки именуются промежуточными. В окислительных зонах шлак обогащается окислами железа за счет окисления чугуна, но ниже уровня воздушных фурм, вследствие сильно восстановительной атмосферы и высоких температур окислы железа практически полностью восстанавливаются.

Процесс шлакообразования имеет весьма важное значение в ходе доменной плавки. Физические свойства первичных и промежуточных шлаков (температура плавления, вязкость, способность к вспениванию) наряду с выходомшлака на 1 т -чугуна оказывают существенное влияние на сход материалов и движение газов в столбе шихты. При значительной протяженности зоны размягчения рудных материалов по высоте печи и высокой вязкостишлаков могут образовываться крупные глыбы конгломерата из размягченных масс руды, кусков кокса и флюса, которые замедляют или даже на какое-то время прекращают опускание шихты. При таком состояниистолба плавильных материалов восходящий поток газов встречает на своем пути сильное сопротивление. Значительное развитие этих явлений обычно "приводит к подвисаниям шихты, либо к образованию в ней каналов и в результате — к нарушению нормального теплового состояниядоменной печи.

ХИМИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КОМПОНЕНТОВ ПУСТОЙ ПОРОДЫ руды (АГЛОМЕРАТА) И ОКИСЛОВ ЖЕЛЕЗА В ТВЕРДОМ СОСТОЯНИИ

Загруженные в доменную печь плавильные материалы при опускании подвергаются различным физическим и физико-химическим воздействиям: нагреву до высоких температур, растрескиванию и истиранию, спеканию и химическому взаимодействию КОМПОНЕНТОВ в твердом и жидком состояниях, восстановительному действию газов, размягчению и плавлению пустой породы руды при участии флюса и т. д.

Размягчению и плавлению пустой породы руды (агломерата) предшествует спекание и взаимодействие КОМПОНЕНТОВ в: твердом состоянии как внутри кусков руды, так и на ее поверхности при соприкосновения с кусками флюса [1] *.

Прртеканию реакций в твердом состоянии способствует наличие в кусках руды легкоплавких веществ (щелочей), а также осаждение на поверхности кусков газообразных щелочных окислов. Легкоплавкие капельки таких веществ способствуют контакту твердых КОМПОНЕНТОВ между собой, в результате чего облегчается реакция между ними при сравнительно низких температурах.

ПРОЦЕСС РАЗМЯГЧЕНИЯ ПУСТОЙ ПОРОДЫ руды (АГЛОМЕРАТА)

Процесс размягчения руд является .промежуточным этапом между процессами взаимодействия КОМПОНЕНТОВ в твердом состоянии, спекания и процессом плавления. Процесс размягчения представляет собой переход от твердого состояния к тестообразному путем ожижения некоторой части пустой породы руды. В зависимости от состава пустой породы и восстановимости руды Процесс размягчения может занимать большую или меньшую область по высоте доменной печи. Растягивание этой области по высоте вызывает увеличение сопротивления восходящему потоку газов, что ведет к ограничению интенсивности плавки. Шихта, состоящая из нескольких руд с различными температурами размягчения, вызывает растягивание области тестообразного состояния и этим осложняет Процесс плавки. Применение офлюсованного агломерата способствует повышению температуры размягчения и сокращению этой области.

В тех случаях, когда в тестообразное состояниепереходит недостаточно восстановленная руда (или агломерат), возникает опасность застывания вязких масс (особенно при неровном ходе печи) у стен шахты с образованием настылей.

ПРОЦЕСС ОБРАЗОВАНИЯ ПЕРВИЧНЫХ ШЛАКОВ

Большой экспериментальный материал, полученный многими исследователями о химическом и минералогическом составе первичных шлаков, вязкости и температурахплавления синтетических расплавов, соответствующих по составу первичным шлакам, дает возможность представить довольно полную картину одного из наиболее сложных явлений доменного процесса— образования первичных шлаков и дальнейшего изменения их при опускании шихты в нижние горизонты печи.

Влияние магнезии 1

Увеличение отношения СаО: Si02 в шлаках выше определенного предела при постоянном содержании глинозема .приводит к повышению температурыкристаллизации и в связи с этим к уменьшению температурного интервала, в котором шлаки находятся в жидкоплавком состоянии. Поэтому работадоменных печей на высокоосновных шлакахсвязана с необходимостью значительного их перегрева.

Для улучшения физико-химических свойствшлаков действенным фактором является повышение в них содержания окиси магния.

О влиянии магнезии на вязкость и температуруплавлениядоменныхшлаков имеются многочисленные литературные данные. Еще в 30-х годах Мак-Кефери с сотрудниками установил разжижающее действие окиси магния на расплавы тройной системы Si02 — А1203 — СаО [23]. В работах Гартмана указывалось, что магнезия понижает температурукристаллизации и снижает вязкостьшлаков [27, 28]. Однако разжижающее действие ее менее сильное, чем окиси кальция. Исследование вязкости натуральных доменныхшлаков также свидетельствовало о разжижающем действии окиси магния и незначительном ее влиянии на температуруплавления .

Влияние CaS

В шлаках, извлеченных с нижнего горизонта шахты и из распарадоменной печи, содержится значительное количество серы— 2,0—7,5% [52]. В шлаках из распарадоменных печей ММК, работавших на офлюсованном агломерате, содержалось 1,2% серы 15]. Это объясняется тем, что образовавшаяся при диссоциацииизвестняка окись кальция реагирует с сернистыми соединениями, увлекаемыми потоком газов из горна в верхние горизонты, с образованием CaS.

По данным Н. В. Руллы, прибавление сернистого кальция до 6,5% к шлаку передельного чугуна южных заводов с отношением (Si02 + AI2O3) : СаО = 1,0—1,5 вызывает понижение вязкости, при дальнейшем же повышении содержания CaS наблюдается значительное ее увеличение [53]. Влияние добавки CaS на более основной шлак (от литейного или бессемеровского чугуна) с отношением (Si02 + А1203) : СаО = 0,88 представлено на рис. 65.

Из исследования Л. М. Цылева, изучавшего вязкостьшлаков с отношением CaO:Si02 от 1,0—-до 2,0 и содержанием А1203 от 5 до 30%, следует, что для ряда шлаков при повышении содержания CaS до 6% наблюдается понижение вязкости, а при дальнейшем повышении до 11% вязкостьрезко возрастает [54].

Температура плавленияшлаков при добавке сернистого кальция, хотя и понижается, но не пропорционально увеличению CaS; для некоторых шлаков она меняется мало. А. М. Цылев указывает, что CaS способствует увеличению количества твердой фазы в шлаках, и чем больше его, тем раньше начинается Процесс кристаллизации.

ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ХОД ШЛАКООБРАЗОВАНИЯ В ШИХТЕДОМЕННЫХ ПЕЧЕЙ

Рассмотрение процесса шлакообразования в доменных печах, работающих в различных условиях, позволяет выявить влияние различных ФАКТОРОВ на ход плавления пустой породы и Процесс образования шлаков.

Влияние состава пустой породы руды (агломерата)

Как видно из предыдущего изложения, химический состав пустой породы руды оказывает существенное влияние на ход шлакообразования в доменной печи. Наличие кремнеземистой пустой породы, включающей окислы железа, приводит к образованию силикатов его и раннему шлакообразованию. Такой ход шлакообразования экономически не выгоден, так как приход сильно железистых шлаков в зоны с высокой температурой вызывает большое теплопотребление при восстановлении окислов железа твердым углеродом, в результате чего повышается расходкокса 2.

СТРУКТУРА И свойства РАСПЛАВЛЕННЫХ ДОМЕННЫХ ШЛАКОВ

Наряду с накоплением экспериментального материала по изучению свойствдоменныхшлаков в расплавленном состоянии большие успехи были достигнуты в изучении структуры и природы жидких алюмо-силикатных расплавов. Поведение доменныхшлаков разного состава при изменении температуры объясняется физической структуройрасплавов и характером химической связи между частицами. Разработанная О. А. Есиным теория строения расплавленных шлаков [1] является весьма ценным научным вкладом в этой области.

ОСОБЕННОСТИ ЖИДКОГО СОСТОЯНИЯ

Многие свойства жидкости, нагретой до температуры кристаллизации, свидетельствуют о близости строения ее к строению твердых тел. Так, например, при плавлениивещества изменение его удельного объема много меньше, чем изменение объема в процессеиспарения жидкости. Следовательно, относительное изменение расстояния между частицами в процессеплавления также меньше, чем в процессе парообразования. По данным И. Я. Френкеля [2], относительное увеличение объема большинства веществ при плавлении составляет всего лишь 10%. что соответствует увеличению межчастичных расстояний в среднем только на 3,3%, при этом характер и величина межчастичных сил изменяются сравнительно мало. Это дает основание предполагать наличие известного подобия в структурах жидкого и твердого состояний, особенно вблизи температуры плавления.