Основы теории и технологии доменной плавки

Дмитриев А.Н., Шумаков Н.С., Леонтьев Л.И., Онорин О.П.

Екатеринбург: УрО РАН,, 2005 г.

5.5. ВЛИЯНИЕ ШЛАКОВ НА ХОД   ДОМЕННОЙ  ПЛАВКИ

Свойства и количество шлака влияют на тепловое состояние (температуру) в горне, движение и распределение газов по сечению печи, на ровность схода шихты, восстановление отдельных элементов и переход их в чугун и на другие показатели процесса.

Температура горна и находящихся в нем чугуна и шлака определяется не только расходом кокса и нагревом дутья, но и нагревом поступающих в него жидких продуктов плавки - чугуна и шлака. Чугун, образующийся всегда приблизительно при одной температуре, стекает в горн примерно с одинаковыми скоростью и теплосодержанием. Теплота и температура шлака различны и зависят от температуры его плавления. Если шлак приходит в горн нагретым до более высокой температуры, то горн будет более “горячим” даже при одинаковых расходе кокса и нагреве дутья в обоих случаях. А так как в нижней части печи происходит восстановление наиболее трудновосстановимого элемента - кремния, то при более тугоплавком шлаке кремния в чугуне больше - он будет, как говорят, “химически горячим”. Отсюда вытекает давно известное положение: тугоплавкий шлак “греет” горн, легкоплавкий - “охлаждает”. Это означает, что более тугоплавкий шлак приходит в горн (к фурмам) с более высокой температурой, чем легкоплавкий, и при этом температура продуктов плавки выше. При легкоплавком шлаке труднее добиться той же температуры горна, что и при трудноплавком. Основные меры для лучшего нагрева горна - повышенный расход кокса и высокий нагрев дутья - главным образом способствуют повышению содержания кремния в чугуне. Но не последнюю роль играет при этом и температура приходящего в горн шлака.

Однако легкоплавкость и подвижность первичного шлака не всегда отвечают низкому нагреву горна. Многое зависит от того, как изменяются состав и свойства шлака по мере его стекания вниз. Например, первичный высокожелезистый и высокомарганцовистый шлак имеет низкую температуру плавления и высокую подвижность (надо учесть, что такой шлак еще и тяжелее, чем низкожелезистый и низкомарганцовистый, и от этого его движение вниз еще ускоряется). Но железо и марганец, как известно, быстро восстанавливаются по мере движения вниз при нормальном распределении газового потока. Восстановление Fe и Мn вызовет снижение содержания FeO и МnО и повышение вязкости шлака. Это снизит скорость его движения вниз и вызовет усиленный его нагрев. С повышением температуры шлака его текучесть будет достаточной и при снижении содержания в нем FeO и МnО. Происходит своеобразное “саморегулирование” вязкости шлакового расплава, характерное для доменного процесса.

Наоборот, при медленном восстановлении железа и марганца шлак, сохраняя высокую текучесть, приходит в горн быстро и поэтому нагревается мало. Вследствие этого его текучесть не бывает чрезмерно велика. Вот почему вязкость шлака оказывается более или менее стабильной независимо от интенсивности восстановления FeO и МnО при движении шлака к горну доменной печи.

Указанные свойства шлака влияют не только на температуру горна, но и на ход печи. Тугоплавкий и вязкий шлак, заполняя пространства между кусками материалов (главным образом кокса), ухудшает газопроницаемость столба материалов и затрудняет движение газов, нарушает их распределение по сечению печи. Ровный ход шихты при наличии таких шлаков в зоне шлакообразования может нарушиться, и поэтому интенсивность хода печи должна быть снижена.

Наоборот, легкоплавкие и подвижные шлаки быстро освобождают межкусковые пространства коксовой насадки, что приводит к увеличению порозности слоя кокса в зоне шлакообразования и создает возможность форсировать доменную плавку дутьем и получать более высокую производительность печи.

Вязкий шлак может налипать на огнеупорную кладку печи, способствуя образованию настылей, и создавать условия для нижних подвисаний шихты. Чрезмерно подвижный шлак тоже вреден, так как может не только охлаждать горн печи, но и “размывать” футеровку нижней части печи.

Отметим, что на вязкость шлаков большое влияние оказывает наличие механических примесей - мелких фракций твердых материалов кокса, известняка и пр. Они сильно снижают подвижность шлаков. Поэтому к прочности и гранулометрическому составу кокса и других шихтовых материалов должны предъявляться высокие требования.

Вред вязких шлаков сказывается тем сильнее, чем их больше. Сравнительно вязкий шлак, если его немного, заполняет не все межкусковые пространства коксовой насадки и оставляет каналы для прохода газов. Подвижный шлак даже в относительно большом количестве, вследствие высокой его текучести, также может оставлять каналы для прохождения газового потока.

Таким образом, количество шлака во взаимосвязи с его вязкостью является одним из важных факторов ровного схода шихтовых материалов и ровного хода печи.

Следовательно, много шлака вредно не только потому, что это увеличивает расход кокса (из-за большого количества тепла, уносимого им из печи), но и потому, что вызывает неровный ход, затруднения в сходе шихты и неравномерное газораспределение. Положение усугубляется при тугоплавких и вязких шлаках. Опыт доменных плавок говорит о том, что можно успешно работать с удельным выходом шлака 0,3 т/т чугуна и ниже. Лимитировать снижение удельного выхода шлака может только борьба с серой. В последнее время выход шлака вследствие использования рудного материала с высоким содержанием железа на некоторых печах составляет 0,2-0,4 т/т чугуна. Глубокое обогащение руд и уменьшение выхода шлака - важнейшие направления развития доменного производства.

Из сказанного следует, что легкоплавкие и маловязкие шлаки благоприятствуют форсированной работе, но не всегда дают возможность получить кремнистые “горячие” чугуны. Наоборот, тугоплавкие и не очень подвижные шлаки “греют” горн, но нарушают ровный ход при большом количестве дутья, т.е. при форсировании хода сдерживают возможность интенсификации плавки.

Чрезмерно легкоплавкий и подвижный шлак приводит к похолоданию, а тугоплавкий и вязкий шлак - к тугому ходу и зависанию. Две отмеченные крайности в работе доменной печи недопустимы. Технолог должен избегать не только этих крайностей, но и всякого приближения к ним, выбирая в зависимости от обстоятельств такое течение процессов образования первичного и конечного шлаков, которое обеспечивает в каждом случае ровный ход печи при необходимом тепловом состоянии горна.

Из сказанного становится очевидной необходимость работы печи на устойчивых шлаках. В производственных условиях по разным причинам неизбежны непроизвольные изменения условий плавки, вызывающие изменения в составе и свойствах первичного, промежуточного и конечного шлаков. Так, колебания содержания железа и кремнезема в железорудных материалах, загружаемых в доменные печи, нередко составляют ±1,5 %, а основности агломерата ±0,1. Поэтому радикальное совершенствование усреднения и достижение колебаний в содержании Fe и Si0₂ в железорудной части шихты не более ±0,2-0,3 %, а основности ±0,03-0,05 значительно улучшат процессы шлакообразования, стабилизируют тепловое состояние печи и состав чугуна, особенно содержание кремния и серы. Химический состав (основность), количество, температура плавления и вязкость шлака оказывают сильное, а часто и решающее влияние на процессы восстановления железа, а также Si, Μn, Р, Сr, V, Ti и других элементов и на удаление серы в процессе доменной плавки. Это определяет качество получаемого чугуна.