Технолог-доменщик. Справочник
Волков Ю.П., Шпарбер Л.Я., Гусаров А.К.
Металлургия, 1986 г.
ПРОЦЕСС ШЛАКООБРАЗОВАНИЯ
Шлак является продуктом плавления и взаимодействия невосстановившихся окислов железорудных материалов и золы кокса. Процесс шлакообразования зависит от химического состава и физического строения агломерата и окатышей, распределения температур, газов и шлакообразующих веществ в печи. По мере опускания материалов в печи образуются первичные, промежуточные и конечные шлаки, отличающиеся по составу и свойствам и имеющие разное значение для процесса.
Образование первичных шлаков.
При опускании в зоны более высоких температур на поверхности и внутри кусков размягченной руды образуются капли первичного шлака. Наиболее легкоплавкие и легкотекучие шлаки образуются в системе FeO—SiО2. Количество первичных железистых шлаков зависит от степени восстановления -соответствующих железосодержащих материалов до горизонта, где начинает плавиться пустая порода руды. При высоком отношении CaO/SiO2 в пустой породе начало образования первичных шлаков происходит при более высоких температурах, а содержание закиси железа в них уменьшается.
Промежуточные и конечные шлаки.
По мере опускания первичный шлак, нагреваясь, изменяет свой состав. При Повышении температуры в нем растворяется все большее количество ранее нерастворившихся SiО2, СаО, Al2O3 и MgO. Известь и магнезия, растворяясь в шлаке, вытесняют из химических соединений закись железа и марганца, образуя силикаты кальция и магния. Свободные FeOи МnО, взаимодействуя с твердым углеродом, восстанавливаются, давая Feи Мn. Таким образом, особенностью промежуточных шлаков является постепенное повышение их температуры, снижение FeOи МnО и повышение СаО и MgOс полным растворением всех окислов до поступления шлака в горн [17]. Пришедшие в горн шлаки продолжают изменять свой состав и физические свойства под влиянием происходящих здесь процессов: испарения компонентов шлака, окисления чугуна кислородом дутья в зонах горения, десульфурации шлаков, восстановления окислов железа и марганца углеродом чугуна и кокса и др. На горизонте фурм к шлаку присоединяется зола кокса. В зависимости от количества шлака и золы кокса и содержания в них окислов в большей или меньшей степени изменяется его состав, Сера поступает в шлак по мере опускания шихтовых материалов. Окончательное содержание ее в шлаке устанавливается в горне при контакте чугуна со шлаком. Таким образом конечный шлак (выпускаемый из печи) является продуктом соединения промежуточного шлака-с золой кокса, растворения в нем серы и воздействия окислительных и восстановительных процессов в горне
Современная теория строения расплавленных шлаков, разработанная О. А. Есиным, базируется на ионном строении твердых силикатов и аналогичной структуры жидких шлаков вблизи температуры кристаллизации. Теория эта исходит из представления о жидких шлаках как электролитах, полностью или частично диссоциированных на ионы. Свойства шлаков и методы их определения даны в работах [18, 19].
В шлаках печей, выплавляющих передельный чугун, содержание СаО, MgO, А12O3 и Si02 составляет 97— 98 % и более. Необходимо помнить, что пользоваться тройными диаграммами (в системе С—А—S) допустимо применительно к шлакам с низкой концентрацией MgO, в которых сумма CaO+Al2O3+SiO2 составляет не менее 90%. В остальных случаях необходимо применять четырехкомпонентную диаграмму С—М—A—S(рис. 13, 14).
Вязкость шлаков.
Под вязкостью жидкости понимают внутреннее трение, возникающее между отдельными ее слоями бесконечно малой толщины, перемещающимися с различными скоростями. Динамическая вязкость в 1 пуаз (П) в системе СГС определяется силой в 1 дин (г-см/с2), которая изменяет разность скоростей двух слоев жидкости поверхностью 1 см2, отстоящих один от другого на 1 см, (на см/с). В международной системе единиц (СИ) вязкость измеряется в единицах, которые примерно в 10 раз больше пуаза. Размерность этой единицы Па-с (И-с/м2). Соотношение единиц измерения динамической вязкости в системах СГС и СИ следующее: Па-с (Н-с/м2) 10 П. Вязкость натуральных шлаков передельного чугуна при температуре 1550°С составляет 3—5 П или 0,4—0,5 Па-с.
Энтальпия и теплоемкость шлаков.
Под энтальпией шлака понимается количество тепла, необходимое для нагрева единицы шлака в интервале температур включая теплоту химических реакций и теплоту плавления. Значения энтальпии доменных шлаков приведены в табл. 32.
Плавкость шлаковопределяется по диаграмме В. Г. Воскобойникова (рис. 15). Для оценки количества тепла, уносимого шлаком из печи, следует рассчитать энтальпию шлаков при температуре, соответствующей вязкости 0,3 Пас (3 П).
Влияние различных факторов на свойства шлаков.
Увеличение отношения CaO/SiO2 до определенного предела понижает вязкость и вызывает рост плавкости шлаков. С увеличением содержания MgOпредельное отношение CaO/SiO2, при котором еще разжижаются шлаки, уменьшается.
Увеличение суммарной основности (CaO + MgO)/Si02 понижает вязкость шлаковых расплавов. Замена 15 % СаО магнезией обусловливает понижение вязкости и, плавкости шлаков, содержащих 5—15 % А12O3.
Разжижающее действие MgOусиливается в шлаках с понижением отношения CaO/SiO2 и увеличением содержания А12O3. В кислых шлаках (CaO/SiO2=0,7) MgOоказывает большое влияние как на вязкость, так и на плавкость.
Установлено положительное влияние Аl203 до 10 % на вязкость и плавкость шлаков. Увеличение содержания А12O3 более 10% в шлаках с CaO/SiO2=l,lи 1,2 соответственно при 5 и 10 % MgOвызывает повышение их вязкости. В шлаках с низким содержанием MgOпри пониженных температурах отрицательное влияние окиси алюминия на вязкость более ощутимо, чем при высоком содержании MgO.