Теория и технология доменного процесса
Бабарыкин Н.Н.
Магнитогорск, Array г.
4.8. СВОЙСТВА КОНЕЧНЫХ ШЛАКОВ
4.8.1. Требования к шлакам
По условиям производства конечные шпаки должны легко удаляться из печи, оставлять в транспортных желобах мало застывшей массы и хорошо поглощать серу. В связи с этими главными критериями оценки свойств шлаков служат: динамическая вязкость, температура хорошей текучести, температура застывания, устойчивость физических свойств, поверхностное натяжение и обессеривающая способность.
Динамическая вязкость характеризует величину силы внутреннего трения между слоями жидкости, перемещающимися с разной скоростью. В системе СИ за единицу вязкости принята сила 1 Н, обеспечивающая разность скоростей 1 м/с двух слоев жидкости с поверхностью соприкосновения 1 м2. Размерность этой единицы, не имеющей названия. Пас. Ее значение в десять раз больше Пуаза (П) - единицы вязкости, применявшейся в системе СГС: Пас= 10 П.
Величину, обратную вязкости, именуют текучестью. Поэтому жидкости с высокой вязкостью имеют малую текучесть, с малой вязкостью - высокую текучесть.
Температура хорошей текучести определяет нагрев шлака, при котором он легко выходит из печи и быстро перемещается по транспортным желобам. В производственных условиях этот критерий является главным. По нему устанавливают необходимый уровень нагрева чугуна и шлака.
Хорошей текучестью обладают расплавы с вязкостью 0,3-0,4 Пас. В зависимости от химического состава нагрев таких расплавов на выпуске составляет 1450-1500°С.
Температура застывания определяет предел сокращения нагрева, ниже которого нормальная работа доменной печи не возможна из-за появления в горне, горновом и транспортном желобах большой массы твердеющего шлака. Чугун в этих условиях может сохраниться жидким, так как температура его кристаллизации на 100-150 град ниже температуры твердения шлака.
Часто последний критерий отождествляют с температурой плавления систем CaO-Al203-Si02 или CaO-Al203-Si02-MgO. Но такой подход не корректен по двум причинам. Во-первых, в упомянутых системах за точку плавления принята температура, при которой аморфная изотропная смесь чистых оксидов приобретает кристаллическое анизотропное строение. Из-за отсутствия у шлаков четко выраженной точки перехода из жидкого состояния в твердое температуры плавления и твердения не всегда совпадают. Во-вторых, в доменных шлаках содержится не 3-4, а большее число компонентов (СаО, А12O3, SiO2, MgO, TiO2, CaS, FeO, MnO,K2O,Na2O), каждый из которых по-своему влияет на температуру твердения. В итоге суммарный результат действия многих компонентов заметно отличается от действия трех или четырех.
Более точно о температуре твердения реальных шлаков можно судить по лабораторным опытам, в которых вязкость медленно охлаждаемого расплава начинает превышать 10 Пас.
Обессеривающая (серопоглотительная) способность характеризует величину поглощения серы шлаком. Различают фактическую и равновесную обессеривающую способности, из которых первая отвечает реальным условиям плавки, вторая - равновесному состоянию системы чугун-шлак-углерод. Мерой серопоглотительной способности служит безразмерный коэффициент распределения серы между шлаком (S, %) и чугуном [S, %]
LS=(S)/[S].
Степень достижения равновесия по сере определяют по отношению фактического и равновесного коэффициентов ее распределения
m= Ls/ Ls°.
4.8.2. Методы исследования свойств шлаков
Для изучения свойств шлаков используют расплавы: натуральные, полусинтетические и синтетические. Первые соответствуют реальным доменным шлакам, вторые получены на основе реальных добавкой 1-3 оксидов марки ЧДА (чистых, для анализа), последние сплавлены из чистых оксидов в желаемом соотношении.
Полусинтетические и синтетические шлаки используют в случаях предстоящего значительного изменения состава рудной части доменной шихты или перехода на новую рудную базу с другим соотношением шлакообразующих в агломерате и окатышах. На ММК необходимость изучения свойств упомянутых шлаков появилась в 1950-1960 гг. в связи с выводом из шихты марганцевых добавок и вовлечением в производство чугуна большого количества железных руд других месторождений.
Вязкость шлаков измеряют посредством вискозиметров ротационного или вибрационного типа. В первом случае соединённый с механическим или электрическим двигателем шпиндель прибора (рис. 4.53) под действием силы внутреннего трения изменяет крутящий момент двигателя пропорционально вязкости жидкости. Во втором шпиндель вискозиметра меньшего поперечного сечения совершает вертикальные возвратно-поступательные движения с резонансной частотой и максимальной амплитудой. Трение шпинделя о жидкость увеличивает кажущуюся массу вибратора и уменьшает амплитуду его движения, по которой судят о вязкости расплава.
Вискозиметры градуируют при комнатной температуре по жидкостям известной вязкости и одинаковой со шлаком плотности.
Перед измерением вязкости шлак нагревают до 1600°С в вертикальной трубчатой электропечи в платиновом или молибденовом тигле с применением защитной атмосферы (аргона). Температуру определяют платина-платинородиевой или вольфрам-рениевой термопарой, вязкость измеряют при охлаждении шлака со скоростью 5 град/мин в начале охлаждения и 3 град в конце (перед затвердеванием).
Результаты измерения вязкости представляют на диаграммах температура - вязкость (t- η), в таблицах и на других диаграммах.
Коэффициент распределения серы L, вычисляют по лабораторным и производственным данным. В первом случае в вертикальную трубчатую электропечь помещают графитовый тигель с навесками чугуна и шлака. Содержимое тигля нагревают до заданной температуры в восстановительной среде и выдерживают до получения постоянной концентрации серы в обоих расплавах. Иногда для гарантии достижения равновесия в системе чугун-шлак в шлак вводят мешалку, подобную шпинделю ротационного вискозиметра. Во втором случае используют химические анализы выпускаемых из доменной печи расплавов.
Результаты вычислений Lsи степени использования обессеривающей способности шлаков представляют в таблицах или на различных диаграммах с указанием температуры и химического состава обоих расплавов.
Несмотря на большое количество исследований, простого и достаточно точного метода вычисления Lsдля заданных условий плавки не имеется. Это вызвано в первую очередь несоответствием условий лабораторных опытов действительному ходу процесса десульфурации. В частности, в тиглях чугун и шлак контактируют только по поверхности слоев постоянной высоты, в каждом из которых благодаря боковому подводу тепла возникают слабые конвективные потоки, ускоряющие выравнивание температуры и состава.
В горне промышленных агрегатов из-за присутствия кокса конвективное движение расплавов отсутствует, а площадь контакта слоев невелика. Основная часть десульфурации совершается во время прохождения капель металла через слой шлака меняющейся высоты. Длительность пребывания гранул чугуна в шлаке не измерена, но она несомненно во много раз меньше времени достижения равновесия (2-6 ч) в большинстве лабораторных исследований.
Наконец, в доменной печи десульфурация чугуна завершается во время интенсивного перемешивания потоков металла и шлака в канале чугунной летки и горновом желобе. В лабораторных опытах этот процесс не учитывают.