Шлакообразование и отработка продуктов плавки

Категория:
Выплавка чугуна


Шлакообразование и отработка продуктов плавки

Особенностью шлакообразования в мощных доменных печах является обеспечение хорошей фильтрующей способности шлаков и их устойчивости (сохранении жидкоподвижности) в широком диапазоне изменений температурного поля в печи в связи с увеличением диаметра горна и отдалением осевой зоны от фурменных очагов горения с высокой начальной температурой газов. Считают, что достаточно устойчивыми свойствами обладают шлаки с критической температурой кристаллизации не выше 1300-1350 °С при вязкости < 1 Па-с. При этом температура, при которой шлак становится гомогенным и хорошо подвижным (вязкость <0,3 Па- с) не должна быть выше 1500 °С, а поверхностное натяжение ~ 0,450 Н/м. В этом случае обеспечиваются необходимые условия для протекания процессов десульфурации в печи и отработки продуктов плавки.

Несоблюдение этих условий при работе мощной доменной печи 5000 м3 комбината “Криворожсталь” нарушало устойчивость ее хода. Характерным для работы этой печи в начальный период эксплуатации являлась очень низкая стабильность процесса шлакообразования и большая неравномерность формирования шлака по окружности и диаметру печи, что было обусловлено неравномерным распределением материалов. Способность шлака фильтровать через коксовую насадку во многом определяет устойчивую работу мощных доменных печей. В связи с этим особый интерес представляют исследования по изучению поведения железистых шлаков в коксовых насадках, так как существовавшие гипотезы были противоречивы. Высказывалось мнение о быстром стекании таких шлаков в горн ввиду низкой вязкости и высокого удельного веса железистых расплавов. С другой стороны считалось, что эти шлаки будут задерживаться в коксовой насадке из-за интенсивного восстановления закиси железа и образования малоподвижных вспененных масс.

Влияние различных факторов на фильтрацию шлаков через коксовую насадку изучали С.В. Шаврин, И.Н. Захаров и др. в лабораторных условиях в Институте металлургии Уральского филиала АН СССР. Установлено, что в условиях противотока газов зависимость скорости истечения шлака от концентрации FeO в расплаве имеет экстремальный характер. Наличие максимума объясняется снижением вязкости расплава с увеличением FeO в области их низких значений и ухудшением жидкотекучести в области высоких концентраций FeO вследствие интенсификации процессов восстановления и образования гетерогенных газошлаковых смесей. На основании проведенных исследований сделали вывод о значительном влиянии капиллярных сил на режим фильтрации шлака вслое коксовой мелочи. Выдвинута гипотеза о том, что основная масса шлака, остающегося в насадке, удерживается силами поверхностного и межфазного натяжения, которые определяются свойствами расплава, его взаимодействием с веществом насадки.

На основе статистической обработки показателей работы различных доменных печей показано, что чем меньше размер горна, тем больше скорость фильтрации шлака и выше предельные нагрузки насадки (рис. 49). Такая зависимость обусловлена главным образом изменением порозности слоя кокса в радиальном направлении. Известно, что порозность кокса в зонах разрыхления значительно выше, чем в центральной части печи. Исходя из предположения, что у оси печи порозность кокса равна 0,45-0,50, а в зоне разрыхления слой кокса близок к состоянию полной потери связности, рассчитаны скорости фильтрации. Их величина значительно выше в зоне разрыхления, чем в центральной части печи. Поскольку с увеличением диаметра горна доменных печей, относительная величина зон разрыхления сокращается, то скорости фильтрации расплава и предельные нагрузки коксовой насадки уменьшаются.

Установленные закономерности свидетельствуют о необходимости принятия особых мер по организации условий шлакообразования на печах большого объема, прежде всего связанных с протеканием восстановительно-теплообменных процессов и распределением температурного поля в радиальном направлении, а также газодинамическим режимом в нижней части печи.

В ИЧМ на специальной установке исследовали процессы формирования жидких фаз из железорудных материалов, предварительно прошедших восстановительно-тепловую обработку. Установка позволяет автоматически фиксировать температуру реакционного пространства и величину усадки слоя, а также судить о скорости фильтрации расплава через коксовый слой по количеству протекшей в ячейки графитового приемника жидкой фазы. Установлено, что характер изменения усадки железорудных материалов и массовой скорости вытекания расплава зависит от скорости их нагрева (рис. 50). Ускоренный нагрев смещает процесс начала образования жидкой фазы в область более высоких температур, практически не меняя характера их вытекания.

Отличительной особенностью проведенных исследований явилась возможность изучения процесса формирования жидких фаз с предварительной восстановительно-тепловой обработкой, позволивших повысить адзкватность имитации процессов реальным условиям доменной плавки.

Рис. 1. Влияние размера горна на скорости фильтрациии газа (н>, м/с) и расплава (и, м/с): 1-7 – для печей с диаметром горна соответственно 4,7; 8,1; 9,1; 9,74; 10,5 и 11 м; А и Б – экстраполяционные значения скоростей в разрыхленной зоне и центральной части горна

Рис. 2. Характер размягчения и образования жидких фаз (ДМ – количество вытекшей жидкости,%: а – при различной скорости нагрева проб агломерата, °С/мин:

При одинаковых условиях восстановительно-тепловой обработки наибольшее количество FeO в первичном расплаве содержится в окатышах основностью 0,5. У таких окатышей жидкоподвижная фаза образуется при температуре.1340-1350 “С, в то время как у магнезиального агломерата (2,6-2,8% MgO) с основностью 1,42 при 1480-1500 °С. Материалы резко отличаются по количеству- профильтровавшего расплава. С увеличением основности окатышей степень их восстановления повышается, содержание FeO в первичном расплаве понижается, увеличивается температура начала фильтрации, понижается температурный интервал течения расплава.

Смещение образования жидких фаз с повышением степени офлю-сования окатышей вниз печи, в зону более высоких температур, уменьшает жидкостную нагрузку на коксовую насадку, так как больше оксида железа восстанавливается в твердом состоянии и меньше его будет в первичном расплаве, лучше прогреваются материалы до отекания в горн. Снижение концентрации FeO в первичном шлаке уменьшает также и вероятность образования больших количеств вспененных масс на коксовой насадке из-за бурного протекания гетерогенной реакции восстановления оксида железа, что дополнительно улучшает гидродинамические условия нижней части печи. Полученные результаты свидетельствуют о положительном влиянии повышения основности окатышей на протекание процессов шлакообразования в доменных печах.

Рис. 3. Изменение содержания FeO и количества вытекающего расплава (2А/шл) при нагреве на коксовом слое: а – агломерат основностью 1,42; б – окатыши основностью 0,5; в – окатыши основностью 0,7; г – смесь агломерата и окатышей основностью 0,7 (соответственно 70% и 30%)

На формирование жидких фаз благоприятно отражается смешение агломерата и окатышей. Начало фильтрации расплава из смеси происходит в диапазоне температур между началом вытекания жидких масс из агломерата и окатышей; смеси вытекают лучше, чем их составляющие, на слое кокса остается меньше шлаковых составляющих.

В значительной мере работа мощных доменных печей определяется свойствами конечных шлаков, определяющих уровень десульфурации чугуна, условия дренажа в горне и выпуска продуктов плавки. Оптимизация шлакового режима с целью обеспечения достаточной жидко-подвижности шлака в широком диапазоне возможных изменений температур, высокой десульфурирующей и фильтрующей способности является одним из важнейших условий высокоэффективной работы крупных доменных печей.

В современных условиях доменной плавки наибольший интерес представляют магнезиальные шлаки, обеспечивающие изложенные выше требования к их свойствам. Однако при этом следует иметь ввиду, что влияние магнезии на свойства шлаков более сложное, чем извести.

На ЧерМК совместно с ЛПИ им. Калинина исследовали металлургические свойства магнезиальных шлаков в широком диапазоне изменения их состава. Наличие магнезии, а также глинозема в шлаках обусловлено применением в агломерационной шихте ковдор-ского железорудного концентрата с магнезиальной пустой породой, в которой содержится и глинозем.

Из рис. 4 видно, что прирост десульфурационной способности шлаков на каждый процент введенной магнезии неодинаков и зависит от общей концентрации магнезии и величины основности. Для выявления причин установленных закономерностей была изучена кристал-лохимическая структура шлаков методом инфракрасной спектроскопии на спектрофотометре UR-20.

Рис. 4. Зависимость между содержанием в шлаке MgO и коэффициентом распределения серы между шлаком и чугуном при различной основности шлака (цифры у кривых – Ca0/Si02)

Шлаки, содержащие 0-4% MgO, по диаграмме состояния системы Ca0-Mg0-Si02-Al203, при 10% AI2O3 находятся в области первичной кристаллизации псевдоволластонита. Однако шлаки с основностью 1,1 существенно отличаются по характеру полос поглощения от остальных шлаков, находящихся в этой области, так как почти не им^ют характерных для псевдоволластонита полос поглощения в длинноволновой части спектра и имеют слабо выраженные полосы в коротковолновой части.

Повышение содержания в шлаках от 0 до 4-5% MgO, приводит к заметному росту десульфурационной способности. Это объясняется происходящей перестройкой структуры расплава от сплошных пол-имеризованных к более простым алюмо- и кремнекислородным анионам, соответствующим структуре мелилита. При этом увеличивается число и активность ионов Mg2+, Са2+, О2”, что приводит к росту химической активности шлака и скорости процесса десульфурации.

Шлаки с основностью 1,1 при 5-11% MgO находятся в области первичной кристаллизации мелилита и мервинита и имеют в основном простую структуру. Добавка MgO увеличивает в этом случае активность ионов Mg2+, Са2+, О2”, определяющих десульфурационную способность шлаков.

Добавка > 10-11% MgO к шлакам с основностью 1,1 сопровождается снижением темпа роста десульфурационной способности. По диаграмме состояния четырехкомпонентной системы эти шлаки’ находятся в области .первичной кристаллизации мервинита. Однако, как показали исследования, в их спектрах имеются полосы, свойственные двухкальциевому силикату – ларниту Ca2Si04. Выделением из мервинита при его плавлении ларнита и объясняется отмеченное снижение темпа роста обессеривающей способности шлака. При этом в расплаве снижается активность ионов Са2+, О2-, определяющих в основном скорость процессов десульфурации. Влияние состава шлака на десульфурацию чугуна оценивали в реальных условиях путем статистической обработки производственных данных о составе чугуна и шлака на выпусках. Наибольший интерес представляют зависимости концентрации серы в чугуне от содержания магнезии и глинозема, которые носят сложный характер.

Оценивая результаты лабораторных и промышленных исследований, нужно отметить, что в ковдорском концентрате MgO присутствует в виде магнезиоферрита и магне-зиовюстита. Кроме того, в магнетите может быть растворено значительное количество шпинели MgO • AI2O3, т.е. оксиды магния и алюминия частично связаны в прочное и тугоплавкое соединение. В связи с этим в реальных условиях доменной плавки активность магнезии оказывается более низкой и ее влияние на десульфурационную способность меньше, чем в лабораторных исследованиях с использованием синтетических шлаков. Установленные закономерности поведения шлаковых расплавов позволили определить оптимальные шлаковые режимы для мощной доменной печи 5500 м 3 ЧерМК в раздувочный период и при нормальной эксплуатации.

Эффективная работа крупных доменных печей в значительной мере определяется организацией отработки продуктов плавки. С увеличением диаметра горна осложняется их выдача из удаленных от выпускных отверстий районов, большей вероятностью заму-соренности горна. В этих условиях необходимы особые меры по газификации коксовой мелочи и увеличению радиуса действия летки.

Рис. 5. Зависимость содержанием в чугуне [S] от содержания MgO (а) и глинозема AJ203 (б) в шлаке

Вработе указано,что местами газификации коксовой мелочи являются локальные объемы под очагами горения и верхний слой шлака на всей площади горна. С этой точки зрения целесообразно поддерживать более высокий уровень жидких продуктов плавки в горне, ограничением которого является отрицательное влияние переполнения горна на стойкость фурм и газодинамический режим. Кроме того, по мнению автора, на крупных доменных печах необходимо соответствующим перераспределением рудных материалов на колошнике увеличивать поток чугуна, проходящего через окислительные очаги у фурм, что усиливает окисление химических элементов чугуна и выгорание коксовой мелочи. Повышение уровня металла в горне благоприятно влияет на выпуск жидких продуктов плавки и в результате увеличения ферростатического давления. При низком уровне металла и недостаточном ферростатическом давлении часть чугуна и шлака из центральной зоны печи может не выходить через летки и охлаждаться, создавая условия для образования “тотермана”.

В работе на модели исследовали влияние накопления в горне продуктов доменной плавки на газодинамический режим. Установлено, что при заполнении горна менее чем на 90% до уровня фурм перепад давления газа существенно не меняется. При превышении этого уровня он начинает резко расти, что ухудшает ровность хода доменной плавки. Наблюдали отдув шлака от фурм в центр печи. Причиной повышения перепада давления газов является подпор жидкими продуктами плавки струй газового потока и увеличение трения молекул газа о жидкость. Аналогичные результаты получили в экспериментальных исследованиях, проведенных на действующих доменных печах в ФРГ.

Таким образом, существует оптимальный уровень жидких продуктов плавки в горне, который особенно важно поддерживать на мощных доменных печах. Отсюда следует, что с увеличением объема доменных печей должен изменяться и режим отработки продуктов плавки. Если для печей малого и среднего объема необходимым условием успешной их работе считалось полное освобождение горна на выпуске (продувка печи), то для крупных доменных печей все чаще применяют закрытие чугунной летки при частичной выдаче продуктов плавки с переходом на другую летку. При этом нередко производится неприрывный выпуск чугуна и шлака.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум