5. Шлакообразование

Доменный шлак является жидким расплавом невосстановленных окислов, которые вносятся шихтой (в основном пустыми породами сырых материалов) и золой кокса.

Пустая порода руды и зола кокса состоят главным образом из кремнезема (Si0₂), глинозема (Аl₂O₃), извести (СаО) и магнезии (MgO). Эти примеси нужно в процессе выплавки чугуна отделить от металла и удалить в расплавленном состоянии из горна в виде шлака. Но они имеют весьма высокие температуры плавления: кремнезем 1713°С, глинозем 2050°С, известь 2370°С, магнезия 2850°С. Между тем в доменной печи только в горне (в зонах горения кокса) температура достигает 1800 - 1900°С, на остальных горизонтах она ниже.

Для того чтобы в доменной печи образовывался жидкий шлак, к шихте добавляют флюс. В настоящее время основной флюс в виде известняка и извести вводится в агломерационную шихту, и получают офлюсованный агломерат.

Процесс шлакообразования заключается в получении из невосстановленных окислов легкоплавких соединений, температура плавления которых значительно ниже (на сотни градусов) температуры плавления каждого входящего в состав соединения окисла в отдельности.

Шлаки, образующиеся в верхних горизонтах печи, называются первичными, а шлаки, удаляемые через чугунную и шлаковую летки, - конечными. В результате происходящих физико-химических процессов конечный шлак очень сильно отличается по составу от первичного.

Содержание закиси железа в первичных шлаках может достигать 25 - 30% и закиси марганца 5 - 10%, а суммарное содержание этих окислов в шлаках конечного состава при выплавке предельного и литейного чугунов не превышает 1 - 3%.

Перед тем, как начинает образовываться шлак, процессы восстановления получают достаточное развитие. Известняк печи полностью разлагается при температурах 1000°С, а при температуре около 900°С начинается шлакообразование и плавление. В области этих температур FeO может соединяться с SiO₂ и образовывать силикаты железа. По мере опускания шихтовых материалов при температуре около 1100°С количество свободной извести уменьшается, так как она начинает соединяться с SiO₂. При температурах выше 1300°С почти вся известь соединяется с кремнекислотой.

Образованию шлака предшествует спекание и размягчение плавильных материалов. Спекшиеся еще твердые массы по мере опускания в зоны более высоких температур нагреваются движущимися газами, начинают размягчаться, а затем плавиться. Размягчение материалов (спекшихся масс) происходит различно. В одном случае происходит размягчение отдельных частиц полностью, в другом происходит оплавление отдельных кусков, сопровождающееся деформацией их и потерей первоначальной прочности. Строго разграничить зоны спекания, размягчения и плавления нельзя, так как эти процессы зависят от многих условий, например от качества проплавляемых материалов, теплового состояния печи, вида выплавляемого чугуна и т. д. Если взять несколько однородных материалов, то их спекание и размягчение будет проходить на разных горизонтах (в зависимости от положения по сечению печи). Там, где газ движется более интенсивно, размягчение начнется раньше. Применение офлюсованного агломерата, в состав которого входят все компоненты, образующие первичный шлак (за исключением золы кокса), делает последний более равномерным.

Первичный шлак может быть сильно- и малоподвижным. Опускается вниз он одновременно с общей массой плавильных материалов или независимо от нее. В это время состав первичного шлака меняется до конечного. При опускании шлак сильно разогревается; в нем уменьшается содержание закиси желза в результате восстановления твердым углеродом. Шлаки по преимущественному содержанию окислов подразделяют на кислые, основные, глиноземистые, магнезиальные, марганцовистые. Такое условное подразделение шлаков зависит от условий выплавки чугуна. На Востоке вследствие содержания в пустых породах большого количества глинозема и низкого содержания серы в коксе шлаки поддерживают более кислыми с повышенным содержанием Аl₂O₃. На Юге чугун выплавляют при более основных шлаках, так как пустая порода железных руд является преимущественно кислой, а кокс - высокосернистым. Магнезиальные шлаки имеют место и на Юге и на Востоке. Для этого в шихту дополнительно вводят доломитизированный известняк или доломит, содержащие MgO. Шлаки, в которых находится более 3% магнезии, можно считать магнезиальными, а шлаки, в которых более 9% глинозема, обычно относят к глиноземистым.

Состав первичных, промежуточных и конечных шлаков и их количество тесно связаны с составом чугуна, движением книзу плавильных материалов, топливом, состоянием печи, что в значительной мере определяет производительность.

В отличие от газа, который транспортирует тепло вверх, шлак, плавясь и стекая, траспортирует тепло вниз. Чем выше нагревается шлак, тем больше тепла с ним поступит в горн.

Если шлак легкоплавкий, то он расплавится в верхних горизонтах печи и, стекая в горн, будет иметь низкую температуру. В том случае, когда температура плавления его более высокая, он плавится в более низких горизонтах печи и стекает в горн нагретым до более высоких температур.

Легкоплавкие шлаки обычно содержат больше закиси железа и марганца; поэтому они имеют больший удельный вес, вследствие чего быстрей стекают в горн, забирают больше тепла, необходимого для прямого восстановления закиси железа и марганца.

Не следует смешивать понятие о легкоплавкости шлака и текучести. Например, легкоплавкий шлак не всегда может быть жидкоподвижным и маловязким. Тугоплавкие шлаки при достаточном прогреве могут быть не вязкими, т. е. хорошо текучими шлаками.

Слишком вязкий шлак может ухудшить работу доменной печи. Медленно опускаясь, он будет задерживать движение шихты у стен, будет заполнять пустоты между кусками кокса, "склеивая" их между собой и препятствуя проходу газов. Чем больше вязкость шлака, тем больше нарушается работа доменной печи. Большое количество шлаков отрицательно сказывается на работе печи вследствие большего заполнения им пустот между кусками кокса, что затрудняет проход горновых газов кверху.

Таким образом, умеренное количество легкоплавких и хорошо подвижных шлаков благоприятствует равномерному сходу шихты, позволяет форсировать ход печи и получать чугуны с низким содержанием серы. Более тугоплавкие и менее подвижные шлаки препятствуют ускорению процессов, но способствуют получению хорошо нагретых чугунов.

Акад. М. А. Павлов указывает, что нормальными называются шлаки, которые обладают физическими свойствами и химическим составом, обеспечивающими получение чугуна требуемого состава при экономном расходе кокса.

Так как тепловое состояние печи тесно связано с тепловым состоянием шлаков, то принято плавкость шлаков характеризовать количеством тепла, необходимого для расплавления 1 кг шлака. На рис. 79 приведена тройная диаграмма теплот плавления системы SiO₂ - Аl₂O₃ - СаО применительно к условиям доменной плавки. Поскольку, кроме этих компонентов, доменные шлаки содержат и другие, то этой диаграммой пользоваться нужно следующим образом. Допустим, необходимо определить по диаграмме теплоту плавления шлака состава: 35% SiO₂, 7% Аl₂O₃, 48% СаО, 2% MgO, 0,5% FeO, 1,5% МnО, 6% CaS. Сумма всех составляющих равна 100%, а сумма SiO₂, Аl₂O₃ и СаО - 90%. Принимаем содержание первых трех компонентов за 100%. Тогда

На диаграмме по сторонам отложены процентные содержания каждого из компонентов. Отыскиваем горизонтальную линию, соответствующую этому содержанию кремнекислоты, т. е. 39,0%. Затем находим линию, показывающую содержание глинозема 7,8%, и линию, указывающую на содержание СаО. На пересечении этих линий находим величину теплоты плавления принятого шлака. К какой кривой ближе будет расположена точка пересечения, такой и будет теплота плавления шлака. В данном случае она будет равна примерно 390 ккал (1632 кдж), так как расположена между линиями, соответствующими 380 (1589) и 400 ккал (1674 кдж).

Рис. 79. Тройная диаграмма теплот плавления

На рис. 80 приведена диаграмма вязкости шлака при температурах плавления 1400 и 1500°С.

Рис. 80. Тройная диаграмма вязкости шлаков при температуре: а - 1500°С; б - 1400°С

Шлаки не имеют определенной температуры плавления. Переход от твердого состояния к жидкому происходит в определенном интервале температур. Для успешного хода доменной плавки шлак должен обладать хорошей подвижностью при температурах от 1400 до 1500° С. Вязкость шлака зависит от содержания в нем извести и кремнезема, поэтому отношение или является важной характеристикой шлака, которая называется степенью основности.

Шлаки, содержащие большое количество извести, застывают быстро и имеют камневидный излом. Если количество глинозема и кремнезема превышает количество извести, то такие шлаки застывают медленно и имеют стекловидный излом.

Шлаки, сохраняющие в большом интервале температур подвижность при изменении состава, называются устойчивыми. Магнезия при содержании ее в шлаке 4 - 8% сообщает шлаку устойчивость, хорошую текучесть и поэтому желательна. Глинозем также сообщает устойчивость шлаку, но в меньшей степени и при большем его содержании (10 - 15%).

Окислы железа придают шлаку бурый цвет, окислы марганца - зеленый. Таким образом, по цвету и излому шлака можно судить о степени его нагрева и о работе печи. Чем более прогрет шлак, тем горячее работает печь, окислы железа и марганца восстанавливаются в достаточной степени и шлак будет светлым. При холодном ходе печи восстановление железа и марганца ухудшается, шлак содержит большее количество их окислов и имеет темный цвет.

Получение малосернистого чугуна возможно только в том случае, когда будет создан соответствующий технологический режим, заключающийся в подборе шлака необходимого состава и соблюдении требуемого теплового режима. Поэтому основной мерой борьбы с серой в доменной печи является максимальное удаление ее со шлаками.

Степень перехода серы в шлак зависит от его температуры (нагрева) и химического состава. Чем лучше нагрет шлак, тем лучше поглощает он серу. Успешному переходу серы в шлак способствует также хороший контакт между чугуном и шлаком. Содержание в шлаках различной основности до 6% MgO улучшает обессеривание, причем для основных шлаков в большей мере, чем для кислых. Влияние магнезии на обессеривающую способность шлаков объясняется тем, что она разжижает шлак, что улучшает контакт стекающих капель шлака и чугуна.

Шлаки, быстро густеющие при небольшом понижении температуры, в случае общего похолодания печи быстро загромождают горн, что часто приводит к серьезному расстройству хода печи с тяжелыми последствиями, вызывающими массовое горение воздушных фурм, амбразур и шлаковых приборов. Из сказанного можно сделать вывод, что шлаковый режим во многом определяет нормальный ход доменной плавки.