title-icon Статьи о ремонте
title-icon
» » Шлакообразование

Шлакообразование

Шлак образуется в результате расплавления пустой породы руды и флюса, к которым впоследствии присоединяется зола кокса. Процессу плавления предшествует спекание, являющееся не только физическим процессом слипания частиц окислов при нагреве их до той или иной температуры, но также и химическим процессом образования химических соединений, температура плавления которых может быть значительно выше температуры спекания. Процесс плавления окислов, образующих шлак, начинается с их размягчения, представляющего собою промежуточную ступень при переходе из твердого состояния в жидкое. При этом интервал температур, отвечающих, с одной стороны, началу размягчения твердого вещества и, с другой, превращению его в расплавленное состояние, при котором шлак обладает достаточной текучестью, не является постоянным и зависит от состава шлака.
Например, сплав SiO2 — Al2O3 — CaO, содержащий 62% SiO2; 14,75% Al2O3 и 23,25% CaO, начинает плавиться при 1165° С, (самая низкая температура плавления для данной системы); при перегреве на несколько сот градусов этот сплав остается очень густым и нетекучим, в то время как сплав, содержащий 47,3% SiO2; 18,6% Al2O3 и 34,1% CaO, начиная плавиться при 1299° С, становится совершенно жидким при 1400° С.
Для получения наилучших результатов доменной плавки желательно, чтобы шлакообразование началось лишь после того, как закончится восстановление окислов железа. В действительности, однако, это условие никогда не соблюдается и шлакообразование начинается прежде, чем окислы железа будут полностью восстановлены. Образование железистых шлаков крайне нежелательно, так как ведет за собой повышенное развитие процессов прямого восстановления в нижних горизонтах доменной печи.
Кроме того, при соприкосновении сильножелезистых шлаков с раскаленным коксом будет происходить интенсивное восстановление окислов железа, причем образующееся железо остается в массе шлака в виде мельчайших твердых частиц. Это обстоятельство, наряду с неизбежным понижением температуры в результате прямого восстановления, может повести за собой при известных условиях застывание расплавившегося шлака и образование непроницаемого для газа конгломерата из кокса и застывшего шлака.
Наконец, образование железистых шлаков нежелательно еще и потому, что в результате этого существенно увеличивается количество шлака в области шлакообразования, что заметно ухудшает газопроницаемость столба шихтовых материалов.
Количество окислов железа, остающихся невосстановленными к моменту начала шлакообразования, зависит от многих факторов и, в частности, от свойств проплавляемой руды, и именно — восстановимости окислов железа и степени трудноплавкости пустой породы. Как указывает акад. М.А. Павлов, могут быть различные сочетания этих свойств. Наиболее желательным сочетанием, с точки зрения предотвращения перехода большого количества окислов железа в шлак, является легковосстановимость окислов железа в руде и трудноплавкость пустой породы. В этом случае степень восстановления окислов железа к моменту начала шлакообразования будет высока, а само шлакообразование будет проходить при температурах более высоких.
Наиболее неблагоприятным сочетанием является легкоплавкость пустой породы руды и трудновосстановимость ее окислов железа.
В этом случае температура начала плавления пустой породы будет сравнительно невысокой, и к тому моменту, когда куски руды нагреются до этой температуры, большое количество окислов железа еще не будет восстановлено и перейдет в шлак.
Горизонт, на котором начинается образование жидких шлаков, не является постоянным не только для различных доменных печей, но даже и для одной и той же печи. Расположение этого горизонта зависит от ряда факторов: от распределения газовою потока и материалов по сечению доменной печи, расхода горючего, нагрева дутья, режима работы доменной печи, свойств сырых материалов.
Следует иметь также в виду, что вследствие неравномерного распределения температур по сечению доменной печи горизонт шлакообразования представляет собою не плоскость, а поверхность сложной формы. Эта поверхность чаще всего имеет подъем у стен печи и у ее оси, где температура обычно выше, и опускается вниз на некотором расстоянии от стен, где температура ниже. Подъем температуры у стен и у оси объясняется тем, что здесь обычно проходит больше газа, чем в других сечениях печи.
Исследование работы наших больших доменных печей показало, что в распаре у стен жидкий шлак имеется всегда. Очень часто жидкий шлак появляется на нижнем горизонте шахты, в некоторых случаях наблюдалось появление жидкого шлака даже в средних горизонтах.
В табл. 28 указан состав первичных шлаков при выплавке передельного чугуна, извлеченных из распара и нижнего горизонта некоторых доменных печей.

Как показывает таблица, содержание основных составляющих шлака колеблется в весьма широких пределах. Многие пробы содержат большое количество закиси железа — 20—30% и даже больше. Во многих шлаках содержится некоторое количество высших окислов железа (до 6%). Ho наряду с железистыми шлаками нередко встречаются шлаки, содержащие 2—3 и даже 1% закиси железа. Столь значительные колебания в содержании закиси железа в первичных шлаках объясняются непостоянством в ходе процессов восстановления окислов железа, которое вызывается изменениями в распределении газовых потоков и изменениями температуры по высоте доменной печи.
Содёржание MnO в первичных шлаках при выплавке мартеновских чугунов высоко и также колеблется, но в меньших пределах по численному значению, в приведенных данных от 2,8 до 12,1%. Небольшое содержание MnO, по сравнению с содержанием закиси железа, объясняется незначительным содержанием марганцевой руды в шихте доменных печей; что же касается степени восстановления марганца, то, разумеется, она во много раз ниже степени восстановления железа.
Содержание кремнезема и извести колеблется в весьма значительных пределах, что объясняется главным образом колебаниями в содержании окислов железа и закиси марганца.
Более характерным является отношение CaO : SiO2; во многих шлаках (печи южных заводов) это отношение выше 1, что говорит о том, что первичные шлаки, взятые на периферии, могут содержать известь в значительном количестве.
Процесс плавления пустой породы руды оказывает весьма существенное влияние на ход доменной плавки во многих отношениях. Прежде всего, как указывает М.А. Павлов, от хода процесса шлакообразования зависит температура в горне. Если пустая порода руды легкоплавка, то плавление ее будет происходить в более высоких горизонтах, при более низких температурах. Это приведет к получению более низкой температуры в горне по следующим причинам.
В период плавления на температуру первичного шлака оказывает известное влияние затрата тепла, расходуемого на скрытую теплоту плавления.
После того как шлак расплавится, он более или менее быстро, в зависимости от его вязкости, стекает в горн. При этом шлаки со сравнительной низкой температурой плавления и малой вязкостью, придя в горн, будут нагреты до более низкой температуры, чем шлаки с более высокой температурой плавления и с повышенной вязкостью, что повлечет за собой снижение температуры горна.
В качестве примера первичных шлаков со сравнительно невысокой температурой плавления и малой вязкостью, способствующих вследствие этого понижению температуры горна, можно привести шлаки с высоким содержанием закиси марганца, получающиеся при выплавке высокомарганцевых чугунов.
Плавление тугоплавкой пустой породы руды происходит в более низких горизонтах печи, когда шлакообразующая масса нагрета до более высокой температуры. По этой причине шлак придет в горн доменной печи нагретым до более высокой температуры, чем в первом случае, в результате чего и температура горна будет выше.
В качестве примера тугоплавких первичных шлаков с пониженной вязкостью, способствующих вследствие этого повышению температуры горна, можно привести шлаки с повышенным содержанием глинозема (18—20% Al2O3 и более).
Переход закиси железа в первичные шлаки должен способствовать понижению температуры их плавления, т. е. делать первичные шлаки более легкоплавкими. Эти шлаки при небольшом перегреве становятся жидкими. Однако не следует думать, что такие шлаки во всех случаях будут быстро стекать в горн, вызывая там значительное понижение температуры как в результате расхода тепла на восстановление, так и вследствие прихода в горн массы, нагретой до сравнительно невысокой температуры.
Как указывалось выше, шлаки, богатые окислами железа, быстро восстанавливаясь при соприкосновении с раскаленным углеродом, могут загустевать в результате выделения мельчайших частиц железа.
Состав первичных шлаков может претерпевать существенные изменения по мере опускания их вниз. Окончательный состав шлака устанавливается лишь в горне, после того, как в шлак перейдет зола кокса и растворится вся известь. При этом, если состав золы кокса существенно отличается от состава пустой породы руды, то конечный шлак будет иметь состав, значительно отличающийся от состава первичного шлака.
В табл. 29, составленной М.А. Павловым, показано влияние золы кокса на состав шлака.

Физические свойства шлака, так же как и его химический состав, оказывают весьма существенное влияние на ход доменной плавки. Главнейшие физические свойства шлаков характеризуются степенью трудноплавкости, т. е. температурой плавления, и текучестью в расплавленном состоянии.
Так как плавкость шлака в значительной степени определяет температуру в горне доменной печи, при выплавке чугунов, содержащих небольшое количество трудновосстановимых элементов (кремний, марганец), желательно иметь легкоплавкие шлаки и, наоборот, при выплавке горячих чугунов — трудноплавкие шлаки.
Принято плавкость шлака характеризовать количеством потребного для его расплавления тепла. Шведский металлург Оккерман в прошлом столетии при помощи калориметра определил теплосодержание шлаков выше их температуры плавления. Полученные данные Оккерман выразил числом калорий на 1 кг шлака. Так как в то время еще не было совершенных приборов для измерения высоких температур, Оккерман определял точки плавления шлака на глаз, а именно: он выливал шлак из тигля в калориметр в тот момент, когда шлак начинал покрываться корочкой. Вполне естественно, полученные Оккерманом значения для теплот плавления не были точными. Данные Оккермана впоследствии были нанесены на тройную диаграмму в виде линий одинаковых теплот плавления.

На рис. 64 представлена тройная диаграмма, выражающая зависимость теплот плавления от состава шлака. Диаграмма представляет собой часть треугольника состава системы SiO2—Al2O3—CaO, так как сплавы, очень богатые известью, глиноземом или кремнеземом, не получаются при доменной плавке.
На диаграмме представлены данные для тройных сплавов, а в действительных шлаках имеется, кроме того, MgO; MnO; FeO и CaS, поэтому приходится делать пересчет, при котором сумму SiO2 + Al2O3 + (CaO + MgO) принимают за 100, после чего определяют по диаграмме плавкость для пересчитанного состава.
Для суждения о температуре плавления шлаков пользуются тройной диаграммой (рис. 65). На треугольнике состава нанесены линии одинаковых температур плавления (изотермы), а также границы областей кристаллизации отдельных соединений. В точках пересечения трех смежных областей кристаллизации получаются тройные эвтектики.
Поскольку эта диаграмма построена на основании данных, полученных для системы из трех компонентов, а действительные шлаки содержат, кроме того, MgO; MnO; FeO и CaS, то действительная температура плавления шлаков будет ниже.
Кроме того, следует иметь в виду, что приведенные на диаграмме температуры плавления системы SiO2 — Al2O3 — CaO не являются температурами, которые непосредственно интересуют техников-доменщиков.

На диаграмме приведены температуры ликвидуса, т. е. температуры, характеризующие условия начала кристаллизации — появления кристаллов при охлаждении и полного исчезновения кристаллов при нагревании. Эти температуры не дают никаких указаний о степени текучести шлака, в то время как техников-доменщиков интересуют температуры, при которых шлак может свободно течь.
Шлаки, как и любые сплавы, не имеют определенной точки плавления: температура начала их плавления (или конца затвердевания)— точка солидуса — и температура конца плавления (или начала кристаллизации) — точка ликвидуса — различаются между собой у некоторых шлаков на сотни градусов. Так называемые «короткие» шлаки, т. е. шлаки способные в сравнительно небольшом интервале температур переходить из текучего состояния в совершенно нетекучее, могут иметь практически достаточную текучесть раньше, чем в них исчезнет (при нагреве) последний кристалл какого-либо компонента, т. е. до температуры ликвидуса. «Длинные» шлаки, т. е. шлаки, характеризующиеся постепенным переходом из текучего состояния в нетекучее, могут оказаться практически нетекучими даже при температуре выше точки ликвидуса.
Текучесть шлака в расплавленном состоянии — одно из важнейших его свойств.
Для успешного хода доменного процесса необходимо иметь шлак, достаточно жидкотекучий при температурах примерно 1400—1500° С.
Густой, недостаточно текучий шлак чрезвычайно затрудняет нормальную работу доменной печи, налипает на стенки, образуя настыли, плохо вытекает из печи, способствуя загромождению горна; в заплечиках он склеивает куски кокса, препятствуя тем самым нормальному распределению газового потока.
Текучесть шлака зависит от коэффициента внутреннего трения, или вязкости.
Коэффициент внутреннего трения представляет собой постоянную в уравнении, служащем для определения силы, необходимой для поддержания постоянной разности скоростей при движении двух соприкасающихся слоев жидкости:
Шлакообразование

где n — коэффициент внутреннего трения при данной жидкости;
А — площадь соприкосновения;
dv — разность скоростей двух соприкасающихся слоев жидкости;
dz — расстояние между осями двух соприкасающихся слоев жидкости.
Физический смысл коэффициента становится ясным, если приравнять к единице все множители правой части вышеприведенного уравнения. Тогда коэффициент внутреннего трения равен силе на единицу площади, необходимой для поддержания разности скоростей, равной единице между двумя параллельными плоскостями, расстояние между которыми равно единице.
Коэффициент внутреннего трения, или вязкость, выражается в абсолютных единицах. n = 1 (дн*сек/см2) в абсолютной системе называется пуазом; вязкость воды при 20° С равна приблизительно 0,01 пуаза. Техническая единица вязкости 1 кг*сек/см2 = 981000/10000 дн*сек/см2 = 98,1 пуаза.
Величина, обратная вязкости — текучесть — обычно выражается как 1/n.
Вязкость шлака зависит от его химического состава и температуры. С повышением температуры вязкость всех шлаков уменьшается, но не в одинаковой мере для шлаков различного состава.
На основе многолетнего практического опыта, а также данных ряда исследований можно сказать о зависимости текучести шлаков от их химического состава следующее.
Вязкость доменных шлаков находится в прямой зависимости от соотношения количества извести и суммы кремнезема и глинозема в них. Более или менее значительное преобладание суммы SiO2 + Al2O3 над известью делает шлаки густыми, тягучими, медленно застывающими и переходящими при охлаждении постепенно (через тестообразное состояние) в стекловидную массу с раковистым изломом.
Шлаки, у которых отношение SiO2 + Al2O3/CaO приближается к единице, — жидкие в расплавленном состоянии, застывают быстро (не переходя через тестообразное состояние) в камневидную массу с тусклым, землистым изломом.
При дальнейшем увеличении содержания извести шлаки резко теряют свою текучесть, делаются густыми, рыхлыми, но не тягучими («короткие» шлаки), и рассыпаются при охлаждении в порошок.
Замена части извести магнезией делает шлаки более текучими. Закись марганца и закись железа еще более способствуют жидкоплавкости шлака. Сернистый кальций в количестве 6% способствует некоторому снижению вязкости. Дальнейшее повышение содержания сернистого кальция вызывает заметное увеличение вязкости. Наибольшая вязкость шлака, которая еще может быть допущена в горне доменной печи, составляет около 25 пуаз при 1500° С. Такую вязкость имеют кислые шлаки древесноугольной плавки, у которых сумма SiO2 + Al2O3 составляет 65—70%.
Вязкость шлаков коксовой плавки значительно ниже и в нормальных условиях колеблется в пределах от 2 до 6 пуаз при 1500° С.

На рис. 66 представлены диаграммы вязкости шлаков, состоящих из трех компонентов, при 1400 и 1500° С.
Поскольку действительные шлаки состоят не из трех, а из шести-семи окислов, вязкость их будет несколько ниже той, на которую указывают данные диаграммы.
Вязкость некоторых действительных доменных шлаков наших печей указана в табл. 30.
О зависимости вязкости шлаков одного и того же состава от температуры можно судить по рис. 67, содержащему данные, полученные И.П. Семиком при исследовании шлаков магнитогорских печей и так называемых «нормальных» шлаков при выплавке литейного и передельного чугунов.
Как показывают кривые, с понижением температуры вязкость растет сначала незаметно; затем, при известной — «критической» — температуре (разной для шлаков разного состава) кривые вязкости круто заворачивают вверх; практически это означает, что шлак становится нетекучим.

Следует отметить, что у некоторых шлаков (например, шлаки рис. 67, б) интервал температур, в котором шлак из хорошо текучего состояния переходит в совершенно нетекучее, очень невелик. Это означает, что такие шлаки при температурах, близких к критической, могут превращаться в нетекучее состояние при небольшом понижении температуры (25—50° С). При работе на мартеновский чугун, когда печь работает с небольшим запасом тепла в горне, такие шлаки очень нежелательны, так как могут вызвать загромождение горна.
«Нормальными» шлаками, по М.А. Павлову, называются шлаки, обладающие физическими свойствами и химическим составом, обеспечивающими получение нужных сортов чугуна на минеральном горючем, с экономным расходом кокса.
Эти шлаки были рекомендованы М.А. Павловым на основе анализа условий и результатов доменной плавки в различных металлургических районах земного шара. Так как в то время определение вязкости шлаков еще не производилось, то численные данные о вязкости этих шлаков отсутствовали, хотя и было известно, что вязкость этих шлаков невелика.

В 1947 г. И.П. Семиком была проведена работа по определению вязкости всех рекомендованных М.А. Павловым шлаков.
Состав «нормальных» шлаков для выплавки чугунов на минеральном горючем, вязкость и другие физические свойства их указаны в табл. 31 (по данным М.А. Павлова).
В табл. 32 приведен состав действительных шлаков некоторых заводов при выплавке различных сортов чугуна.
Кроме химического состава шлака, определяющего его основность и вышеописанные свойства — степень плавкости и текучести, — большое значение имеет также и количество шлака, приходящееся на одну весовую единицу чугуна. Крайне нежелательно иметь излишнее количество шлака, так как это приведет к излишнему перерасходу горючего; кроме того, при современном интенсивном ходе доменных печей увеличение количества шлака заметно ухудшает газопроницаемость шихты и тем препятствует плавному опусканию ее.
Минимальное количество шлака обусловливается требованием надлежащей десульфурации чугуна (концентрация серы в шлаке не должна превышать 2,7—3%), с одной стороны, и степенью постоянства химического состава шихты, — с другой. При непостоянстве химического состава сырых материалов относительное количество шлака приходится увеличивать, чтобы избежать резких колебаний в составе шлака и чугуна.



В настоящее время еще нельзя считать вполне установленным, какое относительное количество шлака следует считать минимально допустимым. При выплавке древесноугольного чугуна работали с относительным количеством шлака 0,2—0,25, при выплавке передельного чугуна на коксе — 0,4—0,25.
В современных условиях в подавляющем большинстве случаев относительное количество шлака на отечественных доменных печах держится в пределах 0,6—0,8 до 1,0. При выплавке литейного чугуна предпочтительно иметь шлака больше, чем при выплавке передельного чугуна. Это вызвано тем обстоятельством, что при небольшом количестве шлака снижение содержания кремния в чугуне на 1% (что всегда может случиться) вызывает увеличение содержания кремнезема в шлаке на несколько процентов.
Несомненно, что относительное количество шлака, на котором приходится работать нашим доменным печам, значительно выше оптимального. Поэтому снижение относительного количества шлака является одной из насущных задач советских металлургов. Достигнуть этого можно в первую очередь обогащением железных руд с целью повышения содержания в них железа и коксующихся углей с целью понижения содержания в них золы.

title-icon Подобные новости