1.3.2. Образование шлака

Процесс шлакообразования в доменной печи имеет большое значение для газодинамики плавки, поскольку более 2/3 потерь напора газа приходится на нижнюю зону, хотя высота этой зоны составляет примерно 1/3 от общей полезной высоты. Кроме того, от конечного состава шлака зависит химический состав и качество чугуна.

Процессы шлакообразования в печи весьма сложны и во многом зависят от химического и минералогического состава, крупности и восстановимости шихтовых материалов, температуры и состава газовой среды. Переход из твердого состояния пустой породы железосодержащих материалов и флюсовых добавок шихты происходит благодаря сложным твердо фазным взаимодействиям оксидов, спекания и размягчения с последующим вязкопластическим и жидкоподвижным состоянием.

Основными компонентами шлака являются оксиды Al₂O₃, СаО, MgO, SiO₂, причем первые три в доменной печи не восстанавливаются вообще, а кремний из кремнезема восстанавливается только частично. Температуры плавления указанных оксидов высоки (СаО – 2370; Al₂O₃ – 2050; MgO – и SiO₂ – 1625 ⁰С) и в доменной печи не достигаются. Однако, в пустой породе железных руд и продуктах их подготовки агломератах и окатышах, указанные выше оксиды находятся в связанных друг с другом сложных соединениях. В состав этих минералов могут входить также оксиды железа, марганца и др. Температура плавления минералов значительно ниже, чем температуры плавления отдельных оксидов, из которых состоят минералы. При этом, чем большее число оксидов входит в состав минералов, тем ниже их температура плавления.

На рис. 1.34 представлено изменение температур и фазовых превращений по высоте доменной печи. Видно, что на периферии под защитными плитами колошника температура 600-650⁰С, в средней части шахты 800-900⁰С и в нижней части шахты 1000-1100⁰С. В промежуточной зоне температура значительно ниже, по сравнению с периферией. Так, по линии спекания и размягчения видно, что температура 1000-1100⁰С в промежуточной зоне достигается на 15 горизонте, т.е. на 5-6 м ниже, чем это имеет место у стен печи. Видно также, что граница размягчения и спекания материалов начинается уже при температуре 900-1000⁰С и имеет сложную конфигурацию по радиусу печи.

Жидкий расплав чугуна и шлака на периферии начинается в районе распара и заплечиков, а в промежуточной зоне на 4-5 м ниже. На периферии Fe₂O₃ исчезает на третьем, а Fe₃O₄ на пятом горизонтах. В промежуточной зоне магнетит исчезает на 11 горизонте. Переходная зона из твердого состояния железорудных материалов в жидкий расплав занимает по высоте 4-5 м и в этом плане равнозначна для всех трех зон. Процесс перехода из размягченного состояния до жидкоподвижного называется первичным шлакообразованием. Поскольку процесс идет в зоне высокой концентрации вюстита, то в первичном шлаке имеется значительное количество FeО. Монооксид железа входит в состав силикатов железа в соединениях типа (Fe, Mn, Ca)SiO₂, n(Fe, CaO) mSiO₂ и др. Первичный шлак для разных сырьевых условий содержит от 20% до 50% FeO. Основностью шлаков называют отношение основных окислов к кислым (CaO+MgO)/(SiO₂+Al₂О₃). Это полная основность. Часто пользуются неполной основностью (CaO+MgO)/SiO₂ т.к. содержание Al₂O₃ в шлаках достаточно стабильно.

Основность первичных шлаковых расплавов значительно ниже, чем пустой породы агломератов, что свидетельствует о преимущественном участии в образовании первичных шлаков низкоосновных компонентов шихты – сырых железных руд, неофлюсованных и слабоофлюсованных окатышей.

Состав первичных шлаков и горизонты их образования непостоянны и зависят от минералогического состава железорудных материалов и состава газов по сечениям печи. При опускании вниз печи из первичных шлаков восстанавливается вюстит и расплавляется основная часть пустой породы офлюсованных агломератов. Масса СаО и MgO увеличивается и вследствие плавления флюсов. Процентное содержание SiO₂ и А1₂О₃ также увеличивается за счет снижения содержания FeO и МnО с 15-28% до 0,5-0,8%. Таким образом при опускании шлака вниз растет его основность. Состав шлака все время меняется и такие шлаки называют промежуточными. На фурмах ошлаковывается зола кокса и шлак принимает свой окончательный состав. Такой шлак называют конечным.

Образование шлака в доменной печи, Енакиевского металлургического завода (рис. 1.34) в основном типичен для двух зон периферийной и промежуточной, В центральной зоне данной печи температура была очевидно ниже, чем это наблюдается в большинстве случаев. Как правило, температура в центральной зоне или равна температуре периферии или несколько выше. Соответственно и зона первичного образования шлака должна находиться выше, по отношению к промежуточной зоне.

При движении вниз первичных шлаков они сначала мало насыщаются серой, поскольку имеют низкую основность и недостаточно прогреты. С увеличением массы СаО и MgO увеличивается их основность и подвижность. Все это благоприятно сказывается на удалении серы из металла в шлак. Десульфурация чугуна в доменной печи и внепечная обработка будет рассмотрена несколько позднее.