1.3.5. Влияние свойств и количества шлаков на десульфурацию чугуна

Кроме удаления пустой породы из железорудных материалов шлак в доменной печи выполняет не менее важную функцию по десульфурации чугуна. Основная масса серы поступает в печь с коксом, а также с железорудными материалами и флюсами.

В таблице 1.11 приведен примерный баланс серы при выплавке передельного чугуна.

Таблица 1.11. Баланс серы при выплавке передельного чугуна

на донецком коксе

Внесено в печь	кг/т чуг	%	Выдано из печи	Кг/т чуг	%
Коксом	8,146	90,05	Чугуном	0,330	3,65
Агломератом	0,580	6,41	Шлаком	7,910	87,44
Окатышами	0,104	1,15	Колошниковой пылью	0,615	6,80
Железной рудой	0,003	0,03	Колошниковым газом	0,191	2,11
Марганцевой рудой	0,001	0,01
Сварочным шлаком	0,001	0,01
Мартеновским шлаком	0,057	0,63
Металлодобавкой	0,146	1,62
Известняком	0,008	0,09
Итого:	9,046	100,0	Итого:	9,064	100,0

В коксе сера представлена органическими соединениями типа С_nS_m и в виде сульфидов FeS в золе кокса. В офлюсованных агломератах сера находится в виде сульфида (CaS), а в окатышах в виде сульфата кальция и магния (CaSO₄ и MgSO₄).

Ранее было показано (рис. 1.35), что коэффициент распределения серы L_S зависит от основности и вязкости шлака. Следует добавить сюда и зависимость [S] от, количества шлака.

(1.94)

где - количество серы оставшейся в печи, кг/100 кг чугуна;

n - относительное количество шлака.

Из формулы (1.94) следует, что содержание серы в чугуне зависит от коэффициента распределения серы и количества шлака. Если количество шлака уменьшается, то [S] должно возрастать. На практике этого не происходит, потому, что уменьшается расход кокса, а следовательно и количество остаточной серы в печи. Это обстоятельство снижает [S], к тому же при меньшем количестве шлака улучшаются условия диффузии серы в шлаке и возрастает L_S. Отрицательное значение снижения количества шлака на содержание серы в чугуне проявляется при выходе шлака менее 300 кг/т чугуна. Однако и в этом случае фактический коэффициент распределения серы не достигает равновесных его значений.

На рис. 1.39 показано распределение серы между шихтой и продуктами доменной плавки. Видно, что в опускающихся на колошнике агломерате (а) и флюсе (в), содержание серы увеличивается за счет поглощения ее из газовой фазы. Значительное снижение поглощения серы агломератом в шахте печи связано с активным ходом науглераживания железа в этой области. С переходом в жидкое состояние металла увеличивается поглощение им серы. При прохождении капель чугуна через слой шлака в горне резко возрастает поверхность соприкосновения FeS с (СаО) в шлаке и процесс идет в обратном направлении – десульфурации чугуна (рис. 1.39,6). К этому моменту прихода кусков кокса в фурменную зону из него удаляется примерно половина серы. Остальная сера кокса газифицируется при сгорании кокса (рис. 1.39,е), т.е. максимальное перераспределение серы между шихтой и продуктами плавки происходит в нижней части печи. Исследования подтвердили, что максимальная концентрация серы образуется в горновом газе после завершения процессов горения кокса.

Основными компонентами сернистых соединений в горновом газе являются CS, S, CS₂, COS, SO₂. При работе на комбинированном дутье с водородосодержащими добавками (природный газ, коксовый газ, мазут) в окислительной зоне у фурм образуется значительное количество сероводорода:

SO₂ + СН₄ → Н₂S + СО+ Н₂О, (1.95)

SO₂ + ЗН₂ → Н₂S + 2Н₂О. (1.96)

В области температур 1000⁰С и ниже в большей мере сохраняются COS и Н₂S. По мере подъема печных газов сера из них переходит в шлак, флюсы, металл и в железорудную часть шихты.

СаО + S + С → CaS + CО – 47,594 МДж (1.97)

Fe + S → FeS + 93,683 МДж

FeO + S+ СО → FeS+ СО₂ + 107,274 МДж (1.98)

В колошниковом газе, покидающем доменную печь, обнаруживают серу в виде SO₂, Н₂S и элементарной серы. Количество удаляемой с газами серы зависит от температурных условий плавки. При плавке передельных чугунов с газами удаляется 2-5% S, литейных – 10-15% S, а при выплавке ферросплавов удаляется с газами до 40-50% серы.

Окончательное содержание серы в чугуне зависит от реакции

FeS + СаО + С → CaS + Fe + СО – 149,134 Мдж. (1.99)

Добавка магнезии (до 15 %) значительно повышает величину L_S

MgO, % 0 5 10 15 20

CaO, % 52 50 48 45 43

L_S 14 23 84 110 55

Влияние основности шлака и наличие в нем магнезии и А1₂O₃ учитывается при определении коэффициента распределения серы L_S в формуле

(1.100)

где х=(СаО + MgO + MnO)/SiO₂; Al₂O₃ – содержание глинозема в шлаке, % (по массе); 1450⁰С – температура шлака, при которой действителен расчет L_S по формуле (1.100).

Для других температур (t_ш,⁰C) найденный результат по формуле (1.100) умножают на температурный коэффициент η:

. (1.101)

Величина достижения степени равновесия по сере и L_S резко снижаются с увеличением содержания FeO в шлаке. Так например, при содержании FeO в шлаке 0,2 % степень равновесия по сере составляет 80 %, при 0,3 % FeO_ш – 65 % и при 0,5 FeO_ш – 40,5 %. Поэтому при выплавке передельных чугунов содержание FeO в шлаке ограничивается до 0,3 %.