КАФЕДРА МЕТАЛУРГІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ 2 страница

Рис. 1.6. Вязкость шлаков системы SiO₂—СаО—Аl₂Оз при 1400° С

(Мак-Кеффери; 1 – шлак ПАО «АМКР»)

Рис. 1.7. Вязкость шлаков системы SiО₂—СаО—А1₂О₃ при 1500° С

(Мак-Кеффери; 1 – шлак ПАО «АМКР»)

Таким образом, температура кристаллизации и вязкость кис­лых шлаков в общем возрастают с увеличением содержания SiO₂. С увеличением содержания А1₂O₃ вязкость и температура кристаллизации сначала понижаются, а после перехода через некоторый минимум (при разных содержаниях А1₂O₃ для раз­ной кислотности) возрастают. В основных шлаках глинозем в общем вызывает понижение вязкости, но также до некоторого предела, за которым наступает возрастание вязкости.

Шлаки, содержащие, например, 35—40% SiО₂ при 5—15% Al₂O₃ и 50—55% СаО, имеют высокие тем­пературы кристаллизации (1300—1700°С), резко воз­растающие с понижением содержания SiО₂.

Рис. 1.8. Вязкость шлаков системы SiO2 — CaO — А1₂Оз при 1400° С

(Н. В. Рулла)

Рис. 1.9. Вязкость шлаков системы SiO_a — CaO — А1₂О₃ при 1500° С

(Н. В. Рулла)

В конечном шлаке содержится немного закиси железа, кроме железистых шлаков при рас­строенном ходе печи. Резкое возрастание вязкости глиноземистого шлака при тем­пературе 1440°С объясняется вы­соким содержанием в шлаке А1₂О₃. Понижение вязкости шлака происходит из-за уменьшения содержания А1₂О₃ и увеличе­ния FeO и МnО. В шлаке мартеновского чугуна много SiО₂, по­вышенное содержание МnО и MgO и меньше СаО в сравнении со шлаком бессемеровского чугуна.

Шлак, содержащий 15—20% FeO при 30% SiО₂, является вязким (30 пз) [3 к * Свк/м²] при температуре на 50° выше темпе­ратуры плавления. Только при повышении содержания в нем SiО₂ до 40—45% вязкость снижается. Более низкие вязкости достигаются при дальнейшем увеличении (свыше 20%) FeO.

Рис. 1.10 показывает роль добавки маг­незии к доменному шлаку при температуре 1500° С. Если без MgO (нижняя диаграмма) вязкость шлака резко изменяется в зависимости от содержания СаО и отношения А1₂О₃: SiО₂ в шлаке, то уже при 5% МgО это влияние меньше, причем зна­чения вязкости ниже. Возрастание МgО до 20% действует в ту же сторону, но слабее. Обстоятельные исследования свойств шлаков при разном со­держании МgО принадлежат Н. Л. Жило. Изучались шлаки разной основности при разном содержании А1₂О₃ (5%, 10%, 15% и т. д.). Так, при 1500° С и 5% А1₂0₃ повышение МgО до 25% понижает вязкость при любой основности, но все же тем сильнее, чем выше содержание SiО₂ в шлаке. При 1450°, на­блюдается аналогичное явле­ние; при 40—45% SiО₂ и 25% MgO шлаки не текучи. При 10% А1₂0₃ и1500° С вязкость снижается при вводе MgO до 30%, но при достаточно кислом шлаке (>40% SiО₂). Однако при 35% MgO и <45% Si0₂ они уже не текучи.

При классификации шлаков и обработке результатов иссле­дования условно предположено, что в них вся сера связана в CaS. После соответствующего пересчета на диаграммах сумма (SiО₂ + AI₂O₃ + CaO_чист) = 100%, причем СаО_чист представля­ет собой всю СаО шлака, за вычетом той извести, которая по­шла на образование CaS. Методом двойного логарифмирования определяли точки начала кристаллизации каждого исследованного шлака. Найденные вязкости при 1400 и 1500 ^оС и температуры кристаллизации для каждой группы шлаков приведены на рис 1.11 – 1.16.

Этими диаграммами можно пользоваться также и для опре­деления свойств следующих шлаков:

по группе I при (SiО₂ + A1₂О₃ + СаО_чист) = 85,90 %,

где A1₂O_s = 5- 13%, CaS = 7-9%, MgO=1,5-2,5%;

по группе II при (SiО₂ + A1₂О₃ + СаО_чисг) = 90-92%,

где CaS <4,5%.

Рис. 1.10. Изменение вязкости шлаков при 1500⁰С в зависимости от содержания в них CaO и МgO

Рис. 1.11. Вязкость доменных шлаков 1 группы при 1400 ^оС

Рис. 1.12. Вязкость доменных шлаков 1 группы при 1500 ^оС

Рис. 1.13. Температуры кристаллизации доменных шлаков 1 группы

Рис. 1.14. Вязкость доменных шлаков II группы при 1400⁰С.

Рис. 1.15. Вязкость доменных шлаков II группы при 1500⁰С.

Рис. 1.16. Температуры кристаллизации доменных шлаков II группы

Эти данные подтверждают влияние состава на свойства шлаков: вязкость при всех темпера­турах имеет некоторый минимум (иногда — два), за пределами которого изменение компонента ведет к возраста­нию вязкости; температуры плавления для данных шлаков воз­растают с ростом основности. Вязкости и плавкости натураль­ных шлаков ниже, чем для трехкомпонентных шлаков.

Наиболее подвижные шлаки - это шлаки с соотношением (SiO₂+Al₂O₃)/ CaO близким к 1. Чем кислее шлак, тем при более высоких содержаниях А1₂Оз имеют место максиму­мы вязкости. При этом в более основных шлаках увеличение А1₂O₃ вызывает понижение температуры плавления, в более кис­лых (в рассматриваемых пределах) — повышение. Для шлаков «коротких», называемых также пластичными, большее значение имеет температура кристаллизации, так как при низких темпера­турах шлаки хотя и могут быть подвижны, но подвижность их весьма неустойчива: понижение температуры на 10—20⁰С вызы­вает застывание. Увеличение А1₂O₃ по-разному сказывается на шлаках: кис­лых (SiO₂ > 40%) —понижает вязкость, в основных (<40%) — повышает.

Повышение содержания всех основных окислов и даже TiO₂ снижает вязкость, а повышенное содержание SiO₂ и А1₂O₃ повы­шает ее, что характерно для кислых шлаков, в которых возраста­ние даже СаО ведет к понижению вязкости [4].

1.4. Влияние состава шлака на показатели работы доменной печи.

Первичный, промежуточный и конечный шлаки влияют на ров­ность схода шихты, температуру в горне. Важными свойствами шлаков являются их темпе­ратура плавления, вязкость и химический состав. Большое значение, имеет количество шлака на единицу чугуна.

Как эти факторы влияют на ход печи. С повыше­нием температуры приходит в горн более нагретым. Если шлак приходит в горн нагретым до более высокой температуры, то и горн будет более «горячим». В нижней части печи происходит восстановление кремния. При тугоплавком шлаке кремния в чугуне больше — чугун «химиче­ски горячее». Туго­плавкий шлак «греет» горн, легкоплавкий — «охлаждает».

Можно различать шлаки трудно- и легкоплавкие. Вязкость первичного шлака зависит от содержания FеО и МnО в нем, а скорость продвижения и нагре­ва зависит от вязкости. Интенсивное восстановление железа и марганца вызовет повышение вязкости шлака, поэтому шлак будет достаточно текучим. При медленном восстановлении Fе и Мn шлак поступает в горн быстро и нагревается мало.

От выбора состава шлака зависит не только нагрев горна, но и коэффициент распределения серы между шлаком и чугуном, степень загромождения горна, влияние на футеровку печи, ровность хода печи, степень разделения чугуна и шлака на выпуске в главном желобе, и многое другое.

Тугоплавкий и вязкий шлак ухудшает газопроницаемость столба мате­риалов. Легкоплавкие и подвижные шлаки оставляют еще не заполненными межкусковые пустоты, че­рез которые проходят газы, газопроницаемость больше, а ход печи — ровнее.

Вязкий шлак может налипать на стенки печи, и об­разовывает настыли или создает кострение материа­лов при опускании, зависание шихты. Очень подвижный жидкий шлак вреден, так как может остудить горн и разрушить футеровку нижней части печи.

Следовательно, большое количество шлака вредно так: увеличивает расход кокса, вызы­вает затруднения в сходе шихты и неравномерное газораспределение. Борьба за более глубокое обогащение руд и уменьшение количества шлака - важ­ная задача нашего времени.

Анализ влияния состава шлака на технико-экономические показатели доменной плавки, можно проследить на примере металлургического комбината «Азовсталь», где в в 2000-2005 гг. было произведено совершенствование шлакового режима [5]. Шихта состояла из агломерата, окатышей и железной руды и отличалась многокомпонентностью. Помимо местного агломерата в цех поступало 2 вида привозных ильичевского и ЮГОКа и 6 видов окатышей Сев- ГОКа, ЦГОКа (офлюсованные и неофлюсованные), Полтавского, Михайловского и Лебединского ГОКов. Снабжение коксом осуществлялось с 4 коксохимических заводов. За истекший период количество поставщиков агломерата и окатышей сократили до 3, а кокса до 2, что привело к уменьшению числа перешихтовок более чем в 3 раза и повышению стабильности работы доменных печей.

Помимо основных в шихте использовались другие железо- и марганецсодержащие материалы, брикеты из окалины и колошниковой пыли, металлообогащенные смеси (МОС), материалы офлюсованные железосодержащие (МОЖ), щебни из шлаков сварочного, силикомарганца и ферромарганца, а также карбонатная марганцевая руда.

В качестве флюсов кроме сырых известняков применялась также известь, обожженная на комбинате «Азовсталь» в шахтных и вращающихся печах, общий расход которой составлял в 2003-2005 гг. 21,4- 38,9 кг/т.

На рисунке 1.17 представлен характер изменения состава чугуна и шлака, а также других показателей работы доменного цеха МК «Азовсталь» в 2000-2005 гг. по среднегодовым данным.

Массовая доля MgO в шлаке увеличилась от 3,48 до 6,35% за счет повышения расхода доломитизированного известняка в доменной и, частично, в агломерационной шихте (в местном агломерате доля MgO возросла с 1,16-1,21 до 1,5-1,8 %).

Выход шлака уменьшился с 512 до 401 кг/т за счет увеличения расхода окатышей и содержания железа в шихте. Доля окатышей возросла с 35,6 до 50 %. Содержание железа увеличилось в железорудной шихте с 54,5 до 58,6 % не только за счет окатышей, но и за счет применения более богатого концентрата для агломерации, а также снижения основности азовстальского агломерата с 2,07-2,10 до 1,20-1,30.

Прямая основность шлака СаО/SiO₂ снизилась с 1,25 до 1,19 за счет замены части СаО известняка на MgO при вводе в шихту магнезиальных добавок.

Суммарная (общая) основность (CaO+MgO)/SiO₂ в течение рассматриваемого периода изменялась в узких пределах от 1,34 до 1,35 за счет того, что замена осуществлялась с соблюдением приблизительного равенства массового

Рис. 1.17. Изменение показателей работы доменного цеха МК «Азовсталь» в 2000-2005 гг.

расхода СаО и МgО. Обессеривающая способность шлака заметно улучшилась. Фактический коэффициент распределения серы L _s = (S)/[S] возрос с 63 до 79, несмотря на уменьшение содержания кремния в чугуне с 0,98-1,02 до 0,80 % и повышение доли Al₂O₃ в шлаке с 6,44-6,47 до 7,13 %. Отношение MgO/Al₂O₃ возросло с 0,54-0,56 до 0,89.

Такие изменения шлакового режима благоприятно сказались на качестве чугуна. Содержание серы снизилось с 0,035 до 0,024 %, что обусловлено не только возрастанием десульфурирующей способности шлака, но и уменьшением прихода серы с коксом при снижении его расхода и сернистости, а также уве­личением доли марганца в чугуне.

Марганец в чугуне был увеличен с 0,38 до 0,68 % не только для улучшения обессеривания, но и для обеспечения надлежащих «промывок» горна при его добавках к сварочному шлаку и к другим низкоосновным промывочным материалам. Содержание серы в коксе собственного производства снизилось с 1,80 до 1,35 % за счет использования российских углей.

При низком содержании MgO в шлаке (3,5-3,6 %) и, естественно, низкой устойчивости шлаков по вязкости и температуре плавления, доля серы в чугуне составляла 0,034-0,035 и поддерживалась повышенным нагревом продуктов плавки при содержании кремния около 1%. Долю кремния в чугуне удалось снизить до 0,82 при повышении MgO в шлаке и улучшении десульфурации чугуна. Этому способствовало также снижение выхода шлака.

Удельный расход кокса уменьшился с 584 до 510 кг/т за счет повышения %Fe, увеличения расходов природного газа с 89,4 до 122,5 и извести с 0 до 21,4-38,9 кг/т, а также снижения % кремния в чугуне и улучшения шлакового режима работы.

Печи стали работать более производительно. Увеличились интенсивность плавки по руде с 2,6 до 2,9 т/м³*сут., а интенсивность по коксу - с 0,83 до 0,87 т/м³*сут., КИПО понизился с 0,69 до 0,57. Помимо выше перечисленных факторов этому способствовало также повышение содержания кислорода в дутье с 24,2 до 26,1 %.

При повышении требований к качеству чугуна с уменьшением содержания серы в чугуне до 0,025-0,020 и ниже необходимо увеличивать десульфурирующую способность магнезиальных шлаков. Такие варианты шлакового режима опробованы на МК «Азовсталь» в 2004 г.

Нагрев доменных печей в период исследований был, при этом содержание кремния и марганца в чугуне составляло 0,80-0,88 и 0,67-0,96 % соответственно. Долю MgO в шлаке увеличивали с 3,81 до 4,15 и 5,39 % на ДП №5 и с 4,65 до 5,44% на ДП №6 за счет процентного увеличения MgO в ильичевском агломерате и окатышах ЦГОКа. При этом прямую основность шлака СаО/SiO₂, сохранили на постоянном уровне 1,23 на ДП №5 и 1,25 на ДП №6 при повышении общей основности с 1,32 до 1,34 и 1,37 на ДП №5 и с 1,37 до 1,39 на ДП №6. Это привело к повышению коэффициента распределения серы L_s с 70,5 до 86,9 и 87 и снижению ее содержания в чугуне с 0,031 до 0,026 и 0,025% на ДП№5. На ДП №6 L_s возрос с 83,2 до 98,7, а сера в чугуне упала с 0,026 до 0,021%.

Для оценки эффективности работы на магнезиальных шлаках проведены исследования на доменных печах №5 и №6 в базовых и опытных периодах в марте и мае 2005 г. и в целом по цеху с расширением базового периода с января по март.

В целом по цеху основности шлака уменьшили с 1,21 до 1,16 и с 1,349 до 1,324, что привело к снижению коэффициента L_s с 83,0 до 79,4. Благодаря уве­личению выхода шлака массовую долю серы в чугуне удалось сохранить на уровне базового периода.

При анализе результатов доменных плавок учли влияние факторов, не связанных непосредственно с повышением МgО в шлаке, путем приведения к равным условиям работы печей по расходу природного газа, составу чугуна, качеству кокса, температуре дутья и содержанию в нем O₂, расходу металлодобавок, давлению колошникового газа, форсировке хода, простоям и тихому ходу

В результате установлено, что удельный расход кокса на ДП №5 снизился по фактическим данным на 15,3 и по приведенным - на 18,5 кг/т (3,48 %), а про­изводительность увеличилась на 5 и 64 т/сут (2,3 %) соответственно.

На ДП №6 фактический расход возрос на 19,2, а приведенный снизился на 17,3 (3,63 %), фактическая производительность уменьшилась на 481, а приве­денная увеличилась на 78 т/сут (2,4 %).

В среднем по доменному цеху достигнута экономия кокса по приведенным данным 9,7 кг/т (1,89 %) при росте производительности на 466,7 т/сут (3,2 %). В диапазоне изменения 5,25-7,71% на каждый 1% в шлаке снижение расхода кокса составило по усредненным данным 5,0 кг/т, а повышение производительности - 1,7 %.

Увеличение эффективности доменной плавки на магнезиальных шлаках связано с улучшением шлакового режима (в связи с уменьшением температуры плавления на 20-100 °С и вязкости на 0,18-0,65 Пас, а также ростом устойчивости физических свойств шлака при изменении его состава и температуры, снижением потребности во флюсе в технологических вариантах с основностью шлаков меньшей, чем в вариантах с неизменной и повышенной основностью, уменьшением разрушения материалов под воздействием щелочей, повышением газопроницаемости шихты и ровности хода.

Таким образом, выбор химического состава шлака, в том числе выбор вида флюсующего материала и место его введения в металлургическом переделе является комплексной и сложной задачей, от решения которой, зависит технико-экономические показатели работы не только доменных печей, но и аглофабрик, фабрик по производству окатышей, а также конвертерного и мартеновского цехов.

Выводы и постановка задач исследования

1. Химический состав шлака изменяется при движении шихты в доменной печи, влияя на важнейшие технологические аспекты доменной плавки: стойкость футеровки, газопроницаемость шихты, нагрев горна, серопоглотительную способность, толщину зоны вязко-пластичного состояния, физический и химический нагрев чугуна, его химический состав.

2. Важнейшие свойства шлака – его вязкость, диапазон температур начала и окончания плавления, серопоглотительная способность находятся в прямой зависимости от его химического состава. Причем даже небольшие отклонения содержания того или иного оксида, способны нарушить ход доменной печи и привести к выпуску некондиционного чугуна.

3. На вязкость шлака, помимо химического состава, влияет и температура. Т.е., даже шлак оптимального химического состава, при снижении температуры в печи может резко повысить свою вязкость, вызвав серьезное расстройство хода печи

4. От состава шлака сильно зависят технико-экономические показатели работы доменной печи, и к его выбору следует подходить со всей ответственностью.

5. Повышение содержания Al₂O₃ в шлаке делает его менее устойчивым и создает опасность нарушения хода печи при незначительных отклонениях ее нагрева.

В основной части необходимо рассмотреть вопросы:

- использование известняка и доломитизированного известняка в качестве компонентов доменной шихты,вдувание извести и известняка через воздушные фурмы доменной печи;

- использование в шихте гранулированного углеродистого железофлюса и ис-пользование конверторного шлака в качестве флюсующего материала;

- необходимость введение флюсов в окомкованные сырьевые материалы доменной плавки, разложение известняков в процессе агломерации,изменение вещественного состава агломерата при офлюсовании;

- производства офлюсованного агломерата с применением обожженной извести

и выбор фракции известняка использующейся в качестве шихтового материала на аглофабрике.

2. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Использование известняка и доломитизированного известняка в качестве компонентов доменной шихты

Флюсами называются добавки, вводи­мые в доменную и агломерационную ших­ту для снижения температуры плавления пустой породы шихтовых материалов и придания доменному шлаку необходимого состава и физических свойств, обеспечи­вающих очистку чугуна от серы и нор­мальную работу печи.

В зависимости от состава вносимой в печь пустой породы флюсы бывают основные, кислые и глиноземистые. Но, так как в подавляющем боль­шинстве случаев пустая порода руд крем­неземистая, а индекс основности шлака должен составлять 0,9— 1,4, то наиболее широко и часто применя­ется основной флюс, т.е. породы и мате­риалы, содержащие СаО и МgО и обла­дающие необходимыми физическими свой­ствами.

В доменном производстве практически единственным видом основного флюса яв­ляется известняк, представляющий собой природную форму минерала кальцита — СаСО₃. Чистый кальцит содержит 56% СаО и 44% СО₂. Так как кальцит в чи­стом виде не встречается, а сопровождает­ся небольшим количеством кремнезема и глинозема, то качество известняка можно определить суммой содержания (SiO₂ + Al₂O₃). Вредными примесями известня­ка являются сера и фосфор, однако со­держание серы обычно низкое, и она уда­ляется в процессе плавки, в то время как фосфор полностью переходит в чугун и поэтому более опасен. Техническими усло­виями предельное содержание фосфора определяется в 0,01 для обычного и 0,005% для малофосфористого известняка. В связи с сокращением выплавки бессеме­ровских чугунов эти ограничения стано­вятся менее актуальными.

Наряду с обычным широкое примене­ние имеет доломитизированный известняк, представляющий собой изоморфную смесь кальцита СаСО₃ и доломита СаСО₃• МgСО₃. Применение его вызывается необходи­мостью повысить в шлаке содержание МgО до 6—8%, что увеличивает его по­движность и устойчивость физико-химиче­ских свойств при изменении температуры и состава.

Таблица 2.1.

Технические условия на флюсовые известняки

Известняк является прочным, плотным материалом, который вполне можно загружать в доменную печь после отсе­ва мелких фракций. Производство офлюсо­ванного агломерата резко изменило требо­вания к физическим свойствам флюса и дало возможность использовать непроч­ные, дробящиеся, мелкие материалы. По­этому в качестве флюса агломерационной шихты стали применяться известняк-раку­шечник, отсевы обычного известняка.

Кондиционными требованиями к изве­стнякам устанавливаются нижние пределы содержания СаО и МgО, содержание не­растворимого остатка, т.е. (SiO₂ + Al₂O₃), верхний предел содержания фосфора и серы и размер куска. Действующие для большинства ме­сторождений технические условия приве­дены в таблице 2.1. Специфические особенно­сти отдельных месторождений могут вы­звать отклонения от этих условий. Если, например, у известняка содержание маг­незии очень высокое, то тогда ограничива­ется его верхний, а не нижний предел. В особых случаях, при недостатке магне­зии в шихте, нижний предел содержания ее в известняке может повышаться до 8—10%.

Для известняков, загружаемых непо­средственно в доменную печь, устанавли­вают верхний и нижний пределы круп­ности. Верхний предел равен 80 мм (ред­ко 130), а нижний — 25 мм. Причем, как показывают исследования [7], при использовании известняка фракции 10 – 15 мм, весь известняк успевает разложиться в верхней ступени теплообмена, без увеличения расхода кокса. Известня­ки, поставляемые на аглофабрики, должны иметь крупность 0—25 мм, так как они все равно дробятся до 0—3 мм.

При оценке качества известняка нужно учитывать, что часть его основных окис­лов (СаО и МgО) будет израсходована на шлакование собственной пустой породы, т. е. нерастворимого остатка. Поэтому качество флюса можно оценить его флюсую­щей способностью, под которой понимают содержание свободных основных окислов, т. е. окислов, используемых для шлакова­ния пустой породы шихты.

Количественно она может быть выражена с помощью формулы:

ROсв = (CaO+MgO) – R∙B, (2.1)

где CaO, MgO, R – содержание в известняке, соответственно, оксидов кальция, магния и нерастворимого остатка, в %;

B – основность доменного шлака (CaO+MgO): (SiO₂+Al₂O₃), которая составляет 0,9 ÷ 1,4.

Исходя из формулы (2.1), чем ниже флюсующая способность известняка, тем больше его необходимо загрузить для обеспечения заданной основности шлака. Данный факт, говорит о значительной важности выбора сорта известняка, поступающего в агло-доменный департамент металлургического предприятия.

Месторождения известняка весьма рас­пространены и имеются во всех районах нашей страны. Главными месторождения­ми в Украинской ССР являются Еленов- ское. Новотроицкое, Каракубское, Бала­клавское, Камыш-Бурунское.

2.2 Опыт вдувания извести и известняка через воздушные фурмы

доменной печи

Помимо загрузки флюсов через колошник доменной печи, существует практика их вдувания через фурмы [6, 7].

Вдувание в воздушные фурмы известняка позволяет произвести:

- повышение газопропускной способности подвижной коксовой насадки и коксового тотермана в горне в результате уменьшения выхода шлака в зоне когезии, снижения его температуры кристаллизации, вязкости и повышения подвижности;

- снижение содержания кремния и серы в чугуне;

- повышение прочности агломерата и снижение содержания в нем серы вследствие уменьшения его основности;

- ликвидация загромождения горна вязкими шлаковыми массами путем вдувания в горн флюсов, снижающих вязкость шлаков;

- снижение себестоимости выплавляемого чугуна.

В таблице 2.2 представлены показатели работы доменной печи с вдуванием известняка в воздушные фурмы.

Таблица 2.2.

Показатели работы доменной печи с вдуванием известняка в воздушные фурмы

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: