Процессы шлакообразования

Шлак – это оксидная система, которая является продуктом плавления пустой породы рудного материала, флюса и золы кокса.

В состав шлака, выпускаемого из печи, входят оксиды кремния, кальция, магния, алюминия, сульфиды металлов, а также небольшие количества монооксида железа и марганца (FeO, MnO).

Процесс шлакообразования начинается с твердофазного минералообразования.

Как происходит процесс спекания?

При нагревании многофазных систем еще в твердой фазе могут образоваться химические соединения, температура плавления которых ниже, чем температура плавления составляющих их окислов. Образование химических соединений сопровождается выделением тепла, называемым тепловым эффектом шлакообразования. В основе этих химических соединений находятся, как правило, 5 окислов:

(2.3‑4)

Конкретный состав продуктов твердофазных реакций, протекающих при образовании шлака, зависит от температур и состава шихтовых материалов. При нагревании до 800…1200^ОС, эти химические соединения могут образовывать жидкую фазу, в то время как весь материал еще находится в твердом виде. В результате этого происходит спекание, то есть физическое слипание частиц окислов.

Как при твердофазном спекании, так и при спекании с участием жидких фаз (расплава) происходит уменьшение пористости рудных материалов (за счет зарастания пор), пропитка пор расплавом, образование манжет из расплава и обволакивание рудных кусков расплавом. Это явление затрудняет доступ восстановительного газа к невосстановленным оксидам железа, замедляя ход восстановительного процесса.

С дальнейшим повышением температуры происходит размягчение рудных материалов. Этот процесс следует за спеканием или совершается одновременно с ним. При размягчении неизбежно оплавление хотя бы незначительного участка рудного материала (т.е. появление жидкой фазы), что вызывает ослабление внутренних сил сцепления частиц рудного материала, делает возможной деформацию куска. Усадка слоя материалов приводит к снижению пористости и сокращению объема межкусковых пространств.

При достижении определенных температур размягчившееся вещество переходит в текучее, подвижное состояние, т.е. образуется жидкий шлак, который внедряется между кусками кокса и препятствует движению газов. Что, в свою очередь, тормозит процессы восстановления.

В зависимости от интенсивности протекания размягчение может быть быстрым или проходить на большом участке по высоте печи и в большом температурном интервале. Чем шире температурный интервал размягчения, тем большую часть печи по высоте занимает вязкая непроницаемая для газов масса, заполняющая пустоты между кусками кокса. Это затрудняет движение газа вверх и распределение их по сечению печи. Поэтому интервал размягчения должен быть как можно более узким.

Температурный интервал шлакообразования определяется температурой начала размягчения руды и температурой полного расплавления шлака.

Температура начала шлакообразования определяется содержанием закиси железа. Чем больше FeO в шлаке, тем ниже температура его плавления, и тем на более высоких горизонтах печи начнется процесс шлакообразования. Содержание FeO зависит от соотношения восстановимости железорудного материала, содержания железа в нем и степени тугоплавкости пустой породы железорудного материала. Максимальное количество FeO будет в том случае, когда железорудный материал богат, трудновосстановим, а пустая порода легкоплавка. В этом случае до начала образования шлака останется много, не успевшей восстановиться, закиси железа. Если материал беден, легковосстановим, а его пустая порода тугоплавка, то в первичном шлаке будет мало FeO. При других сочетаниях этих свойств содержание FeO в первичном шлаке будет средним по сравнению с рассмотренными крайними случаями.

Температура полного расплавления шлака определяется составом получившегося шлака. Этим параметром можно управлять, добавляя флюсующие материалы.

По мере опускания шихтовых материалов в печи образуются первичные, промежуточные и конечные шлаки, отличающиеся по составу и свойствам и имеющие разное значение для процесса получения чугуна.

Первичный шлак - это первый подвижный расплав, образующийся в печи на поверхности или внутри кусков размягченного рудного материала, при расплавлении наиболее легкоплавких химических соединений или смесей эвтектического состава. Основной особенностью первичного шлака является наличие в нем высокого содержания FeO, высокая основность, малое количество.

В процессе движения первичного шлака он нагревается, FeO восстанавливается и образуется промежуточный шлак. Образования промежуточного шлака сопровождается следующими процессами: за счет восстановления содержание FeO уменьшается до 0,5%; в шлак переходит некоторое количество золы кокса, углерод которого участвует в прямом восстановлении. В результате несколько снижается основность шлака.

При попадании промежуточного шлака в горн печи состав шлака формируется окончательно – образуется конечный шлак. Процесс формирования конечного шлака характеризуется следующим: в шлак переходит основная масса золы кокса, сгорающего у фурм. При этом основность шлака снижается. Здесь же (в горне печи) при взаимодействии со шлаком капелек проходящего через него чугуна окончательно переходит в шлак сера. Восстановление марганца и кремния, протекающее в горне печи, приводит к снижению содержания их оксидов в шлаке.

Таким образом, скапливающийся в горне над чугуном шлак приобретает свой окончательный состав.

Состав доменного шлака определяется видом выплавляемого чугуна, составом сырых материалов, принятой технологией доменной плавки и другими факторами.

Средний состав конечных доменных шлаков приведен в таблице:

Состав доменного шлака должен обеспечить его определенные свойства.