Свойства доменного шлака

Так как шлак представляет собой многокомпонентную систему, трудно установить строгое количественное изменение свойств шлака при одновременном изменении содержания в нем нескольких составляющих.

Но как видно из таблицы, шлак в основном состоит из окислов SiO₂, Al₂O₃, CaO. Поэтому о свойствах доменных шлаков судят по содержанию этих 3-х оксидов и для установки таких зависимостей многокомпонентный шлак принимают состоящим из этих 3-х оксидов. Для 3-х компонентных систем созданы тройные диаграммы, характеризующие зависимость некоторых свойств системы от ее состава.

Основными физико-химическими свойствами доменного шлака являются:

1. Температура расплавления шлака

2. Вязкость

3. Сульфидная емкость

Температура расплавления шлака.Шлак является многокомпонентной системой, плавление которой осуществляется в интервале температур. За температуру расплавления шлака принимают температуру, при которой шлак начинает вытекать из слоя кокса.

Температура расплавления шлака определяет температурный интервал плавления шихтовых материалов, величину зоны вязко-пластичного состояния.

При значительной протяженности зоны размягченных рудных материалов по высоте печи и высокой вязкости шлаков (размягченного рудного материала) могут образоваться крупные блоки малоподвижного конгломерата из размягченных масс рудного материала, кусков кокса и флюса, которые замедляют или даже на какое-то время прекращают опускание шихты. При таком состоянии столба плавильных материалов восходящий поток газов встречает на своем пути сильное газодинамическое сопротивление. Эта зона становится малопроницаемой для газового потока. Значительное развитие этих явлений обычно приводит к подвисанию шихты в печи, образованию канального движения газового потока, а также к нарушению нормального теплового состояния печи.

Верхняя граница зоны вязко-пластичного состояния определяется температурой размягчения железорудных материалов и зависит от их химического состава.

Нижней границей зоны можно управлять, влияя на температуру расплавления шлака, меня его химический состав посредством добавления флюсующих добавок.

Температура расплавления шлака будет, в основном, определятся соотношением трех оксидов: кремния, кальция и алюминия. Для ее определения используют соответствующие диаграммы.

Шлаки, температура расплавления которых при изменении состава меняется постепенно, называют устойчивыми, а в отличие от неустойчивых шлаков, резко изменяющих свои свойства с незначительным изменением состава.

Вязкость шлака. Вязкость и текучесть – величина, обратной вязкости, характеризуют подвижность шлака при данной температуре.

Вязкость шлака определяет газодинамику доменной печи (т.е. характер движения газов). Вязкие шлаки ухудшают газодинамику в печи. Для снижения вязкости требуются более высокие температуры, а это в свою очередь требует повышенного расхода кокса. От жидкоподвижности шлака зависит характер движения шлаков при выпуске продуктов плавки.

Вязкость (динамическая) обусловлена внутренним трением, возникающим между отдельными слоями жидкости, перемещающимися с разными скоростями. Если сила в 1 н изменяет разность скоростей двух слоев жидкости поверхностью 1 м² на 1 м/сек, то вязкость жидкости равна 1 н×сек/м² или 10 пуазам (реальные доменные шлаки имеют вязкость 5-7 пуазам (0,5 н×сек/м²)).

Вязкость шлаков определяют по диаграммам состояния. Пример такой диаграммы дан на рис.

Вязкость шлака зависит от его состава и определяется температурой (рис.2.3‑1). Известно, что для гомогенных жидкостей зависимость вязкости от температуры описывается уравнением Ньютона:

(2.3‑5)

где – энергия активации вязкого течения, кДж/моль; Т – температура шлака, К; А – постоянная (зависит от состава шлака); R – газовая постоянная, кДж/мольК.

При практическом применении уравнения Ньютона зависимость вязкости от температуры может быть аппроксимирована уравнением следующего вида (формула Ле Шателье):

(2.3‑6)

где t – температура шлака, oC ; А, B – коэффициенты, зависящие от состава шлака.

Характер зависимости вязкости шлака от температуры – политермы вязкости, определяется составом шлака. Кривая 1 соответствует более кислому шлаку. Шлаки первого типа, изменяющие вязкость в широком интервале температур, называют длинными шлакам, а второго типа, резко изменяющие вязкость при незначительном изменении температур – короткими. Длинные шлаки – являются устойчивыми по вязкости, а короткие – неустойчивыми.

Шлак является многокомпонентной гетерогенной системой. В реальном шлаке могут находиться твердые частицы (карбидные и карбонитридные образования, шпинели, коксовая мелочь, крошки огнеупоров и т.п.), которые также будут сгущать шлак, делать его малоподвижным. Поэтому, понятие «вязкость шлака» имеет условное значение, а уравнение зависимости вязкости от температуры может быть использовано только в первом приближении. Но, как правило, для решения практических задач ведения доменной плавки этого достаточно. Наличие других оксидов также влияет на вязкость шлака: FeO – снижает; MgO - до определенных значений снижает, а затем повышает; TiO2 – снижает, но образование тугоплавкого, не растворимого TiC приводит к возрастанию вязкости шлака.

Сульфидная емкость.Серопоглотительная (сероулавливающая) способность шлака зависит его основности, температуры в горне печи и характеризуется коэффициентом распределения серы между шлаком и чугуном ( ).

Зависимость от состава шлака и температуры в горне печи, косвенно характеризуемой содержанием кремния в чугуне, приведена на рис.

Основность шлака является важной характеристикой шлака. Она должна обеспечить достаточную обессеривающую способность, жидкоподвижность шлака и нормальное тепловое состояние горна. Наилучшие свойства доменных шлаков достигаются при основности шлака (CaO/SiO₂) 1,0-1,05, содержании Al₂O₃ от 8 до 12 % и содержании MgO от 8 до 12 %.