Высокоглиноземистый шлак и доменная печь

Глиноземистый шлак и доменная печь

Процесс производства чугуна в доменной печи (ДП) представляет собой процесс, при котором жидкий чугун (жидкий чугун) и жидкий шлак получают восстановлением железосодержащих материалов (агломерата и/или окатышей и кусковой руды) коксом и флюсованием пустой породы кормовые материалы. Процесс является результатом ряда химических реакций, протекающих в доменной печи. Пустая порода и коксовая зола плавятся, образуя шлак с флюсовыми материалами. Отделение шлака от чугуна происходит в жидком состоянии. Шлак имеет более низкую температуру плавления и легче ТМ. В BF он находится при более высокой температуре, чем в HM. Для хорошего качества ТМ необходим шлак хорошего качества.

Шлак доменной печи содержит преимущественно кремнезем (SiO2), глинозем (Al2O3), известь (CaO) и магнезию (MgO), а также небольшое количество FeO (оксид железа), MnO (оксид марганца), TiO2 (диоксид титана), Na2O (оксид натрия). ), K2O (оксид калия) и S (сера). Состав доменного шлака имеет очень важное значение для его физико-химических характеристик, влияющих на работу доменной печи. Физико-химические свойства жидких шлаков в значительной степени определяют степень десульфурации, бесперебойную работу доменной печи, обращение со шлаком, расход кокса, производительность доменной печи и качество ТМ.

Существует четыре вида шлаков с различным составом, которые образуются в разных зонах доменной печи в результате ряда восстановительных реакций. Эти четыре типа шлаков, а именно первичный шлак, шлак шихты, фурменный шлак и конечный шлак, образуются соответственно в когезионной зоне, зоне стекания, желобе и горне. Хороший выпуск зависит главным образом от конечного шлака, который должен иметь низкую температуру ликвидуса и хорошую текучесть.

Текучесть шлака в доменной печи влияет на размягчение-плавление в когезионной зоне, проницаемость в нижней части печи из-за задержки жидкости в зоне каплеобразования, течение жидкости в горне печи и способность дренажа шлак через летку. На текучесть шлака влияют температура и состав шлака, причем на последний влияют минералы рудной пустой породы и зольные материалы кокса и пылевидного угля. Соотношение CaO/SiO2 в составе шлака обычно регулируется в диапазоне от 1,2 до 1,3 с помощью вспомогательного материала для улучшения текучести и десульфурирующей способности шлака. Концентрация Al2O3 в шлаке считается фактором, ухудшающим текучесть шлака, который полуэмпирически установлен на верхнем пределе около 18 % (чем ниже, тем лучше), чтобы избежать накопления железа и шлака и ухудшение проходимости в нижней части топки.

Если руда с высоким содержанием Al2O3 широко используется в доменной печи, то происходит отклонение от обычной шлаковой системы к новому шлаку с содержанием Al2O3, которое может достигать 30 %. Кроме того, недавние технологические изменения в доменной печи, включая увеличение вдувания пылеугольного топлива (ПУТ), также увеличили концентрацию Al2O3. Это приводит к переходу шлаковой системы с силикатной на алюминатную. Шлак представляет собой сложную систему оксидов, и его свойства тесно связаны с составом. Было проведено несколько исследований для определения физико-химических свойств доменных шлаков. Однако большинство этих исследований было проведено на шлаках доменных печей с низким содержанием Al2O3, содержание Al2O3 в которых обычно составляет менее 20 %.

Наиболее важными свойствами шлака являются вязкость, емкость по сульфидам, щелочеемкость и температура ликвидуса. Эти свойства оказывают большое влияние на весь процесс доменной печи. Шлак доменного производства с низким содержанием Al2O3 (с содержанием Al2O3 обычно менее 15%) обычно имеет низкую вязкость, высокую емкость по сульфидам и низкую температуру ликвидуса, а также меньший объем шлака по сравнению со шлаком с высоким содержанием Al2O3. Шлак с высоким содержанием Al2O3 обычно имеет содержание Al2O3 более 15 %. Шлак с высоким содержанием Al2O3 встречается в основном из-за высокого соотношения Al2O3/SiO2 в железной руде, а также в агломератах и ​​высокой зольности в коксе. Эти шлаки очень вязкие.

В случае доменного производства чугуна вязкость шлака является очень важным физическим свойством, так как она во многом влияет на работу печи. Вязкость шлака представляет собой транспортное свойство, которое связано с кинетикой реакции и степенью восстановления конечного шлака. Вязкость шлака также определяет эффективность разделения шлака и металла и, следовательно, выход металла и способность удалять примеси. В процессе эксплуатации вязкость шлака указывает на легкость выпуска шлака из печи и, следовательно, влияет на потребность в энергии и рентабельность процесса.

Вязкость шлака влияет на газопроницаемость, теплопередачу, восстановление SiO2, FeO и т. д. Желательно искать шлаковые системы, способные обеспечить хорошую текучесть даже при низких температурах. Имеется несколько данных о вязкости доменных шлаков. Но большая часть этих данных в основном относится к шлакам с низким содержанием Al2O3, где Al2O3 находится в диапазоне от 10 % до 15 %. Кроме того, эти данные о вязкости относятся к шлакам с высоким соотношением CaO/SiO2, очень большим количеством добавок, таких как FeO, TiO2, Fe2O3 и т. д., которые не так часто встречаются в конечном доменном шлаке.

Содержание Al2O3 в доменном шлаке в основном зависит от содержания Al2O3 в исходных материалах, в основном в железной руде. В тех случаях, когда содержание Al2O3 в железной руде составляет менее 1 %, содержание Al2O3 в шлаке едва превышает 10 %. Но в тех железных рудах, где содержание Al2O3 составляет 2 % и выше, поднять содержание Al2O3 в доменном шлаке до 20 % и выше. Эксплуатация доменной печи с таким высоким содержанием Al2O3 в шлаке довольно сложна и требует другого типа навыков от операторов доменной печи, поскольку с увеличением содержания Al2O3 в шлаке при работе доменной печи возникают такие проблемы, как избыточное накопление жидкого шлака в доменной печи. пода и увеличение перепада давления в нижней части топки. Следовательно, важно поддерживать содержание Al2O3 в шлаке в пределах, обеспечивающих хорошую текучесть шлака во время работы доменной печи, чтобы иметь хорошую проницаемость и хороший дренаж шлака во время выпуска.

Вязкость доменного шлака зависит от состава и температуры. Низкая вязкость не только помогает регулировать скорость реакции благодаря своему влиянию на перенос ионов в жидком шлаке к границе раздела шлак/металл и обратно, но и обеспечивает плавную работу печи. Как увеличение основных оксидов, так и повышение температуры выше температуры ликвидуса шлака снижают вязкость. В случае системы CaO-MgO-SiO2-Al2O3 Al2O3 и SiO2 не эквивалентны в молярном отношении по своему действию, хотя оба увеличивают вязкость этих расплавов. Влияние первого на вязкость зависит от содержания извести в шлаке. Это связано с тем, что ион Al3+ может заменить ион Si4+ в силикатной сетке только в том случае, если он связан с ионом Ca2+ для сохранения электронейтральности.

Ожидается, что ДП будет производить ТМ с содержанием серы порядка 0,05 % или менее. Следовательно, всегда представляет большой интерес знать десульфурирующую способность шлака или, другими словами, коэффициент распределения S между ТМ и шлаком. Было показано, что распределение S между ТМ и шлаком достигает равновесия в доменной печи для шлаков с содержанием Al2O3, очень близким к 15 % или менее. Эти шлаки имеют температуру ликвидуса ниже температуры печи, а также низкую вязкость. Эти условия благоприятны для достижения равновесия.

Для проведения систематической оценки влияния концентрации Al2O3 в шлаке на работу доменной печи, которая сосредоточена на дренаже шлака для каждой области печи и проницаемости в нижней части доменной печи с точки зрения шлака. текучесть, эксперимент по эксплуатации шлака с высоким содержанием Al2O3 (шлак Al2O3 20 %) был проведен на экспериментальной доменной печи (рис. 1) в Японии.

Рис. 1. Поперечное сечение экспериментальной доменной печи

Некоторые наблюдения во время эксперимента графически показаны на рис. 2. Результаты эксперимента подытожены ниже.

• Явление дренирования шлака в горне доменной печи представляет собой явление псевдоожижения, в котором преобладает вязкость. Скорость дренирования шлака снижается по мере увеличения вязкости шлака. Следовательно, для поддержания дренажа шлака при высоком содержании Al2O3 в шлаке, например, эффективно повышение концентрации MgO в шлаке. Кроме того, влияние температуры кристаллизации шлака на скорость дренажа шлака относительно невелико по сравнению с влиянием вязкости шлака.
• Перепад давления в зоне стекания увеличивается по мере увеличения концентрации Al2O3 в шлаке. Даже если соотношение CaO/SiO2 увеличивается, перепад давления в зоне стекания увеличивается. Падение давления в основном вызвано эффектом смачиваемости в результате статической задержки шлака и в меньшей степени из-за эффектов вязкости капающего шлака и температуры кристаллизации. В шлаке с высокой концентрацией Al2O3 для подавления роста перепада давления в зоне стекания эффективно снижение удерживающей способности за счет уменьшения отношения CaO/SiO2.
• Сопротивление проницаемости в когезионной зоне зависит от концентрации Al2O3 из-за индекса сопротивления проницаемости спеченной руды при высокой температуре. Сопротивление проницаемости увеличивается по мере увеличения концентрации Al2O3 в руде. Например, увеличение сопротивления проницаемости можно подавить увеличением содержания MgO в руде. Исходя из вышеизложенного, при работе со шлаком с высоким содержанием Al2O3 в доменной печи было исследовано и систематически оценено влияние текучести шлака на каждую зону печи. В результате было определено, что для надлежащего поддержания дренирования и проницаемости шлака эффективна конструкция доменного шлака, которая увеличивает MgO в шлаке и снижает соотношение CaO/SiO2 в шлаке.

Рис. 2. Свойства шлака, влияющие на работу доменной печи

Влияние высокого содержания глинозема на шлак

Высокое содержание Al2O3 в доменном шлаке имеет много побочных эффектов. Увеличение Al2O3 в железной руде влияет не только на прочность агломерата, но и на его характеристики при высоких температурах в когезионной зоне. Концентрация Al2O3 в шлаке считается фактором, ухудшающим текучесть шлака и повышающим температуру ликвидуса. Эффекты высокого содержания Al2O3 в шлаке следующие.

• Шлак с высоким содержанием Al2O3 имеет высокую вязкость при постоянной основности (CaO/SiO2). Однако с увеличением содержания основных оксидов и повышением температуры выше температуры ликвидуса шлака вязкость шлака с высоким содержанием Al2O3 в некоторой степени снижается.
• Вязкость жидкого шлака в основном зависит от его химического состава и температуры. Вязкость шлака является важным технологическим параметром процесса доменной печи. Транспортное свойство шлака связано с кинетикой реакции и степенью восстановления конечного шлака. Низкая вязкость помогает регулировать скорость реакции благодаря своему влиянию на перенос ионов в жидком шлаке к границе раздела шлак/металл и обратно. Он также определяет эффективность отделения металлического шлака, выход металла и способность удаления примесей. Это также обеспечивает бесперебойную работу печи.
• При работе доменной печи явление дренажа шлака в горне доменной печи представляет собой явление псевдоожижения, в котором преобладает вязкость. Скорость дренажа шлака снижается по мере увеличения вязкости шлака.
• Шлак с высоким содержанием Al2O3 имеет большую тенденцию к уменьшению содержания кремния (Si), а также тенденцию к увеличению содержания HM Si. Это может быть связано как с повышением равновесной концентрации Si, так и с недостижением равновесных уровней вообще.
• Содержание S в ТМ имеет тенденцию к увеличению с увеличением содержания Al2O3 в шлаке. Следовательно, шлак с высоким содержанием Al2O3 способствует менее эффективной десульфурации. Замечено, что не только отрицательно сказывается на равновесном распределении серы между металлом и шлаком, но и скорость достижения такого распределения также заметно снижается. Следовательно, шлак с высоким содержанием Al2O3 поглощает серу медленнее, поскольку равновесие серы не достигается в доменной печи.
• Перепад давления в зоне стекания увеличивается по мере увеличения концентрации Al2O3 в шлаке. Даже если соотношение CaO/SiO2 увеличивается, перепад давления в зоне стекания увеличивается. Падение давления в основном вызвано эффектом смачиваемости в результате статической задержки шлака, в меньшей степени из-за эффектов вязкости капающего шлака и температуры кристаллов. Сопротивление проницаемости в когезионной зоне увеличивается по мере увеличения содержания Al2O3 в шлаке.

Контрмеры для ослабления эффекта высокого содержания глинозема

Ухудшающий эффект высокого содержания Al2O3 в шлаке компенсируется увеличением в нем содержания MgO. Концентрация Al2O3 в шлаке полуэмпирически установлена ​​во многих странах на верхнем пределе около 16 % во избежание накопления железа и шлака и ухудшения проницаемости в нижней части доменной печи.

Увеличение сопротивления проницаемости в когезионной зоне может быть подавлено увеличением содержания MgO в шихте. Физические эффекты повышенного содержания MgO в шлаке прямо противоположны эффектам Al2O3. MgO помогает поддерживать хороший дренаж шлака из горна во время выпуска. По мере увеличения уровня MgO в шлаке с высоким содержанием Al2O3 содержание S в ТМ улучшается для заданного диапазона содержания Si. Вероятно, это связано с более высокой текучестью шлака с высоким содержанием MgO. Шлак с высоким содержанием MgO выгоден для контроля как S, так и Si. Полезно также снижение основности шлака. Чтобы компенсировать ухудшающий эффект работы доменной печи в шлаке с высоким содержанием Al2O3, важные меры описаны ниже.

Поскольку увеличение содержания MgO в шлаке улучшает скорость дренирования горна при эксплуатации шлака с высоким содержанием Al2O3, содержание MgO в шлаке должно поддерживаться на уровне, превышающем минимальный уровень. Более высокий уровень MgO в шлаке также улучшает проницаемость в когезионной зоне доменной печи.

Чтобы подавить рост перепада давления в зоне стекания, важно уменьшить удержание шлака за счет уменьшения отношения CaO2/SiO2. Проницаемость зоны стекания улучшается за счет снижения соотношения шлака CaO/SiO2 в шлаке примерно до 1 %.

Еще один метод снижения влияния высокого содержания Al2O3 в шлаке заключается в снижении концентрации Al2O3 в шлаке путем добавления дополнительных шлакообразующих материалов в шихту доменной печи. Однако это приводит к большему объему шлака, более высокому расходу флюса и кокса и более низкой производительности доменной печи. Этот метод можно использовать для контроля только как случайное средство.