Оптимизация работы доменной печи при высокоалюминистых шлаках

Высокоалюминистый шлак и работа доменной печи

Процесс получения чугуна в доменной печи (ДП) — это процесс, в ходе которого жидкий чугун (горячий металл) и жидкий шлак образуют в результате восстановления железоносных материалов (агломерата и/или пеллет, крупного рудника) коксом и флюсования горных пород исходных материалов. Процесс представляет собой результат серии химических реакций, происходящих в ДП. Горные породы и золь кокса расплавляются, образуя шлак с флюсовыми материалами. Разделение шлака от горячего металла происходит в жидком состоянии. Шлак имеет более низкую температуру плавления и легче чугуна. В ДП он находится при более высокой температуре, чем чугун. Качественный шлак необходим для получения качественного горячего металла.

Шлак ДП преимущественно содержит диоксид кремния (SiO₂), оксид алюминия (Al₂O₃), оксид кальция (CaO) и оксид магния (MgO) вместе с меньшими количествами FeO (оксид железа (II)), MnO (оксид марганца (II)), TiO₂ (диоксид титана), Na₂O (оксид натрия), K₂O (оксид калия) и S (сера). Состав шлака оказывает существенное влияние на его физико-химические характеристики, которые, в свою очередь, влияют на работу ДП. Физико-химические свойства жидких шлаков играют значительную роль во многом определяя степень десульфуризации, плавность работы ДП, обращение с шлаком, расход кокса, производительность ДП и качество горячего металла.

В результате ряда реакций восстановления в разных зонах ДП образуются четыре вида шлаков с отличительными составами: первичный шлак, растрепный шлак, дьюерный шлак и конечный шлак. Они формируются соответственно в зоне скупления, зоне капания, в зоне дьюеров и в подпечи. Качественная разгонка в значительной степени зависит от конечного шлака, который должен иметь низкую температуру ликвидуса и хорошую текучесть.

Влияние свойств шлака на работу доменной печи

Текучесть шлака в ДП влияет на поведение смягчения-плавления в зоне скупления, проницаемость в нижней части печи из-за задержки жидкости в зоне капания, текучесть жидкости в подпечи и способность шлака к сливу через дьюерную втулу. Текучесть шлака зависит от температуры и состава шлака, причем последний определяется горными мирудами руды и зольными материалами кокса и пылеугольной пыли. Отношение CaO/SiO₂ в составе шлака обычно регулируется в диапазоне 1,2–1,3 вспомогательными материалами для улучшения текучести и десульфурирующей способности шлака. Концентрация Al₂O₃ в шлаке считается фактором, ухудшающим текучесть шлака, которая полуэмпирически устанавливается на верхнем пределе около 18% (чем ниже, тем лучше), чтобы избежать накопления железа и шлака и ухудшения проницаемости в нижней части печи.

При широком использовании высокоалюминистой руды в ДП происходит отклонение от нормальной шлаковой системы к новой с содержанием Al₂O₃, которое может достигать 30%. Кроме того, недавние изменения процесса в ДП, включая увеличение впрыска пылеугольной пыли (ПУП), также повысили концентрацию Al₂O₃. Это приводит к переходу шлаковой системы от силикатной к алюминатной. Шлак — это сложная система оксидов, и его свойства тесно связаны с составом. Несколько исследований посвящены определению физико-химических свойств шлаков ДП. Однако большинство из них проводилось для шлаков с низким содержанием Al₂O₃ (обычно менее 20%).

Наибольшее влияние на работу ДП оказывают такие свойства шлака, как вязкость, сульфидная емкость, щелочная емкость и температура ликвидуса. Эти свойства сильно влияют на общий процесс ДП. Шлак с низким содержанием Al₂O₃ (обычно менее 15%) обычно имеет низкую вязкость, высокую сульфидную емкость, низкую температуру ликвидуса и меньший объем шлака по сравнению с высокоалюминистым шлаком. Высокоалюминистый шлак обычно содержит более 15% Al₂O₃. Он встречается преимущественно из-за высокого соотношения Al₂O₃/SiO₂ в железной руде, агломерате и высоком зольном содержании кокса. Эти шлаки высоковязкие.

Влияние вязкости шлака

В доменном производстве вязкость шлака — очень важное физическое свойство, поскольку оно влияет на работу печи множеством способов. Вязкость шлака — это переносовое свойство, связанное с кинетикой реакций и степенью восстановления конечного шлака. Вязкость также определяет эффективность разделения шлак-металл, а следовательно, выход металла и способность удаления примесей. В эксплуатации вязкость шлака указывает на легкость его слива из печи, и поэтому связана с энергозатратами и рентабельностью процесса.

Вязкость шлака влияет на газовую проницаемость, теплопередачу и восстановление SiO₂, FeO и др. Желательно найти шлаковые системы, обеспечивающие хорошую текучесть даже при низких температурах. Существует несколько данных о вязкости шлаков ДП, но большинство из них касается шлаков с низким Al₂O₃ (10–15%). Кроме того, эти данные представляют шлаки с высоким отношением CaO/SiO₂, очень высокими количествами добавок вроде FeO, TiO₂, Fe₂O₃ и т.д., что нехарактерно для конечного шлака ДП.

Содержание Al₂O₃ в шлаке ДП в основном зависит от его содержания во входных материалах, преимущественно в железной руде. Если содержание Al₂O₃ в руде менее 1%, то в шлаке оно едва превышает 10%. Но при содержании Al₂O₃ в руде 2% и выше уровень в шлаке поднимается до 20% и выше. Эксплуатация ДП с таким высокоалюминистым шлаком весьма затруднительна и требует от операторов особой квалификации, так как с ростом Al₂O₃ возникают проблемы: избыточное накопление жидкого шлака в подпечи и увеличение перепада давления в нижней части печи. Поэтому важно держать содержание Al₂O₃ в шлаке в пределах, обеспечивающих хорошую текучесть при работе ДП для обеспечения хорошей проницаемости и слива шлака при разгонке.

Вязкость шлака ДП зависит от состава и температуры. Низкая вязкость не только способствует управлению скоростями реакций через эффект на перенос ионов в жидком шлаке к и от границы реагирования шлак/металл, но и обеспечивает плавную работу печи. И увеличение основных оксидов, и повышение температуры выше температуры ликвидуса шлака снижают вязкость. В системе CaO-MgO-SiO₂-Al₂O₃ Al₂O₃ и SiO₂ не эквивалентны по молярной основе в своем влиянии, хотя оба повышают вязкость этих расплавов. Влияние Al₂O₃ на вязкость зависит от содержания CaO в шлаке. Это связано с тем, что ион Al³⁺ может замещать ион Si⁴⁺ в силикатной сетке только при ассоциации с ионом Ca²⁺ для сохранения электронейтральности.

Десульфуризация и влияние высокого Al₂O₃

ДП должна производить чугун с содержанием серы порядка 0,05% или менее. Поэтому всегда велик интерес к десульфурирующей способности шлака, или, иначе говоря, коэффициенту распределения серы между чугуном и шлаком. Показано, что равновесное распределение серы между чугуном и шлаком достигается в ДП для шлаков с содержанием Al₂O₃ близким к 15% или менее. Эти шлаки имеют температуру ликвидуса ниже температуры печи и низкую вязкость. Эти условия благоприятны для достижения равновесия.

Для систематической оценки влияния концентрации Al₂O₃ в шлаке на работу ДП, сфокусированной на сливе шлака в каждой зоне печи и проницаемости в нижней части ДП, с точки зрения текучести шлака, в экспериментальной ДП в Японии был проведен эксперимент с высокоалюминистым шлаком (Al₂O₃ 20%).

Рис. 1 Поперечный срез экспериментальной доменной печи

Некоторые наблюдения эксперимента графически показаны на рис. 2. Результаты эксперимента суммированы ниже.

• Явление слива шлака в подпечи ДП — это флюидизационное явление, доминируемое вязкостью. Скорость слива шлака уменьшается с ростом вязкости. Поэтому для поддержания слива при высоком содержании Al₂O₃ в шлаке эффективно увеличение концентрации MgO в шлаке. Влияние температуры кристаллизации шлака на скорость слива относительно невелико по сравнению с влиянием вязкости.
• Перепад давления в зоне капания увеличивается с ростом концентрации Al₂O₃ в шлаке. Даже при увеличении отношения CaO/SiO₂ перепад давления в зоне капания растет. Перепад давления в основном вызван эффектом смачиваемости в результате статической задержки шлака, и лишь в малой степени — вязкостью капающего шлака и температурой кристаллизации. При высокой концентрации Al₂O₃ в шлаке для подавления роста перепада давления в зоне капания эффективно уменьшение задержки за счет снижения отношения CaO/SiO₂.
• Проницаемое сопротивление в зоне скупления зависит от концентрации Al₂O₃ из-за индекса проницаемого сопротивления агломерата при высокой температуре. Проницаемое сопротивление увеличивается с ростом концентрации Al₂O₃ в руде. Например, увеличение проницаемого сопротивления можно подавить увеличением MgO в руде. Из вышеизложенного следует, что при работе ДП с высокоалюминистым шлаком влияние текучести шлака на каждую зону печи было системно исследовано и оценено. В результате определено, что для правильного поддержания слива шлака и проницаемости эффективна конструкция шлака ДП, которая увеличивает MgO в шлаке и снижает отношение CaO/SiO₂ в шлаке.

Рис. 2 Свойства шлака, влияющие на работу ДП

Влияние высокого содержания алюмины на шлак

Высокое содержание Al₂O₃ в шлаке ДП имеет множество неблагоприятных последствий. Увеличение Al₂O₃ в железной руде не только влияет на прочность агломерата, но и на его характеристики при высоких температурах в зоне скупления. Концентрация Al₂O₃ в шлаке считается фактором, ухудшающим текучесть шлака и повышающим температуру ликвидуса. Последствия высокого Al₂O₃ в шлаке:

• Высокоалюминистый шлак имеет высокую вязкость при постоянной основности (CaO/SiO₂). Однако с увеличением основных оксидов и температуры выше температуры ликвидуса вязкость высокоалюминистого шлака снижается в некоторой степени.
• Вязкость жидкого шлака в основном зависит от его химического состава и температуры. Вязкость шлака — важная технологическая переменная процесса ДП. Это переносовое свойство шлака, связанное с кинетикой реакций и степенью восстановления конечного шлака. Низкая вязкость способствует управлению скоростями реакций через эффект на перенос ионов в жидком шлаке к и от границы шлак/металл. Она также определяет эффективность разделения шлак-металл, выход металла и способность удаления примесей. Она также обеспечивает плавную работу печи.
• В работе ДП явление слива шлака в подпечи — флюидизационное явление, доминируемое вязкостью. Скорость слива шлака уменьшается с ростом вязкости.
• Высокоалюминистый шлак имеет большую склонность к восстановлению кремния (Si) и наблюдается тенденция к повышению уровня Si в горячем металле. Это может быть либо из-за роста равновесной концентрации Si, либо из-за недостижения равновесных уровней.
• Содержание серы в горячем металле стремится увеличиться с ростом содержания Al₂O₃ в шлаке. Следовательно, высокоалюминистый шлак способствует менее эффективной десульфуризации. Наблюдается, что не только равновесное распределение серы между металлом и шлаком влияет неблагоприятно, но и скорость достижения такого распределения также значительно замедляется. Поэтому захват серы высокоалюминистым шлаком замедляется, так как равновесие по сере не достигается в ДП.
• Перепад давления в зоне капания увеличивается с ростом концентрации Al₂O₃ в шлаке. Даже если отношение CaO/SiO₂ увеличивается, перепад давления в зоне капания растет. Перепад давления в основном вызван эффектом смачиваемости в результате статической задержки шлака, и мало — вязкостью капающего шлака и температурой кристаллизации. Проницаемое сопротивление в зоне скупления увеличивается с ростом содержания Al₂O₃ в шлаке.

Меры по снижению влияния высокой алюмины

Ухудшающее действие высокого Al₂O₃ в шлаке компенсируется увеличением его содержания MgO. Концентрация Al₂O₃ в шлаке во многих странах полуэмпирически устанавливается на верхнем пределе около 16%, чтобы избежать накопления железа и шлака и ухудшения проницаемости в нижней части ДП.

Увеличение проницаемого сопротивления в зоне скупления можно подавить увеличением MgO в загрузке. Физические эффекты повышенного содержания MgO в шлаке прямо противоположны эффектам Al₂O₃. MgO способствует поддержанию хорошего слива шлака из подпечи при разгонке. По мере роста уровня MgO в высокоалюминистом шлаке содержание серы в горячем металле улучшается для заданного диапазона Si. Вероятно, это связано с более высокой текучестью высокомагнийного шлака. Высокомагнийный шлак выгоден для контроля и серы, и кремния. Снижение основности шлака также полезно. Для компенсации ухудшающего эффекта работы ДП с высокоалюминистым шлаком важны следующие меры:

• Поскольку увеличение MgO в шлаке улучшает скорость слива подпечи при работе с высокоалюминистым шлаком, MgO в шлаке следует держать на уровне выше минимального. Более высокий уровень MgO также улучшает проницаемость в зоне скупления ДП.
• Для подавления роста перепада давления в зоне капания важно уменьшить задержку шлака за счет снижения отношения CaO/SiO₂. Проницаемость зоны капания улучшается снижением отношения CaO/SiO₂ в шлаке до около 1%.
• Другим методом снижения влияния высокого Al₂O₃ в шлаке является разбавление его уровня до более низких концентраций за счет добавления дополнительных шлакообразующих материалов в загрузку ДП. Однако это приводит к увеличению объема шлака и влечет более высокие расходы флюсов и кокса и более низкую производительность ДП. Этот метод можно использовать для контроля только как временное средство.