3.2. Физические свойства шлаков и особенности шлакового режима

По результатам измерений получена зависимость вязкости шлака от его основности и температуры, представленная на рис. 30. На рис. 31 представлен участок диаграммы вязкости шлаков процесса по Мак-Кефери тройной системы СаО-вЮг-А^Оз для температуры 1600 °С. Точками нанесена область составов реальных шлаков.

0,5 1,0 1.5 Ca0/Si02

Рис. 30. Зависимость вязкости шлака от его основности и температуры

Рис. 31 Участок диаграммы вязкости шлаков (Пз) по Мак-Кефери (нанесены составы

\ 1 1 /

10 20 3S 40

«ЛД»

шлаков процесса РОМЕЛТ; пересчет на три компонента)

Кроме вязкости, важной характеристикой, оказывающей непосредственное влияние на технологию, является температурный интервал кристаллизации шлаков. Чем больше этот интервал, тем менее жесткие требования предъявляются к стабильности теплового состояния печи и наоборот.

На рис. 32 показано расположение шлаков ряда опытных плавок на тройной диаграмме состояния Ренкина (в пересчете на три компонента). При движении фигуративной точки параллельно стороне CaO-SiC>2 на тройной диаграмме состояния температура плавления шлаков постепенно снижается от 1500-1600 °С (CaO/SiO — 1,3) до 14001300 °С (CaO/SiC>2 = 0,7...0,9), т.е. изменяется в необходимом направлении. При этом фигуративная точка движется в зоне кислых шлаков практически вдоль изотермы плавления 1300 °С в поле первичной кристаллизации однокальциевого силиката.

Рис. 32. Участок тройной диаграммы состояния Ренкина системы CaO-SiOi-A^Oj.

Точки - составы реальных шлаков процесса РОМЕЛТ в пересчете на три компонента.

Определены значения температур, при которых появляется жидкая фаза для реальных шлаков процесса путем измерения комплексного электрического сопротивления шлака переменному току.

Температуру окончания расплавления шлаков Tj (определяли по первому высокотемпературному излому на кривой зависимости логарифма вязкости lgr| от обратной температуры 1/Т. В области низких основностей эта кривая не имеет ярко выраженного перегиба, поэтому, согласно [31], в этих случаях определяли температуру нормальной жидкотекучесги.

Зависимости Ть и Ts шлаков от основновности представлены на рис. 33. Термины «ликвидус» и «солидус» носят условных характер.

Как видно из представленных на рис. 30 и 33 данных, минимальную вязкость и наименьшее значение Т] имеют шлаки с основностью 0,9-1,2. За пределами этого интервала наблюдается рост вязкости и Т[, однако этот рост при снижении основности более плавный, чем при ее росте. Видно, что интервал кристаллизации шлаков с основностью 0,5 составляет 300-350 °С, а при основности 1,5 - около 100 °С. Более широкий интервал кристаллизации кислых шлаков обусловливает их лучшую технологичность по сравнению с основными.

Рис. 33 Зависимость температур ликвидус и солидус шлака от его основности: 1 - температура солидус; 2 - температура ликвидус, 3 - область рабочих температур

Из производственного опыта известно, что сложно перегреть шлак в отражательной печи выше температуры Tj, более, чем на 200-250 °С. Это еще более сложно осуществить в печи POMEJTT, которая имеет водоохлаждаемые стены. С другой стороны, для выпуска шлакового расплава без дополнительного его подогрева газоки-слородными горелками в шлаковом отстойнике необходимо, чтобы вязкость составляла не более 1 Па*с. Исходя из этого, а также из полученной зависимости Т^ и вязкости от основности, на рис. 14 выделена область, характеризующая рабочие температуры шлаковой ванны в зоне барботируемого шлака. Поскольку температура производимого чугуна непосредственно связана с температурой шлакового расплава и, как правило, на —50 °С ниже, для обеспечения высоких температур металла целесообразно поддерживать основность шлака ниже 0,8 или выше 1,2.

Эксплуатация установки подтвердила, что при основности шлака ниже 0,8 реализуется более горячий ход печи.

Низкоосновные шлаки обладают большей технологичностью, так как позволяют вести процесс в более широком температурном интервале. Поэтому переработку железосодержащих материалов с кислой пустой породой (аглоруда, концентрат, доменный шлам) процессом РОМЕЛТ целесообразно вести при низкой основности шлака (CaO/SiO = 0,6 - 0,8). Это позволяет существенно снизить расход флюса и улучшить показатели процесса. Так, при переработке руды с содержанием железа 45 % (масс.) и использовании в качестве флюса извести расход угля и кислорода на процесс при основности шлака 0,8 примерно на 10 % ниже, чем при работе с основностью 1,5,

Целесообразность и возможность работы на низкоосновных шлаках при переработке материалов с кислой пустой породой определяются не только физическими свойствами этих шлаков, но и тем, что в печи РОМЕЛТ десульфурирующая способность шлаков не играет существенной роли из-за особенностей поведения серы в процессе.

Переработку материалов с основной пустой породой (конвертерный шлам) целесообразно вести при основности 1,3-1,5, не используя или минимизируя расход флюсов, содержащих Si02- При этом в обоих вариантах при температуре шлаковой ванны 1450-1550 °С обеспечиваются рациональная вязкость шлаков и высокие скорости процесса восстановления железа. Однако шлак с основностью более 1,2 имеет худшие потребительские свойства, что осложняет его дальнейшую утилизацию.

Важной характеристикой шлакового расплава является его электрическая проводимость (эе). Исследование электропроводности шлаков проводили, измеряя электросопротивление шлакового расплава погружением в него электродов. Для определения собственного сопротивления измерительной ячейки электроды погружали в расплав электролитической меди (расплав с низким значением электросопротивления) на фиксированную глубину и определяли их электросопротивление.

Установка для определения электропроводности шлаков состояла из автоматического моста переменного тока Р-5058 с цифровой индикацией, устройства для перемещения электродов в вертикальной и горизонтальной плоскости и печи Таммана. Эксперименты проводили в атмосфере аргона с использованием вольфрамовых электродов, покрытых огнеупорной массой. Опыты проводили с использованием алундо- вых тиглей.

На рис. 34 приведены получение зависимости электрической проводимости шлака от его основности и температуры

Зависимость электрической проводимости шлаков от их основности и температуры может быть использована при разработке методов контроля процессов, протекающих в печи, по величине ЭДС, генерируемой в шлаковом расплаве. На способ контроля окисленности шлаковой ванны процесса РОМЕЛТ был получен патент [32].

Для расчетов тепловых процессов в гарнисаже, образующемся на стенах печи необходимы данные по теплофизическим свойствам твердого шлака. Эти данные также необходимы с точки зрения производства и использования изделий из шлака.

Рис 34 Зависимость электрической проводимости шлака от его основности и температуры

еа

0,t a,S 0.9 /,/ f,4 Ф CaO/SIOj

Были исследованы теплофизические свойства реальных шлаков процесса РОМЕЛТ в интервале основности 0,5 -1,4 (СаО/ЗЮг). Химический состав исследованных шлаков был таким же, как и при исследовании вязкости.

Коэффициент температуропроводности а определяли импульсным лазерным методом (методом лазерной вспышки). Погрешность измерения коэффициента температуропроводности составляла 10 -12%. Удельную теплоемкость Ср определяли на высокотемпературном калориметре методом смешения. Погрешность определения удельной теплоемкости составляла не более 5%.

Результаты определения теплофизических свойств шлаков процесса РОМЕЛТ представлены в табл. 2.

Таблица 2

Теплофизические свойства шлаков ¦ СаО/ Температуропро Изобарная удельная теп Теплопровод Si02 водность, а, м2/с*10"6 лоемкость, Ср, Дж/кг*К ность, X, Вт/м*К 1000 С 1100 с 1200 С 1000 с 1100 С 1200 С 1000 с 1100 С 1200 С 0,55 1,22 1,23 М9 1215 1320 1440 3,4 3,7 3,9 0,6 1,53 1,50 1,47 1230 1360 1470 4,0 4,5 4,8 0,65 1,19 1,16 1,13 1100 1195 1280 3,1 3,3 3,4 0,7 1,27 1,28 1.23 1210 1400 1510 4,0 4,6 4,8 0,8 1,05 1,04 0,99 1050 1310 1270 2,6 3,0 3,0 0,91 0,94 0,94 0,93 1170 1300 1430 2,6 2,9 3,2 0,97 0,92 0,89 0,86 ИЗО 1290 1450 2,7 2,9 3,1 1,33 0,87 0,87 0,86 1070 1160 1240 2,4 2,6 2,7 1,37 0,88 0,86 0,85 1120 1200 1320 2,3 2,5 2,6 Видно, что при увеличении основности уменьшаются температуропроводность и теплопроводность шлаков. Определенного влияния основности на теплоемкость не выявлено. Из этих данных также следует, что при работе на кислых шлаках гарнисаж будет иметь большую толщину. Это может положительно влиять на устойчивость процесса, благодаря большей устойчивости гарнисажа при колебаниях температуры. При прочих равных условиях тепловой поток через гарнисаж прямо пропорционален разнице между температурой расплава в печи и температурой ликвидус шлака, из которого формируется гарнисаж. С этой точки зрения наибольшие тепловые потери через кессоны будут при работе на наиболее легкоплавких шлаках, т.е. на

шлаках с основностью 1,0-1,2., т.е. при работе на кислых шлаках гарнисаж будет иметь большую толщину.

Опыт эксплуатации установки РОМЕЛТ и проведенные исследования физических свойств оксидных расплавов позволили сформулировать требования к шлаковому режиму процесса.

Вязкость шлакового расплава в печи должна составлять 0,1-1,0 Па*с. При более низкой вязкости шлака продувка ванны осуществляется в режиме пробоя. При этом резко ухудшается перемешивание ванны, подавляются процессы брызго- и волнообразования, ухудшается теплопередача ванне от зоны дожигания. Наиболее ярко это явление было выявлено при переработке марганцевого сырья (отсева агломерата Никопольского ферросплавного завода). Из-за низкой вязкости шлакового расплава с высоким содержанием МпО не удалось нагреть ванну и обеспечить восстановления марганца в металл.

При вязкости шлака более 1 Па*с при рабочих температурах процесса появляются трудности с его выпуском из печи, увеличивается механический унос капель металла с выпускаемым шлаком.

Для обеспечения высокой температуры процесса и, соответственно, обеспечения высокой скорости восстановления железа, необходимо использовать шлаки с более высокими температурой плавления и вязкостью.

Переработку железосодержащих материалов с кислой пустой породой (руда, концентрат, шлам доменных печей) процессом РОМЕЛТ рекомендуется вести при низкой основности шлака (Ca0/Si02 ~ 0,6). Это позволяет существенно снизить расход флюса и улучшить показатели процесса.

Переработку материалов с основной пустой породой (конвертерный шлам) ре-комендуется вести при основности 1,3-1,5, не используя или минимизируя расход флюсов, содержащих Si02. При этом, в обоих вариантах, при температуре шлаковой ванны 1450-1550 °С обеспечивается приемлемая жидкотекучесть шлаков и достаточно высокие скорости процесса восстановления железа.

Работа на шлаках с основностью 1,0-1,2, как это принято в доменной плавке, в процессе РОМЕЛТ нецелесообразна как при переработке первичного сырья, так и при переработке отходов металлургического производства.