Специалистами НЛМК и Криворожского металлургического комбината были рассмотрены шлаковый и тепловой режимы плавки, газодинамический режим и приход щелочей в качестве факторов, влияющих на вынос щелочей из доменной печи.
Шлаковый режим. Доменный шлак является основным носителем щелочей, удаляемых из доменной печи. Химический состав и количество шлака определяют его поглотительную способность в отношении щелочей. Количество их, удаляемых со шлаком, обусловлено его основностью, содержанием в нем магнезии и собственно выходом шлака. Указанные факторы определяют степень перехода в шлак алюмосиликатных щелочных металлов [6].
Повышение основности шлака сопровождается снижением активности в нем кремнезема, количества связываемых им щелочей, а значит, и содержания их в шлаке. Как видно из рис. 1 [Приложение 4], с увеличившем основности шлака снижается не только абсолютное содержание Na2О и К2О в нем, но и отношение суммы их к содержанию SiО2. Таким образом, присутствие большого количества извести не только вызывает снижение содержания суммы щелочных соединений в шлаке, но и оказывает влияние на взаимодействие оксидов в расплаве [7].
В процессе исследования замечено, что оксидов натрия в шлаках всегда больше (на 13—22 %), чем оксидов калия. В то же время в колошниковой пыли и скрубберной воде относительно больше находилось К2О (8—9 % Na2О и 16—17 % К2О), т. е. соединения калия отличаются боль шей летучестью, чем соединения натрия. Это может быть одной из причин образования настылей и разрушения огнеупорной кладки.
Шлаковый режим, который при относительно стабильном сырье определяется главным образом основностью, в значительной мере связан с нагревом горна. Чем выше содержание кремния в чугуне, тем меньше SiО2 в шлаке и больше отношение CaO/SiО2. Повышение основности шлака приводит к уменьшению содержания Na2О + К2О в выпускаемом шлаке, увеличению количества щелочных соединений в циркуляционном контуре и невязки баланса. Прослеживается следующая взаимосвязь основности шлака и нагрева горна с накоплением щелочных соединений [7]:
Основность шлака CaO/SiО2 1,13 - 1,16 1,17 - 1,20 1,21 – 1,24
Невязка баланса, кг/т чугуна 5,0 5,8 6,4
Содержание кремния в чугуне, % 0,65 – 0,85 0,85 – 1,05 1,06 – 1,25
Невязка баланса, кг/т чугуна 5,1 5,4 6,8
Следует отметить, что одновременно с повышением нагрева печей и ростом основности шлака происходит увеличение массы щелочных соединений, удаляемых с газом и колошниковой пылью, так как в доменных печах действует саморегулирующийся контур щелочных соединний.
Тепловой режим
Характер поведения щелочных соединений в доменной печи во многом, если не в основном, определяется ее тепловым состоянием [Приложение 5. Рис. 2-4]. Сравнительно низкие температуры кипения и парообразования щелочных соединений (700—1200°С) обусловливают их высокую активность в ходе доменной плавки. Значительно влияние нагрева и на процесс циркуляции этих соединений — наиболее агрессивной их части по отношению к шихтовым и огнеупорный материалам [6].
С другой стороны, активизировать процесс удаления щелочей со шлаком можно за счет снижения их газификации в горне доменной печи. Добиваются этого снижением физического и химического нагрева горна, критерием которого может служить теоретическая температура горения. Она является комплексным показателем, отражающим тепловое состояние горна, а следовательно, и всей доменной печи в целом. Как видно из приведенного рисунка, увеличение температуры горения от 2100 до 2400оС приводит к снижению содержания щелочей в конечном шлаке на 0,25 %.
Газодинамика
Газодинамический режим доменной плавки в значительной мере подвержен влиянию щелочей. Это объясняется склеиваю щей способностью щелочных элементов, проявляющихся в зоне первичного шлакообразования и выше нее, а также разрушающим действием на агломерат, окатыши и кокс. Главную роль в этом процессе играют щелочи, циркулирующие в объеме печи. Они трудноудаляемы и непрерывно пополняются за счет щелочей золы кокса (возгонка в фурменной зоне при высоких температурах). Качество кокса, его прочность в этом аспекте приобретают особо важное значение.
С увеличением поступления щелочей в доменную печь снижается газопроницаемость столба шихтовых материалов, перепад давлений растет при постоянном расходе воздуха. Следствием этого является нарушение распределения газового потока и степени использования его восстановительной способности (СО). Рост количества щелочей, удаляемых со шлаком, сопровождается увеличением степени использования СО [6].
Специалистами НЛМК было рассчитано влияние степени использования СО в осевой зоне и на периферии печи, характеризующих развитие центрального и периферийного потоков газа, на удаление щелочей из печи. Качественный анализ показывает, что уменьшение развития периферийного и усиление центрального потоков газа способствует увеличению выноса щелочей со шлаком (рис. 9) [Приложение 2]. Это связано с тем, что при таком газораспределении уровень зоны когезии и, в первую очередь, ее корней снижается, уменьшая объем высокотемпературной зоны в печи, что приводит к перемещению контура циркуляции щелочей на нижние горизонты [5].
Что касается выноса щелочей через колошник, то влияние газораспределения носит экстремальный характер. Максимум выноса щелочей через колошник достигается при определенном соотношении центрального и периферийного потоков газов.
С целью определения максимально допустимого прихода щелочей, при котором достигается полный их вынос, получили уравнения зависимости невязки балансов К2О и Na2О от их прихода в печь (рис. 10) [Приложение 2].
На основе полученных уравнений были рассчитаны предельные значения прихода К2О и Na2О в доменную печь, при которых достигается нулевая невязка, т.е. удаление щелочей, равное их приходу. Предельные значения составляют для К2О - 2,20 кг/т и для Na2О -1,40 кг/т, т.е. суммарный приход щелочей не должен превышать 3,60 кг/т [5].
Таким образом, результаты исследования показа ли, что основными факторами, влияющими на вынос щелочей из доменной печи, являются распределение газов в печи по радиусу и шлаковый режим. В рассмотренных условиях вынос щелочей через колошник довольно стабилен и составляет 0,15-0,25 кг/т, а основная масса щелочей удаляется со шлаком. Повышенному выносу щелочей из печи со шлаком способствуют: работа с развитым центральным газовым потоком и работа на шлаках пониженной основности.