Д. т. н. Тогобицкая д. н., Цюпа Н. А., к. т. н. Степаненко Д. А. 

Институт черной металлургии, Украина

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПОГЛОЩЕНИЯ ЩЕЛОЧЕЙ ДОМЕННЫМ ШЛАКОМ С УЧЕТОМ ЕГО ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

 

Шихтовые и технологические условия работы доменных печей Украины обуславливают циркуляцию и накопление в доменных печах большого количества щелочных элементов, часто превышающих критический уровень. Как показывает опыт технологов, безопасная допустимая щелочная нагрузка не должна превышать 2,5–4 кг/т чугуна. Реально, в условиях Украины она может доходить до 14 кг/т чугуна. Превышение в доменной шихте допустимого количества щелочных металлов на одну тонну чугуна вызывает ухудшение работы доменной печи, снижение ее производительности, уменьшение прочности кокса, приводит к подвисаниям шихты, ускорению разрушения кладки печи и образованию настылей, что приводит к изменению профиля печи, нарушению равномерности распределения шихты и газового потока в рабочем пространстве. В связи с этим актуальными являются вопросы выявления закономерностей поведения щелочей при изменении состава и свойств шлака, как главного фактора удаления их из печи. Проведение количественных балансов щелочей в доменной печи и определение распределения щелочей между шлаком, колошниковым газом и внутренним пространством печи, позволяет выполнить полный контроль над поступлением и выведением щелочей из печи, а также позволяет повысить эффективность проведения промывок [1].

С целью выявления закономерностей о распределении щелочных соединений в доменной печи с помощью программы «Alkalis» проведен баланс щелочей для печи А, объемом 2000 м3 завода Украины. Проведенные исследования показали, что за период июнь-октябрь 2014 года в печь  поступает от 2,09 до 2,63 кг/т чугуна Na2O и от 1,97 до 2,74 кг/т чугуна K2O. Таким образом щелочная нагрузка для печи составляет в среднем 4,72 кг/т чугуна. Основная масса щелочей в доменную печь вносится с агломератом и коксом. При этом приход Na2O с агломератом  составляет в среднем 1,55 кг/т чугуна, а K2O – 0,94 кг/т чугуна, с коксом – 0,76 кг/т Na2O и 1,39 кг/т K2O. Такое высокое содержание щелочей в агломерате обусловлено использованием значительной части металлургических отходов при его производстве.

Баланс щелочей печи показывает, что в зависимости от условий плавки со шлаком в среднем уходит 1,45 кг/т Na2O и 1,56  кг/т K2O, а с колошниковым газом – 0,107 кг/т Na2O и 0,215  кг/т K2O, соответственно в печи остается 0,77 кг/т Na2O и  0,53 кг/т K2O. Исходя из проведенного баланса для рассматриваемой печи объемом 2000м3 и производством в среднем 3340 тонн чугуна в сутки, накопление составляет 2547 кг Na2O и 1760 кг K2O. А это значит, что в среднем за сутки в печи остается циркулировать 4,31 тонн щелочей, или 2,15 кг/м3 печи.

Таким образом, в зависимости от состава шихты и термодинамических условий работы печи, в среднем со шлаком выходит 65,91% щелочей пришедших в печь, с колошниковым газом – 6,84%, остается в печи – 27,25%.

Такой характер распределения щелочных оксидов в доменной печи позволяет сделать вывод о том, что доменный шлак является основным носителем щелочей в доменной печи. Распределение щелочей между шлаком и газовой фазой зависит от термодинамических условий работы доменной печи, поэтому получение данных о влиянии параметров плавки и отдельных компонентов минеральной шихты на разных этапах процесса агрегатного превращения материалов в доменной печи позволяет рассмотреть качественную и количест­венную стороны процессов адсорбции и десорбции щелочных оксидов шлаком. Выявление наиболее значимых параметров при ведении плавки с целью максимального вывода щелочей со шлаком, позволяет эффективно управлять процессом доменной плавки.

Как показали исследования, проведенные для печи (рис. 1), основными параметрами доменной плавки, влияющими на вынос щелочей с доменным шлаком являются: приход щелочей с шихтовыми материалами и коксом, расход кислорода, расход дутья, содержание кислорода в дутье, степень использования СО2, теоретическая температура горения, выход доменного газа и расход природного газа.

 

Рис. 1. Влияние параметров плавки на вынос щелочей доменным шлаком

(знак «+» или «-» при R2 свидетельствует о прямой (+) или обратной (-) связи параметра

с содержанием щелочей в шлаке)

 

Из рис. 1 следует, что помимо шихтовых условий доменной плавки, характеризующих в первую очередь приход щелочей в доменную печь, определяющими также являются параметры технологического режима доменной плавки, которые предопределяют тепловое состояние доменной печи, кинетику и механизм процессов плавления и восстановления железорудных материалов, агрегатных и фазовых изменений шихтовых материалов и др.

Специалистами НЛМК были рассмотрены шлаковый и тепловой режимы плавки, газодинамический режим и приход щелочей в качестве факторов, влияющих на вынос щелочей из доменной печи [2]. 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. Авторами [2] отмечено, 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 соединений.

Характер поведения щелочных соединений в доменной печи во многом, если не в основном, определяется ее тепловым состоянием. Сравнительно низкие температуры кипения и парообразования щелочных соединений (700–1200 °С) обусловливают их высокую активность в ходе доменной плавки. 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. Многие исследователи, в частности А. Д. Готлиб [3], С. Л. Ярошевский [4] отмечают, что химический состав и температура чугуна и шлака на выпуске являются комплексными показателями нагрева горна доменной печи, отражающие тепловой режим печи за определенный промежуток времени.

Как отмечено в работе [4] оперативный технологический контроль за работой печи может быть существенно улучшен при использовании температуры продуктов правки (температуры чугуна и шлака) на выпуске в качестве прямого и количественного показателя нагрева горна доменной печи. Как известно, температура относится к интенсивным величинам и не зависит от массы системы, что не позволяет в полной мере судить о тепловых характеристиках чугуна и шлака на выпуске из доменной печи. В этой связи наиболее информативными будут показатели, характеризующие теплофизические свойства шлакового расплава на выпуске – энтальпия и удельная теплоемкость, которые зависят от химического состава шлака и температуры его расплава.

Информационной основой для анализа экспериментальных данных о теплофизических свойствах (энтальпии и теплоемкости) расплавов доменных шлаков послужила созданная в Институте черной металлургии им. З. И. Некрасова НАН Украины (ИЧМ НАНУ) база экспериментальных физико-химических данных о свойствах шлаковых расплавов «Шлак» в рамках банка данных «Металлургия» [5; 6] ориентирована на удовлетворение информационных нужд теоретической и прикладной металлургии [7; 8], которая в течение более 20 лет находится в стадии постоянной эксплуатации и активного пополнения новыми экспериментальными данными.

На основе имеющихся данных в базе данных «Шлак», выполнен анализ экспериментальных данных удельной теплоемкости и энтальпии доменных шлаков [9] в диапазоне содержания основных химических компонентов (мас. %): CaO-46,3÷50,5; SiO2-36,5÷39,2; Al2O3-6,9÷8; MgO-3,8÷4,1; FeO-0,19÷0,37; MnO-0,15÷0,46; S-1,9÷2,12; CaO/SiO2- 1,18÷1,38, и температуры шлаковых расплавов 1110÷1550°С и установлена связь удельной теплоемкости (Ср) и энтальпии (∆H) доменных шлаков с их химическим составом, выраженным через физико-химический параметр Δе – химическая активность шлакового расплава (химический эквивалент) [10] с учетом температуры шлакового расплава (R2=0,9):

                                              (1)

Полученные уравнения (1) позволяют определить количество тепловой энергии шлакового расплава на выпуске из доменной печи при заданном его составе и температуре. Предложенные модели для определения удельной теплоемкости и энтальпии шлакового расплава включены в состав системы контроля и управления шлаковым режимом доменной плавки «Шлак» [11]. Видеокадр работы подсистемы представлен на рис. 2.

 

Рис. 2. Оценка технологической ситуации в системе контроля и управления шлаковым режимом доменной плавки

 Рис. 3. Видеокадр работы подсистемы «Шлак» – «Оценка щелочной емкости шлака»

 

При выдаче рекомендаций для повышения щелочной емкости шлакового расплава система «Шлак» основывается на результатах оценки щелочной емкости шлакового расплава [12] рис. 3 и установленной зависимости содержания щелочей в доменном шлаке и энтальпии их расплавов при температуре 1500°С (рис. 4). Установленная связь на рис. 4 соответствует общепринятым представлениям о влиянии роли шлакового расплава, а именно его химического состава и температуры, определяющих его теплофизические свойства на процесс удаления щелочей из доменной печи.

   

Рис. 4. Связь содержания оксидов щелочных металлов (R2O) в шлаке

 с энтальпией их расплавов (∆H) при температуре 1500 °С

 

В работе обоснована актуальность исследований поведения щелочных соединений в доменной печи и закономерностей их распределения между продуктами плавки и внутренним пространством печи. Выявлены закономерности влияния показателей дутьевого режима на содержание оксидов калия и натрия в конечном шлаке. Определено, что для условий работы кокретной печи объемом 2000 м3 при щелочной нагрузке 4,72 кг/т чугуна в среднем со шлаком выходит 65,91% щелочных соединений пришедших в печь, с колошниковым газом – 6,84%, остается в печи – 27,25%.

Установлена связь энтальпии и удельной теплоемкости доменных шлаков с их химическим составом выраженным через физико-химические параметры ρ – показатель стехиометрии системы, равный отношению чисел катионов к числу анионов и Δе – химическую активность шлакового расплава (химический эквивалент) с учетом температуры их расплавов и предложены соответствующие модели. Установлена взаимозависимость содержания щелочей в доменном шлаке и энтальпии их расплавов при температуре 1500°С.

 

Список использованных источников:

1.   Циватая Н. А. Анализ поведения щелочей в доменной печи / Н. А. Циватая // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. – 2014. – № 29. – C. 90–101.

2.   Курунов И.Ф. Анализ поведения щелочей в доменной печи / И. Ф. Курунов, В. Н. Титов и др. // Металлург. – 2009. – №  9. – С. 34–39.

3.   Готлиб А. Д. Доменный процесс / А. Д. Готлиб. – М. : Металлургия, 1966. – 503 с.

4.   Ярошевский С. Л. Контроль теплового состояния горна доменной печи / С. Л. Ярошевс­кий, Я. С. Гайворонский, Н. Н. Попов. – К. : Техніка, 1968. – 184 с.

5.   Жмойдин Г. И. Проблема информационного обеспечения теоретической и прикладной метал­лургии / Г. И. Жмойдин, Д. Н. Тогобицкая  // Металлы. – 1991. – № 3. – С. 218–221.

6.   Тогобицкая Д. Н. Оптимизация металлургических технологий и концепция создания информационно-интеллектуальных систем / Д. Н. Тогобицкая, А. Ф. Хамхотько, Ю. М. Лихачев // Сб. «Фундаментальные и прикладные проблемы металлургии». – К. : Наукова думка, 1995. – С. 242–249.

7.   Приходько Э. В. Базы физико-химических и технологических данных для создания информационных технологий в металлургии / Э. В. Приходько, Д. Н. Тогобицкая // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 1999. – № 3. – C. 17–21.

8.   Інформаційно-аналітична система для дослідження кристалізаційної здатності металургійних шлаків / Тогобицька Д. М., Степаненко Д. О., Хамхотько А. Ф., Ліхачов Ю. М. // Системні технології : Регіональний міжвузівський збірник наукових праць. – Дніпропетровськ, 2010. – Вип. 2 (67). – С. 74–80.

9.   Гаврилко С. А. Исследование теплофизических свойств доменных шлаков и передельных чугунов / С. А. Гаврилко, Ю. В. Моисейко, С. А. Черепанов [и др.] // Металургія (Наукові праці ЗДІА). – Запоріжжя : ЗДІА, 2006. – Вип. 13. – С. 106–112.

10. Приходько Э. В. Металлохимия многокомпонентных систем / Э. В. Приходько – М. : Металлургия, 1995. – 320 с.

11. Интеллектуальная система принятия решений в задачах выбора рационального состава доменной шихты / Тогобицкая Д. Н., Белькова А. И., Степаненко Д. А., Гринько А. Ю., Циватая Н. А., Скачко А. С. // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. – 2014. – № 28. – C. 81–93.

12. Циватая Н. А. Оценка щелочной емкости доменного шлака / Н. А. Циватая, Д. Н. Тогобицкая // Материалы IV МНПК «Инновации в металловедении и металлургии». – Екатеринбург, 2014. – С. 251–254.