Доменный процесс. Восстановление оксидов в доменной печи. Образование чугуна и шлака. Газодинамика и теплообмен в доменной печи.

В современной доменной печи продолжительность пребывания в ней материалов составляет 4—6 ч, а газов — около 3—12 с. Высокие показатели плавки могут быть получены при хо­рошем распределении газов по сечению печи. Только в этом случае газы в максимальной степени отдадут физическое те­пло материалам и наиболее полно будет использована их восстановительная способность. Естественно, что распреде­ление газового потока по сечению печи зависит от сопро­тивления столба шихты, через которую проходят газы. Учи­тывая то, что газы всегда движутся по зонам с меньшим со­противлением шихты, его в процессе загрузки регулируют, перераспределяя определенным образом порции агломерата и кокса по сечению печи с учетом того, что слой агломерата менее газопроницаем, чем слой кокса. Если этого не де­лать, то основная часть газов будет двигаться по зонам с малым сопротивлением шихты и покидать печь с высокой тем­пературой, т.е. с недоиспользованной тепловой энергией и с неполностью использованной восстановительной способнос­тью. В то же время в участках с большим сопротивлением шихты газов будет проходить мало и шихта будет плохо на­гретой и восстановленной, что потребует дополнительного расхода тепла в нижней части печи, т.е. увеличения расхо­да кокса.

При загрузке прежде всего учитывают следующее: дутье поступает в печь у стен и сопротивление газам у гладких стен меньше, чем в объеме шихты, в связи с чем газы стре­мятся двигаться у стен. Поэтому целесоообразно, чтобы у стен были толще слои менее газопроницаемого агломерата, а в центре — толще слои кокса, что способствует перераспределению газового потока к центру. По окружности же печи материалы должны располагаться равномерно.

Помимо тепла, вносимого нагретым дутьем, основным источ­ником тепла для нагрева шихты и газов, расплавления чугу­на и шлака, обеспечения процессов восстановления и ком­пенсации теплопотерь является тепло, выделяющееся в верх­ней части горна при сгорании топлива (кокса и зачастую вводимых для замены части кокса природного газа, нефте­продуктов и угольной пыли). Горячие газообразные продукты сгорания движутся из горна вверх, отдавая тепло опуска­ющимся вниз холодным шихтовым материалам, нагревая их, а сами охлаждаются. Поэтому по мере отдаления от горна к верху температура в печи понижается с 1400—1600 до 200—350 °С на выходе из колошника.

Вместе с тем, на одном и том же горизонте печи (попе­речном сечении) температура не является постоянной и изменяется в довольно широких преде­лах. Это объясняется тем, что под­нимающиеся горячие газы движутся по сечению печи неравномерно; макси­мальное количество газов проходит в участках поперечного сечения с меньшим сопротивлением шихты и здесь наблюдаются наибольшие темпе­ратуры. При изменении режима движе­ния газов распределение температур по высоте и сечению печи может меняться.  

Удаление влаги.Шихта, загружаемая в доменную печь, содержит гигроско­пическую влагу (например, в коксе 0,5-5 %), а иногда гидратную влагу. Гигроскопическая влага легко испаряется на колошнике, и для ее удаления не требуется дополнительного тепла, так как температура колошниковых газов выше темпе­ратуры испарения влаги.

Гидратная влага появляется лишь при загрузке в печь железных руд (она находится в соединении с Fe₂O₃ в буром железняке). Эти соединения разлагаются при 400-1000 °С с по­глощением тепла. Однако в связи с тем что в настоящее время сырые руды почти не используются, выделение гидратной влаги заметного влияния на ход плавки не оказывает.

Разложение карбонатов.Карбонаты (углекислые соединения) могут поступать в до­менную печь в виде известняка СаСО₃ (иногда он содержит немного СаСО₃ · MgCO₃), с карбонатной железной рудой (FeCO₃) и марганцевой рудой (МnСО₃). При нагреве карбона­ты разлагаются на СО₂ и оксид металла с поглощением при этом тепла.

В настоящее время сырые руды в доменные печи почти не загружают; известняк, необходимый для внесения в доменный шлак СаО, вводят в шихту агломерации и лишь в отдельных случаях для повышения основности шлака немного известняка добавляют в печь. Здесь известняк интенсивно разлагается при температурах ~1000 °С и выше по реакции:

СаСО₃ = СаО + СО₂ - 178500 Дж.

Применение офлюсованного агломерата (т.е. полученного с добавкой известняка в шихту агломерации) и полное выве­дение известняка из доменной шихты позволяет экономить кокс. При агломерации процесс разложения известняка обес­печивается сжиганием низкосортного топлива (коксика, антрацитового штыба), а не дорогостоящего дефицитного ме­таллургического кокса.

Восстановление железа.Железо поступает в доменную печь в виде оксидов: агломе­рат вносит Fe₃O₄ и немного Fe₂O₃ и FeO, окатыши - Fe₂O₃ и Fe₃O₄ и железная руда, если ее применяют, — Fe₂O₃ и Fe₃O₄, причем часть этих оксидов находится в виде хими­ческих соединений с другими оксидами.

Основная задача доменного процесса — обеспечение как можно более полного извлечения железа из этих оксидов пу­тем их восстановления. Восстановление заключается в отня­тии кислорода от оксида и получении из него элемента (или же оксида с меньшим содержанием кислорода). Его осуществ­ляют с помощью восстановителя — вещества, к которому пе­реходит кислород благодаря тому, что у восстановителя большее химическое сродство к кислороду, чем у восстанав­ливаемого элемента. Таким образом, в процессе восстановле­ния одно вещество теряет кислород (восстаналивается), а другое приобретает его (окисляется).

В соответствии с выявленными акад. А.А. Байковым зако­номерностями восстановление оксидов железа протекает сту­пенчато от высших к низшим: Fe₂0₃→Fe₃0₄→FeO→Fe.

Поскольку при температурах ниже 570 °С оксид FeO неустойчив и разлагается (на Fe₃O₄ и Fe), схема восста­новления при температурах ниже 570 °С следующая: Fe₂0₃→Fe₃0₄→Fe.

Восстановителями оксидов железа в доменной печи служат углерод, оксид СО и водород. Восстановление углеродом принято называть прямым восстановлением, а газами - кос­венным. Реакции косвенного восстановления оксидом углеро­да следующие:

при температуре > 570 °С :

l) 3Fe₂O₃ + СО = 2Fe₃O₄ + СО₂ ;

2) Fe₃O₄ + СО = 3FeO + СО₂ ;

3) FeO + СО = Fe + СО₂ ;

при температуре < 570 °С :

l) 3Fe₂O₃ + СО = 2Fe₃O₄ + СО₂ ;

4)l/4Fe₃O₄ + СО = 3/4Fe + СО₂ .

Их характерной особенностью является то, что продуктом реакций всегда является СО₂, и то, что они идут без затрат тепла.

Реакции прямого восстановления углеродом протекают с образованием СО и требуют значительных затрат тепла, например:

5)FeO + C = Fe + CO.

Необходимо отметить, что приведенная запись реакции пря­мого восстановления не отражает механизма ее протекания. Дело в том, что непосредственное взаимодействие углерода с твердыми оксидами ограничено, так как поверхность кон­такта между неровными кусками очень мала. Поэтому факти­чески прямое восстановление протекает через газовую фазу и состоит из двух стадий: FeO + СО = Fe + СО₂, СО₂ + С = 2СО, что после суммирования дает итоговую реакцию прямого вос­становления.

Таким образом, главное, что отличает прямое восстанов­ление от косвенного, это расходование углерода, а это оз­начает, что с развитием реакций прямого восстановления сокращается количество углерода, достигающего фурм. В настоящее время степень прямого восстановления на печах, работающих без применения природного газа или ма­зута, составляет 40—60 %, а на печах, в которых применяют углеводородные добавки, - 20-40 %. Наивыгоднейшая степень прямого восстановления, при которой достигается минималь­ный расход кокса, меньше приведенных величин, и поэтому необходимо принимать все меры для улучшения условий восстановления шихты газами, т.е. для повышения степени косвенного вос­становления (вдувание восстановительных газов, улучшение распределения газов в печи, подготовка шихты), что обес­печит снижение расхода кокса.

Доменную печь условно делят на зону косвенного восстановления (зона с темпера­турами < 900-1000 °С) и зону, где может протекать лишь прямое восстановление (зона прямого восстановления с тем­пературами выше 900-1000 °С).

Косвенное восстановление водородом, содержание которо­го в атмосфере доменной печи может достигать 8-12 %, про­текает по следующим реакциям:

3Fe₂O₃ + Н₂ = 2Fе₃О₄ + Н₂О;

Fe₃0₄ + Н₂ = ЗFеО + Н₂О;

FeO + Н₂ = Fe + Н₂О.

Опыт показал, что в доменной печи водород является более энергичным восстано­вителем, чем СО. Добавка водорода и повышение его кон­центрации в газовой фазе ведет к ускорению процесса вос­становления и увеличению степени косвенного восстановле­ния железа. Это объясняется двумя причинами. Во-первых, благодаря малым массе и размерам молекул водорода они более подвижны, чем СО, быстрее диффундируют в поры агло­мерата и проникают в более мелкие поры и трещины, куда молекулы СО проникнуть не могут, — все это заметно увели­чивает поверхность взаимодействия. Во-вторых, известно, что молекулы Н₂ многократно участвуют в процессе восста­новления. Эта особенность водорода как восстановителя связана с тем, что при температурах доменного процесса и наличии избытка углерода и СО водяные пары существовать в печи не могут. В зоне высоких температур (850—1000 °С и более) пары Н₂О разлагаются углеродом: Н₂О + С = Н₂ + СО; при температурах ниже 810°С идет реакция: Н₂О + СО = Н₂ ++ СО₂. Соответственно Н₂О, образующаяся при реакциях вос­становления водородом, тут же взаимодействует с углеродом кокса, либо с СО по приведенным выше реакциям и вновь пе­реходит в водород. Этот образовавшийся водород вновь ре­агирует с оксидами железа и так несколько раз по мере подъема от горна до колошника. Иначе говоря, происходит регенерация водорода с его повторным участием в восста­новлении. Сам же водород в процессе восстановления явля­ется как бы промежуточным реагентом или переносчиком кис­лорода от оксидов железа к СО или углероду и в конечном счете к газовой фазе печи. При этом количество водорода в газовой фазе может не изменяться.

В целом ход процесса восстановления железа в доменной печи можно охарактеризовать следующим образом. Во всем объеме печи, начиная от верха колошника до участков с температурой 900—1000 °С, протекают процессы косвенного восстановления газом СО и отчасти водородом. В этой зоне косвенного восстановления все высшие оксиды железа успе­вают восстановиться до FeO, а часть FeO восстанавливается до железа, причем частицы восстановленного железа обнару­живаются уже в колошнике. Вместе с тем, часть FeO восста­навливается до железа прямым путем в зоне высоких темпе­ратур (> 900—1000 °С). При этом в зонах с температурами свыше 1100—1250 °С, когда сформировался шлак, железо вос­станавливается прямым путем из жидкого шлака при стекании его капель вниз между кусками кокса. Железо при восстано­влении получается в твердом виде; частицы железа, восста­новившиеся из материалов, находящихся в твердом виде, имеют форму губки.

В доменной печи железо восстанавливается почти пол­ностью. Степень восстановления железа составляет 0,99—0,998, а это означает, что 99—99,8 % железа перехо­дит в чугун и лишь 0,2—1,0 % переходит в шлак.

Восстановление марганца. При выплавке передельных чугунов марганец в доменную печь попадает в составе агломерата и иногда в составе добав­ляемых небольших количеств марганцевых руд, а при выплав­ке ферромарганца в составе марганцевого агломерата или марганцевых руд.

Марганец в рудах находится главным образом в виде МnО₂, Мn₂О₃ и Мn₃О₄, а в агломерате — в виде силикатов марганца МnО·SiO₂ и (МnО)₂ · SiO₂.

Восстановление марганца из оксидов протекает ступенча­то от высших оксидов к низшим:

МnО₂ → Мn₂О₃ → Мn₃О₄ → МnО → Мn.

Высшие оксиды марганца непрочны и восстанавливаются газом СО при невысоких (200-500 °С) температурах в верхней час­ти шахты печи по следующим реакциям косвенного восстанов­ления:

2МnО₂ + СО = Мn₂О₃ + СО₂;

 ЗМn₂О₃ + СО = 2Мn₃О₄ + СО₂;

Мn₃О₄ + СО = ЗМnО + СО₂.

Низший оксид марганца - МnО является химически более прочным и восстанавливается только прямым путем, требуя значительного (- 288290 Дж) расхода тепла:

МnО + С = Мn + СО.

В присутствии железа, растворяющего марганец, процесс восстановления получает заметное развитие при 1100-1300 °С.

Восстановительные условия доменной плавки таковы, что восстанавливается не весь марганец, внесенный шихтой. При выплавке передельных чугунов степень восстановления мар­ганца составляет 55-65%, остальная часть марганца остается в шлаке в виде МnО. Из сказанного следует, что содержание марганца в чугуне будет в первую очередь опре­деляться его содержанием в шихтовых материалах.

Восстановление кремния.Кремний присутствует в рудах главным образом в виде крем­незема, а в агломерате — в виде силикатов железа и каль­ция. Сродство кремния к кислороду очень велико, поэтому он может восстанавливаться в печи только прямым путем по следующей реакции:

SiO₂ + 2С = Si + 2СО.

В доменной печи при температурах 1200-1250°С, когда уже сфор­мирован жидкий шлак, основная часть кремния во­сстанавливается прямым путем из SiO₂, находящегося в шла­ке при стекании его капель в горн между кусками кокса.

Условиями, благоприятствующими восстановлению кремния, являются высокая температура в горне и прилегающем к нему объеме печи. При выплавке передельного чугуна восстанавливается 2—8 % кремния шихты (остальной остается в шлаке в виде SiO₂), и чугун содержит от 0,5 до 1,0 и иногда до 1,2 % кремния. Изменение содержания кремния в этих пределах в выпускаемом чугуне служит показателем теплового состояния горна; уменьшение содержания кремния в чугуне свидетель­ствует о снижении температур в горне; повышение темпера­туры в горне и, соответственно, температуры чугуна вызы­вают увеличение содержания кремния в чугуне.

Восстановление фосфора.Фосфор поступает в доменную печь в основном с агломератом и железными рудами в виде фосфатов кальция и железа, которые восстанавливаются при взаимодействии с углеродом кокса и СО при температурах 900 - 1200 °С. Практически весь фосфор шихты переходит в чугун. Таким образом, единственным спо­собом получения чугуна с низким содержанием фосфора яв­ляется использование чистых по фосфору рудных материалов.

Передельные чугуны содержат менее 0,15- 0,30 % фосфо­ра; иногда используют высокофосфористые железные руды, получая чугуны с содержанием фосфора 1,0— 2,0 %.

Восстановление других элементов.Представление о возможности восстановления элементов, входящих в состав доменной шихты, может быть получено на основании термодинамических данных, характеризующих проч­ность их оксидов, т.е. величину их химического сродства к кислороду. Элементы доменной шихты по возрастанию сродст­ва к кислороду располагаются в следующем порядке: Си, As, Ni, Fe, P, Zn, Mn, V, Cr, Si, Ti, Al, Mg, Ca. Соответст­венно, степень восстановления элементов тем меньше, чем правее стоит элемент в приведенном ряду.

Такие элементы как никель, медь, мышьяк, подобно желе­зу и фосфору, почти целиком восстанавливаются в печи и переходят в чугун.

Ванадий и хром восстанавливаются аналогично марганцу — соответственно на 70—80 и на 80-90 %, а титан - аналогич­но кремнию. Степень восстановления титана ниже, чем крем­ния. Алюминий, магний и кальций в доменной печи не вос­станавливаются.

Особо следует отметить поведение цинка. Он содержится в некоторых железных рудах, а также попадает в доменные печи в составе добавляемых в шихту железосодержащих отхо­дов — конвертерных шламов, колошниковой пыли и др. Посту­пая в печь в основном в виде ZnO, он легко восстанавли­вается при температурах > 950 °С: ZnO + С = Zn + CO и, испаряясь, поднимается с газами вверх. В зонах с умерен­ными температурами Zn вновь окисляется до ZnO, реагируя с СО₂ и оксидами железа. Часть ZnO (10-30%) уносится из печи доменным газом; часть в смеси с сажистым углеродом осаждается на стенках печи, образуя большие настыли; часть осаждается в швах и порах футеровки, вызывая увели­чение ее объема и возможность разрыва кожуха печи; часть осаждается на кусках шихты и опускается вниз, где вновь восстанавливается, создавая циркуляцию цинка в печи, спо­собствуя его накоплению с увеличением вредных отложений.

Образование чугуна.Восстанавливаемое во всем объеме печи железо получается в твердом виде, поскольку температура его расплавления (1535 °С) выше температур, имеющихся в доменной печи; при этом восстановленное из твердых кусков шихты железо полу чается в виде твердой губки. В условиях избытка углерода и СО губчатое железо растворяет углерод (науглероживает­ся). Этот процесс получает заметное развитие уже при тем­пературах 400—600 °С и заключается в том, что на поверх­ности губчатого железа, являющегося катализатором, про­исходит распад СО (2СО = С_саж+СО₂) и выделяющийся сажис­тый углерод переходит в железо, образуя раствор Fe + С = [С] или карбид Fe₃C: Fe + 3C = Fe₃C.

По мере науглероживания температура плавления железа понижается, а само оно опускается в зоны с более высокими температурами. В определенный момент, когда температура плавления науглероженного железа стано­вится равной температуре в печи, железо плавится (пример­но при содержании углерода 2-2,5 % и температуре около 1200 °С) и образуются капли жидкого металла, которые сте­кают в горн между кусками кокса. В жидком виде железо науглероживается еще более интенсивно — при контакте ка­пель с раскаленным коксом и при контакте расплава с кок­сом в горне, происходит растворение углерода кокса в ме­талле: Fe + С_кокс = [С].

В движущиеся капли металла и отчасти в еще твердое же­лезо в небольших количествах переходят на разных горизон­тах печи другие восстановленные элементы (кремний, марга­нец, фосфор и в некоторых случаях ванадий, мышьяк, хром, никель, медь), а также сера. Этот сплав железа с углеро­дом и другими элементами (чугун) скапливается в горне.

Таким образом, формирование чугуна из твердого восста­новленного железа заключается в его науглероживании, рас­плавлении и растворении в нем других восстановленных эле­ментов (обычно это марганец, кремний, фосфор и сера).

Окончательное содержание углерода в чугуне устанавли­вается в горне; оно не поддается регулированию и зависит от температуры чугуна и его состава.

Применительно к современной доменной плавке примерное содержание углерода в чугуне (%) можно опреде­лить по следующей формуле:

С = 4,8 + 0,03Мn - 0,27Si - 0,32Р - 0,032S.

В передельных чугунах содержание углерода обычно сос­тавляет 4,4—4,8 %. Температура чугуна в горне равна 1400—1500 °С.

Образование шлака и его свойства. Помимо чугуна, в доменной печи образуется шлак, в который переходят невосстановившиеся оксиды элементов, т.е. СаО, MgO, A1₂O₃, SiO₂ и небольшое количество МnО и FeO, причем СаО специально добавляют к железорудной шихте для получе­ния жидкого шлака.

Поскольку доменная печь не приспособлена для удаления твердых продуктов плавки, необходимо перевести оксиды SiO₂ и А1₂О₃, имеющие температуру плавления соответственно 1710 и 2050 °С, в жидкую фазу, что достигается добавкой в шихту агломерации флюса — известняка, вносящего оксид СаО, который, взаимодействуя с SiO₂ и А1₂О₃₎ образует легкоплавкие химические соедине­ния. Другой важной функцией шлака яв­ляется десульфурация: в шлак из чугуна удаляется сера.

 Основными стадиями сложного процес­са шлакообразования в доменной печи являются: нагрев и размягчение железосодержащей части шихты, ее плавление, стекание в горн первичного шлака с изменением его состава, присоединение к нему золы кокса, формирование оконча­тельного состава в горне.

При опускании в печи шихтовых материалов сохраняется их слоевое расположение (чередование слоев агломерата и кокса), и материалы остаются твердыми до поступления в участки печи с температурами около 1000—1100 °С, где на­чинается зона пластичности (Рис. 2.23). В верхних наружных слоях этой зоны происходит размягчение и переход в плас­тичное состояние железосодержащих материалов; в толще зоны, где темпера­тура выше, начинается и протекает плавление, а ниже нее (где температуры составляют около 1200—1250 °С) оксидная фаза и восстановленное железо находятся в расплавленном состоянии и твердым остается лишь кокс. Эта зона пластич­ности (или зона первичного шлакообразования) может быть разной по форме и толщине и располагаться на разной высо­те в зависимости от распределения шихтовых материалов и газового потока по сечению печи, расхода кокса и теплово­го состояния горна и печи, расхода дутья, состава и проч­ности агломерага и его восстановимости и ряда других фак­торов. Некоторые возможные случаи расположения пластичной зо­ны даны на Рис. 2.23.

Рис. 2.23. Схемы расположения пластичной зоны в доменной печи

Формирующаяся ниже зоны пластичности жидкая оксидная фаза — расплавленнные пустая порода агломерата и окатышей и невосстановившиеся оксиды FeO и МnО — образует первич­ный шлак. По составу он отличается от конечного шлака в горне, в первую очередь более высоким содержанием FeO (до 5—15 %) и МnО. Первичный шлак каплями стекает в горн че­рез слой кокса ("коксовую насадку"), при этом изменяется его состав. В результате прямого восстановления железа и марганца в шлаке уменьшается содержание FeO и МnО, и он становится более тугоплавким. На горизонте фурм к шлаку присоединяется зола кокса (в основном SiO₂ и А1₂О₃). При движении капель (особенно в горне) в шлак переходит сера. В районе горна в результате восстановления кремния не­сколько уменьшается количество SiO₂ в шлаке.

Конечный шлак на 85—95 % состоит из SiO₂, Al₂O₃ и СаО и содержит, %: 38-42 SiO₂; 38-48 СаО; 6-20 А1₂О₃; 2-12 MgO; 0,2-0,6 FeO; 0,1-2 МnО и 0,6-2,5 серы (в основном в виде CaS). Температура шлака несколько выше температуры чугуна и составляет 1400—1560 °С.

Состав шлака, его физические свойства, основность и количество оказывают существенное влияние на ход доменной плавки и показатели работы печи.

Физические свойства шлака.Состав шлаков для доменной плавки выбирают, исходя, прежде всего, из данных об их температуре плавления и вязкости при различных температу­рах.

Температура плавления шлаков - величина условная, пос­кольку шлаки, как и другие многокомпонентные системы, плавятся в интервале температур. За температуру плавления шлаков принимают температуру ликвидуса (температуру пол­ного исчезновения твердой фазы при нагреве или появления при охлаждении расплава).

Однако для выбора состава шлака недостаточно знать эти температуры, так как некоторые из сплавов становятся хо­рошо подвижными при температуре, значительно превышающей температуру плавления. Например, самый легкоплавкий сплав - СаО · А1₂О₃ · 2SiO₂, содержащий примерно 62 % SiO₂, 14 % А1₂О₃ и 24 % СаО, температура плавления кото­рого равна 1170 °С, приобретает хорошую текучесть лишь при нагреве до 1600 °С. Поэтому необходимо учитывать дан­ные о вязкости шлаков. Вязкость — это внутреннее трение, препятствующее течению жидкости; она является величиной, обратной текучести. Вязкость существенно понижается с ростом температуры. Для нормальной работы доменных печей вязкость шлака должна составлять 0,3—0,6 Па · с. Такой вязкостью обладают реальные домен­ные шлаки с основностью от 0,8 до 1,3 и содержанием 5-20 % А1₂О₃.

Основность шлаков явля­ется их важной технологи­ческой характеристикой. Ее выражают величиной отноше­ния содержания основных ок­сидов в шлаке к содержанию кислотных: CaO/SiO₂ или (СаО + MgO)/SiO₂. При вы­плавке передельных чугунов основность CaO/SiO₂ реальных  доменных шлаков находится, как правило, в пределах   0,9-1,2,   достигая иногда значений 0,8—1,3. С тем, чтобы обеспечивалась бо­лее полная десульфурация (удаление серы из чугуна в шлак), желательно иметь более высокую основность шлака. Однако это требует большего расхода известняка, что уве­личивает количество шлака и поэтому нежелательно. Кроме того, учитывают различие в поведении в домен­ной печи шлаков разной основности. Шлаки с невысокой ос­новностью (1,1—1,0 и ниже), называемые кислыми, в процес­се охлаждения застывают очень медленно, постепенно стано­вясь все более тягучими, что не вносит резких изменений в ход доменного процесса. Основные же шлаки (с основностью 1,3 и более) имеют при высоких температурах более низкую вязкость, чем кислые, но в процессе охлаждения при дости­жении определенной температуры их вязкость резко возрас­тает, и они быстро затвердевают. Работа с такими шлаками нежелательна, так как небольшое непроизвольное изменение состава шлака или температур в печи может вызвать резкое загустевание шлака и расстройство ровного хода печи.

С учетом изложенного, требуемые физические свойства шлака можно было бы достичь при основности (CaO/SiO₂) 0,8—0,9, однако с целью обеспечения более полной десульфурации ее чаще поддерживают более высокой (до 1,1—1,2).

Количество шлака на 1т выплавляемого чугуна (выход шлака) колеблется на разных заводах в пределах от 330—400 до 600—900 кг. Это количество, как и состав шлака, оказы­вает большое влияние на ход плавки и конечные показатели процесса.

Поскольку основу доменных шлаков составляет пустая по­рода железных руд, количество шлака определяется, в пер­вую очередь, степенью обогащения железных руд, возрастая при недостаточной степени обогащения, т.е. при попадании в печь большого количества пустой породы. Наряду с этим количество шлака возрастает при увеличении его основнос­ти, поскольку оно достигается за счет увеличения расхода известняка в шихту, т.е. массы шлакообразуюших.

Всегда стремятся работать с минимальным количеством шлака, поскольку при этом уменьшаются затраты телла на расплавление и нагрев шлака до температур его выпуска и потери тепла со сливаемым шлаком, а также улучшается газопроницаемость шихты, распределение газов и их исполь­зование в печи в связи с уменьшением количества вязких масс в печи. В современных условиях доменной плавки уменьшение выхода шлака на 100 кг на 1 т чугуна дает эко­номию кокса 20—25 кг/т чугуна и увеличивает производи­тельность печи на 3—4 %.

Поведение серы.Сера — вредный элемент в чугуне и стали. Высокое ее со­держание в стали вызывает красноломкость — потерю проч­ности стали при температурах ~ 1100 °С, т.е. при темпера­турах прокатки; кроме того, она понижает ударную вяз­кость, коррозионную стойкость, электротехнические свойст­ва и способность к глубокой вытяжке листовой стали. В связи с этим из-за трудности удаления серы в сталепла­вильных печах, доменный процесс стараются вести так, что­бы по возможности сера удалялась из чугуна в шлак.

Основную часть серы (70—90 %) в доменную печь вносит кокс, а остальную — агломерат и окатыши. При доменной плавке небольшая (не более 5—10 % общего содержания в шихте) часть серы уносится из печи с доменным газом. Остальная сера распределяется между металлом и шлаком в соответствии с реакцией:

[S] + Fe + (СаО) = (CaS) + (FeO).

Полноту ее протекания часто характеризуют коэффициентом распределения серы между шлаком и металлом L_s = (S)/[S], где (S) и [S] — содержание серы соответственно в шлаке и металле, %. Более полному удалению серы (течению реакции вправо) способствуют повышение основности шлака, т.е. содержания в нем СаО и снижение содержания в шлаке FeO. В доменной печи протекание этой реакции облегчено в связи с малым содержанием в шлаке оксида FeO (≤ 0,6 %). Рост температуры вызывает при всех значениях основности заметное увели­чение полноты десульфурации, что объясняют понижением при этом вязкости шлака, ведущем к ускорению процесса перехо­да серы в шлак. Основность же можно увеличивать до опре­деленного уровня, после превышения которого величина L_s снижается, что вызвано начинающимся загустеванием шлака; повышение температуры ведет к сдвигу начала загустевания в сторону большей основности, т.е. позволяет иметь шлаки большей основности и увеличить L_s .

При выплавке передельных чугунов фактические значения коэффициента распределения серы L_S на отечественных печах при основности шлака 1,0 и более составляет 30—70, при меньшей основности может достигать 22; содержание серы в чугуне составляет 0,015—0,05 %, содержание серы в шлаке 0,55—2,0 %.