Невязка баланса указывает на факт накопления калия и натрия, а также свидетельствует об их циркуляции в доменной печи, так как унос с газом и пылью практически остается постоянным. Чем больше невязка, тем меньше степень удаления щелочных материалов со шлаком.
С целью уточнения балансов щелочей выполнили статистическую обработку результатов полных балансов щелочей на четырех доменных печах за пе-риод 1989-1991 гг. Использовали также данные публикаций [5]. На основе этих данных получили эмпирическую зависимость между количеством щелочей, растворяющихся в воде газоочистки, и количеством щелочей, удаляемых с колошниковой пылью: R2OВГО =11,842 * 〖R_2 O〗_КП^0.4872; R2=0.6911 (1), где R2ОBГО и R2ОKП - количество щелочей, растворяющихся в воде газоочистки и выносимых с колошниковой пылью (в процентах от общего прихода) соответственно. Графическая интерпретация полученной зависимости представлена на рис. 1 [Приложение 2. С. 34].
В дальнейшем расчет баланса щелочей производили в соответствии с полученной зависимостью. Анализ показал, что с сентября по ноябрь 2007 г. приход щелочей в ДП-6 уменьшился с 4,5 до 3,5 кг/т [Приложение 2. Рис.2. С. 34], а потом стабилизировался на уровне 3,5 кг/т. Анализ прихода К2О и Na2О показывает, что до февраля 2008 г. приход К2О превышал приход Na2О; с марта по май 2008 г. картина изменилась: при ход в печь Na2О увеличился, превысив приход К2О, а в период с июня по сентябрь 2008 г. приход К2О и Na2О сравнялся. Начиная с января 2008 г., происходило увеличение выноса щелочей из доменной печи [Приложение 2. Рис. 3] с преобладанием К2О [5].
Сопоставление данных рис. 1 и рис. 2 [Приложение 2] показывает, что начиная с апреля 2008 г., вынос К2О превышает его приход в печь, т.е. из печи выводится и ранее накопившийся К2О [5]. В то же время вынос Na2О в период с ян варя по май 2008 г. меньше его прихода, а с июня вы нос и приход выравниваются. Это означает, что с этого времени весь поступающий Na2О выносился, однако в печи все еще циркулировал Na2О, накопившийся ра нее [Приложение 2. Рис. 4].
Полученные статистические зависимости на рис. 5 – 6 [Приложение 2] позволяют сделать следующие заключения о влиянии щелочей на технико-экономические показатели работы печи, дренажную способность горна и на тепловые потери с охлаждающей водой.
С увеличением прихода щелочей в доменную печь ее производительность снижается [Приложение 2. Рис. 5]. Каждый дополнительный килограмм щелочей приводит к снижению производительности на 361 т/сут или 4,5%. Увеличение прихода щелочей приводит к повышению расхода топлива в среднем на 11,3 кг/т (2,3%) на каждый дополнительный килограмм щелочей, поступающих в печь [5].
В качестве показателя, характеризующего дренажную способность горна, использовали индекс DMI [6]. Как видно из рис. 6 [Приложение 2], при уменьшении невязки баланса щелочей, т.е. с уменьшением разницы между приходом и выносом щелочей, значение индекса DMI увеличивается, что свидетельствует об увеличении дренажной способности горна. Механизм
этого влияния связан с меньшим влиянием прихода щелочей на горячую прочность кокса и уменьшением, вследствие этого, образования коксовой мелочи в печи [5]. Дополнительным фактором, оказавшим влияние на улучшение дренажной способности горна в этот период, явилось прекращение загрузки в печь коксового орешка.
Влияние параметров доменной плавки на вынос щелочей из доменной печи
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.
Удаления щелочей из доменной печи через колошник
Характерной особенностью направлений практически всех известных исследований, разработки технических и технологических решений является то, что они велись без должного учета степени и характера накопления щелочей в рабочем пространстве печи, вследствие чего удалению их через колошник не уделялось должного внимания.