Slak en zijn rol bij het maken van hoogovens

Slag en zijn rol bij het maken van hoogovenijzer

Hoogoven (BF) is de oudste (meer dan 700 jaar oud) van de verschillende reactoren die in de staalfabrieken worden gebruikt. Het wordt gebruikt voor de productie van vloeibaar ijzer (heet metaal). De hoogoven is een complexe tegenstroomreactor op hoge temperatuur en heeft de vorm van een schacht waarin ijzerhoudende materialen (erts, sinter/pellet) en cokes afwisselend aan de bovenkant worden geladen, samen met fluxmaterialen (kalksteen, dolomiet enz.) om een ​​gelaagde last in de oven te creëren. Voorverwarmde lucht wordt vanuit het onderste deel van de oven door blaaspijpen ingeblazen. Deze hete lucht reageert met de cokes om reducerende gassen te produceren. Aflopende ertsbelasting (ijzeroxiden) wordt verminderd door de opstijgende reducerende gassen en wordt gesmolten om ruwijzer te produceren. De ganggesteentematerialen en cokesas smelten om slakken te vormen met de stromende materialen. De vloeibare producten (ruwijzer en slak) worden met bepaalde tussenpozen uit de oven afgetapt (afgetapt) via het kraangat. De kwaliteit van het verkregen ruwijzer is afhankelijk van de vorming van de slak en zijn mineralogische transformaties. Een goede kwaliteit slak is noodzakelijk voor een kwaliteit ruwijzer. De slak is een mengsel van laagsmeltende chemische verbindingen gevormd door de chemische reactie van het ganggesteente van de ijzerhoudende last en cokesas met de fluxmaterialen in de lading. Alle niet-gereduceerde verbindingen zoals silicaten, aluminosilicaten en calciumaluminiumsilicaat enz. voegen zich ook bij de slak.

Het is algemeen bekend dat de componenten van slakken, namelijk silica (SiO2) en aluminiumoxide (Al2O3) de viscositeit verhogen, terwijl de aanwezigheid van calciumoxide de viscositeit verlaagt. De smeltzone van slak bepaalt de samenhangende zone van hoogovens en daarom spelen de vloeibaarheid en smelteigenschappen van slak een belangrijke rol bij het bepalen van de productiviteit van de hoogoven. Aanvankelijk wordt ijzerrijke slak gevormd en daarna door de assimilatie van calciumoxide (CaO) en magnesiumoxide (MgO) uit fluxmaterialen, varieert de samenstelling van slakken. Terwijl de slak naar beneden druppelt, assimileert het SiO2 en Al2O3 van as, gegenereerd door de verbranding van de cokes. Het proces van naar beneden druppelen hangt af van de vloeibaarheid (lage viscositeit) van de slak, die verder wordt bepaald door de samenstelling en temperatuur.

De slak moet de affiniteit hebben voor het absorberen van onzuiverheden, d.w.z. ganggesteente van lading, samen met andere schadelijke onzuiverheden die de kwaliteit van ruwijzer beïnvloeden. Het is essentieel om het gedrag van slakken te kennen in termen van de chemische samenstelling, de mineralogische samenstelling en het vermogen om te reageren en de kleine onzuiverheden op te vangen. Ook moet de slak vrij stromend zijn bij de bedrijfstemperatuur met een hoge slak-metaalscheiding zonder metaal in te sluiten. De verschillende eigenschappen van het eindproduct worden dus direct beïnvloed door de samenstelling van de slak. Zo spelen de fysisch-chemische eigenschappen van slakken een belangrijke rol bij de werking van de hoogoven.

De eindslak van de hoogoven die wordt geproduceerd tijdens de productie van ruwijzer wordt voornamelijk beschouwd als een mengsel van de vier oxiden, namelijk (i) SiO2, (ii) Al2O3, (iii) CaO en (iv) MgO. De minder belangrijke componenten van slak zijn (i) ijzeroxide (FeO), (ii) mangaanoxide (MnO), titaanoxide (TiO2), alkaliën (K2O en Na2O) en zwavelhoudende verbindingen. Er zijn vier soorten slakken met verschillende samenstellingen die in verschillende regio's in de hoogoven worden geproduceerd. (Figuur 1). Dit zijn (i) primaire slakken, (ii) bosslakken, (iii) blaaspijpslakken en (iv) eindslakken. Deze vier soorten slakken worden respectievelijk gegenereerd in de (i) cohesieve zone, (ii) druipzone, (iii) toevoerkanaal en (iv) haard. Het is de laatste slak die wordt getapt en daarom is het voor een goede taping noodzakelijk dat deze de juiste vloeibaarheid heeft (lage liquidustemperatuur en lage viscositeit).

Fig 1 Soorten BF-slakken en regio's van hun generatie

Voor een vlotte werking van de hoogoven moet de slak aan de volgende voorwaarden voldoen.

• Het volume van de slak moet zo laag mogelijk zijn.
• De slak moet capaciteit hebben voor het verwijderen van de alkaliën,
• Het is om te voldoen aan de vereisten voor de ontzwaveling.
• De samenstelling van de primaire slak moet uniform zijn.
• Slagvorming moet worden beperkt tot een beperkte hoogte van de hoogoven en de slak moet stabiel zijn.
• De slak moet zorgen voor een goede doorlaatbaarheid in de zone van slakvorming.
• Het smeltpunt van de slak mag niet te hoog en niet te laag zijn.
• De uiteindelijke slak moet voldoende vloeibaar zijn zodat het via het kraangat kan worden afgevoerd,

Onder invloed van de vloeimiddelen bij de heersende temperatuur beginnen de ijzerhoudende materiaallagen zacht te worden en te smelten in de cohesieve zone, wat de doorlaatbaarheid van de laag die de materiaalstroom (gas/vaste stof) in de oven regelt sterk vermindert. Het is de zone in de oven die wordt begrensd door het zacht worden van de ijzerhoudende materialen aan de bovenkant en het smelten en stromen ervan aan de onderkant. Een hoge verwekingstemperatuur in combinatie met een relatief lage stroomtemperatuur zou een nauwe samenhangende zone lager in de hoogoven vormen. Dit zou de afstand die de vloeistof in de oven daar aflegt verkleinen door de siliciumopname te verminderen. Aan de andere kant zal de laatste slak die door het bosgebied naar de haard van de oven druppelt, een korte slak zijn die begint te stromen zodra hij zacht wordt. Het smeltgedrag is dus een belangrijke parameter om de effectiviteit van de BF-slak te evalueren.

De vloeibaarheid van de slak in een hoogoven beïnvloedt het verwekings-smeltgedrag in de cohesieve zone, de doorlaatbaarheid in het onderste deel van een oven als gevolg van vloeistofophoping in de druppelzone, de vloeistofstroom in de ovenhaard en het vermogen van de afvoer van de slak door het kraangat. Het beïnvloedt ook zijn ontzwavelingsvermogen. De vloeibaarheid van de slak wordt beïnvloed door temperatuur en samenstelling, waarbij de laatste wordt beïnvloed door de ertsganggesteentemineralen en asmaterialen van de cokes en de poederkool.

Hoogovenslakken behoren hoofdzakelijk tot drie slakkensystemen, namelijk (i) tertiair systeem van CaO– Al2O3–SiO2, (ii) quaternair systeem van CaO– Al2O3–SiO2– MgO, en (iii) quinaire systeem van CaO– Al2O3–SiO2– MgO– TiO2. Over het algemeen is het belangrijkste werkgebied van hoogovenslakken voor een goede vloeibaarheid in het quinaire systeem (SiO2-Al2O3-CaO-MgO-TiO2) liquidus-diagram de melilietfase (vaste oplossingen van kermaniet, Ca2MgSi2O7 en gehleniet, Ca2Al2SiO7).

De samenstelling van hoogovenslakken heeft een zeer belangrijke invloed op de fysisch-chemische eigenschappen ervan, die van invloed zijn op de mate van ontzwaveling, soepelheid van de werking, slakverwerking, cokesverbruik, gasdoorlaatbaarheid, warmteoverdracht, productiviteit van ruwijzer en de kwaliteit ervan enz. De slakeigenschappen die het meest van invloed zijn, zijn viscositeit, sulfidecapaciteit, alkalicapaciteit en liquidustemperatuur. Deze eigenschappen hebben een grote invloed op het totale hoogovenproces. De viscositeit van de slak wordt sterk beïnvloed door de chemische samenstelling, structuur en temperatuur.

Slakviscositeit is een transporteigenschap die verband houdt met de reactiekinetiek en de mate van reductie van de uiteindelijke slak. De slakviscositeit bepaalt ook de slak-metaalscheidingsefficiëntie en vervolgens de metaalopbrengst en het vermogen om onzuiverheden te verwijderen. In bedrijf is de slakviscositeit indicatief voor het gemak waarmee slak uit de oven kan worden getapt, en heeft daarom betrekking op de energiebehoefte en winstgevendheid van het proces.

Als de ovenbesturing de mogelijkheid heeft om de viscositeit van de slak en de liquidustemperatuur te voorspellen, heeft deze de potentie om de analyse en besluitvorming tijdens de werking van de hoogoven te optimaliseren. In dat geval vervangt het het gebruik van vuistregels met betrekking tot slakkensamenstellingen. Hiervoor zijn in het verleden verschillende pogingen gedaan om viscositeiten voor verschillende slakkensystemen te meten en te modelleren.

Vloeibare slakken kunnen worden geclassificeerd als een Newtonse vloeistof waarbij de afschuifviscositeit onafhankelijk is van de afschuifsnelheid, en daarom dynamische viscositeit genoemd. Viscositeit wordt grotendeels beïnvloed door binding en de mate van polymerisatie, waarbij SiO2 en Al2O3 bijdragen aan hogere viscositeiten met hun sterk covalente bindingen. Daarentegen vertonen monooxiden zoals CaO en MgO ionisch gedrag, wat leidt tot de vernietiging van silicaatketens en verlaging van de viscositeit. Dit geldt alleen voor het vloeibare slak-fasesysteem, en in het meerfasensysteem leidt een toename van monoxiden tot hogere activiteiten van vaste fasen en mogelijke precipitatie van vaste stoffen, wat de effectieve (waargenomen) viscositeit verhoogt.

Bij een typische bewerking waarbij het mogelijk is de samenstelling van de slak te veranderen, hebben veranderingen in de samenstelling gewoonlijk tegengestelde effecten. Het bereiken van een lagere viscositeit bij hogere basiciteiten zal bijvoorbeeld waarschijnlijk worden geassocieerd met het nadelige effect van een verhoogde liquidustemperatuur. Naast de effecten op de fysisch-chemische eigenschappen, beïnvloedt de basiciteit van de slak ook het zwavel (en tot op zekere hoogte het fosfor) verwijderingsvermogen van de slak, en het siliciumgehalte van het ruwijzer. Hogere basiciteiten leiden tot hogere zwavelwaarden in de slak en lagere siliciumwaarden in het metaal.

Slakken met een laag Al2O3-gehalte hebben over het algemeen een lage viscositeit, een hoge sulfidecapaciteit en een lage liquidustemperatuur, evenals een lager slakvolume dan slakken met een hoog Al2O3-gehalte, waarbij Al2O3 gewoonlijk meer dan 15% is. Hoge Al2O3-slakken komen vooral voor bij Indiase hoogovens vanwege de hoge Al2O3/SiO2-verhouding in zowel het ijzererts als de sinter en het hoge asgehalte in de cokes. Deze slakken hebben een hoge viscositeit.

De viscositeit van vloeibare slakken wordt voornamelijk bepaald door de temperatuur en de chemische samenstelling. De temperatuurafhankelijkheid van viscositeit over een bepaald temperatuurbereik wordt meestal beschreven door de Arrhenius-vergelijking zoals hieronder weergegeven.

N =A exp (E/RT)

Waar

N =Slakkenviscositeit

A =Pre-exponentiële term

E =Activeringsenergie van viskeuze stroom

R =Gasconstante

T =Absolute temperatuur

Silicaatslakken zijn opgebouwd uit Si4+-kationen die zijn omgeven door 4 zuurstofanionen die zijn gerangschikt in de vorm van een regelmatige tetraëder. Deze SiO4 4-tetraëders zijn met elkaar verbonden in kettingen of ringen door zuurstof te overbruggen. Viskeuze stroom in slakken hangt af van de mobiliteit van ionensoorten in het systeem, die op hun beurt weer afhangt van de aard van de chemische binding en de configuratie van ionensoorten. De interionische krachten in het geval van slakken zijn afhankelijk van de grootte en lading van de betrokken ionen. Het is dus normaal om te verwachten dat sterkere interionische krachten leiden tot een toename van de viscositeiten. Bij silicaatsmelten met een hoog silicagehalte veroorzaken de polymere anionen een hoge viscositeit. Met toename van de metaaloxideconcentraties, breken de Si-O-bindingen geleidelijk af en neemt de grootte van het netwerk af, vergezeld van een verlaging van de viscositeit van slakken. Het is aangetoond dat de toevoeging van alkalioxiden tot 10-20 mol% leidt tot een drastische daling van de viscositeiten door depolymerisatie.

Bij hoogovenslakken is altijd aluminiumoxide aanwezig en vormen de AlO4 5-groepen polymeereenheden met SiO4 4-. In de slakken die CaO-MgO-SiO2-Al2O3 bevatten, verhoogt aluminiumoxide de viscositeit zoals het silica doet. Aan de andere kant hebben kalk en magnesiumoxide, de leveranciers van zuurstof, het tegenovergestelde effect op de viscositeit.

De viscositeit van slakken hangt af van samenstelling en temperatuur. Een lage viscositeit helpt niet alleen de reactiesnelheden te bepalen door het effect op het transport van ionen in de vloeibare slak van en naar het slak/metaal-reagerende grensvlak. Het zorgt ook voor een vlotte werking van de hoogoven. Zowel een toename van basische oxiden als die van temperatuur boven de liquidustemperatuur van de slak verlagen de viscositeit. In het geval van het systeem CaO-MgO-Si02-Al2O3 zijn aluminiumoxide en silica op molaire basis niet equivalent in hun effect, hoewel beide de viscositeit van deze smelten verhogen. Het effect van het aluminiumoxide op de viscositeit hangt af van het kalkgehalte van de slak. Dit komt omdat Al3+ Si4+ in het silicaatnetwerk alleen kan vervangen als het wordt geassocieerd met 1/2 Ca2+ om de elektrische neutraliteit te behouden.

Het smeltgedrag van de slak wordt beschreven in termen van vier karakteristieke temperaturen, namelijk (i) de initiële vervormingstemperatuur (IDT) die de plakkerigheid van het oppervlak symboliseert, belangrijk voor beweging van het materiaal in vaste toestand, (ii) de vaste toestand (ST) die plastic symboliseert vervorming, die het begin van plastische vervorming aangeeft, (iii) de hemisferische temperatuur (HT), die ook de fusie- of liquidustemperatuur is, die een trage stroming symboliseert, een belangrijke rol speelt in de aerodynamica van de oven en warmte- en massaoverdracht, en (iv ) de stroomtemperatuur (FT) die de mobiliteit van vloeistoffen symboliseert.

De in de cohesieve zone gevormde slak is de primaire slak die wordt gevormd met FeO als het primaire fluxbestanddeel. De solidustemperatuur, fusietemperatuur, solidus-fusie-interval worden significant beïnvloed door FeO. Deze slak is totaal anders dan de uiteindelijke slak waarbij het vloeien voornamelijk wordt veroorzaakt door de aanwezigheid van basische bestanddelen zoals CaO of MgO. Hoewel het niet mogelijk is om primaire slak uit de hoogoven te halen, is het altijd mogelijk om in het laboratorium een ​​synthetische slak te bereiden die lijkt op de primaire slak en de stromingseigenschappen ervan te bestuderen. De uiteindelijke slak is een slak met een klein verschil tussen de ST en FT. Zo'n slak krijgt vloeibare mobiliteit en druppelt zo snel mogelijk door de oven weg van de plaats waar hij plastisch begint te vervormen. Deze actie legt nieuwe plaatsen bloot voor verdere reactie en is vermoedelijk verantwoordelijk voor verhoogde slak-metaalreactiesnelheden, die de werking van de hoogoven en de kwaliteit van het metaal beïnvloeden.

Het stromingskenmerk van hoogovenslakken wordt sterk beïnvloed door de mate van reductie van ijzeroxide bij lage temperatuur (in de granulaire zone) naast beïnvloed door de samenstelling, en de kwaliteit en de hoeveelheid van het ganggesteente in de ijzerhoudende materialen. De CaO/SiO2-verhouding en het MgO-gehalte van de hoogovenslak hebben een grote invloed op de verwekings-smelteigenschappen. De beschikbaarheid van MgO later in het proces resulteert vaak in een klein temperatuurbereik van de cohesieve zone, wat resulteert in een betere permeabiliteit van het bed, wat op zijn beurt het cokesverbruik en de kwaliteit van het geproduceerde ruwijzer beïnvloedt.

De toename van Al2O3 in het ijzererts beïnvloedt niet alleen de sterkte van de sinter, maar ook de eigenschappen ervan bij hoge temperaturen in de cohesieve zone. De Al2O3-concentratie in de slak wordt beschouwd als een factor die de vloeibaarheid van de slak verslechtert en de liquidustemperatuur verhoogt. De effecten van hoog aluminiumoxide in de slak zijn als volgt.

• Slakken met een hoog aluminiumoxidegehalte hebben een hoge viscositeit voor constante basiciteit (CaO/SiO2). Met een toename van basische oxiden en die van temperatuur boven de liquidustemperatuur van slak, neemt de viscositeit van slakken met een hoog aluminiumoxidegehalte echter tot op zekere hoogte af.
• Hogere aluminiumoxideslakken hebben een grotere neiging tot siliciumreductie en er is een neiging tot toename van het siliciumgehalte van hete metalen.
• Het zwavelgehalte van het hete metaal heeft de neiging toe te nemen naarmate het aluminiumoxidegehalte van de slak toeneemt. Vandaar dat de hoge aluminiumoxideslak bijdraagt ​​aan een minder efficiënte ontzwaveling.
• De drukval in de druppelzone neemt toe naarmate de Al2O3-concentratie in de slak toeneemt. Zelfs als de verhouding CaO/SiO2 toeneemt, neemt de drukval in de druppelzone toe.

Het verslechterende effect van hoog aluminiumoxide in de slak wordt gecompenseerd door het verhogen van het MgO-gehalte. De aluminiumoxideconcentratie in de slak wordt in veel landen semi-empirisch vastgesteld op de bovengrens van ongeveer 16% om de ophoping van de ijzerslak en de verslechtering van de doorlaatbaarheid in het onderste deel van de hoogoven te voorkomen.