Hoogovenslak: Essentieel voor optimale ovenbedrijf

Hoogovenslak en zijn rol in ovenbedrijf

Het belang van hoogovenslak (BF) voor het bereiken van soepel bedrijf van de BF wordt geïllustreerd door het oude gezegde 'als je goed voor de slak zorgt, zal de oven de rest zorgen'. Er is een enorme hoeveelheid werk gedaan aan de BF-slak, bestudeerend de eigenschappen, formatiemechanismen en impact op de ovenoperaties. Een goede kwaliteit slak is noodzakelijk voor het produceren van goede kwaliteit gietijzer in de BF.

BF-slakpraktijk moet voldoen aan bepaalde eisen voor efficiënte BF-operatie. Deze eisen omvatten (i) het moet alle niet-gereduceerde vluchtige componenten van de lading absorberen en uit de BF verwijderen, (ii) het moet vloeibaar zijn met lage viscositeit, (iii) het moet in staat zijn om de zwavel voornamelijk in de brandstoffen te absorberen, (iv) het moet zo weinig mogelijk ijzeroxide bevatten om de opbrengst van het gietijzer te verhogen, (v) het volume moet zo laag mogelijk zijn zonder de desulfering te beïnvloeden, (vi) het temperatuurbereik waar de ladingcomponenten cohesief worden moet smal zijn voor betere permeabiliteit van de ladingkolom, en (vii) de kwaliteit moet zodanig zijn dat het verwerkt kan worden tot verkoopbaar materiaal. Deze eisen zijn deels complementair en deels wederkerig uitsluitend. Het is daarom nodig om prioriteiten te stellen.

Gelukkig zijn er algemene relaties die een meer praktische blik op de aard van slakken bieden die op dagelijkse basis gebruikt kunnen worden. Het is echter belangrijk om een basiskennis te hebben van de fundamentele aard van de BF-slak om de algemene relaties te begrijpen.

Fundamentelen van BF-slak

De fundamentelen van de BF-slak zijn complex. Op ongeveer 40%, is zuurstof het grootste enkele element in slak. Slak is dus een oxidesysteem en ionisch van aard. Vanwege de aard van het BF-proces, is slakformatie een meervoudig proces met aanzienlijke veranderingen in samenstelling en temperatuur. De vier primaire componenten van de BF-slak zijn SiO2 (silica), CaO (kalk), MgO (magnesia), en Al2O3 (alumina). Deze vier componenten vormen talloze verbindingen wat resulteert in een wijd scala aan chemische en fysische eigenschappen. De mindere componenten van slak zijn van bijzonder belang met betrekking tot gietijzerchemie en ovencontrole en voegen complexiteit toe aan de fysisch-chemische eigenschappen van slak.

De fundamentelen van BF-slak omvatten kwesties gerelateerd aan het BF-proces. Deze kwesties omvatten de slakformatie, stroom in de hearth, de moleculaire structuur van slak en hoe de structuur relaties heeft met de chemische indices bekend als basiciteit, slaksolidificatie, en de impact van veranderingen van de thermische toestand van de oven op slaksamenstelling.

Slakformatie – BF is een gepresuriseerde, counter-current warmtewisselaar, refluxerend, gas-stof-vloeistof, gepakte bed reactor. Het heeft drie primaire functies, namelijk (i) reduktie van ijzeroxiden tot metaalijzer (ii) smelting van het metaalijzer en oxiden, wat voorziet in de (iii) scheiding van de onzuiverheden van de lading en brandstof van het vloeibare ijzer. Deze kenmerken van het proces leiden tot de verdeling van de oven in drie verticale zones met betrekking tot slakken (i) namelijk (i) granulaire zone, (ii) slakformatiezone, en (iii) hearth zones. Deze drie zones en enkele specifieke reacties voor elke zone zijn gegeven in Fig 1.

Fig 1 Hoogovenzones en zonereacties

De granulaire zone bevindt zich in het bovenste deel van de oven waar alle geladen componenten in vaste fasen zijn. De granulaire zone wordt begrensd door de voorraadlijn aan de top en door het begin van de formatie van vloeibare fasen, de cohesieve zone, aan de bodem. Terwijl de lading daalt door de granulaire zone, wordt het verwarmd door gassen van het lagere deel van de oven en een deel van de reduktie van de ijzeroxiden wordt uitgevoerd. De hoeveelheid reduktie die in de granulaire zone plaatsvindt, is een functie van de aard van de ijzerhoudende materialen, ladingverdeling, en de gassamenstelling en strooampatronen.

De slakformatiezone begint bij de cohesieve zone, waar verzachting van de lading begint, en loopt door tot onder de tuyere-elevatie. De slakformatiezone omvat dus de cohesieve zone, actieve cokeszone, dode man, en raceway. De slak gevormd in het bovenste deel van de slakformatiezone heet de 'bosh' of 'primaire' slak, en de slak die de zone aan de bodem verlaat is de 'hearth' slak. De primaire slak wordt normaal aangenomen samengesteld uit alle ladingsslakcomponenten inclusief de ijzeroxiden niet gereduceerd in de granulaire zone, maar omvat niet de as van de cokes of geïnjecteerde kool. De slaksamenstelling verandert naarmate het in de oven daalt door de absorptie van cokesas en koolas, zwavel en silicium uit het gas, en de reduktie van het ijzeroxide. De temperatuur van de slak neemt in de orde van 500 graden C toe naarmate het daalt naar de tuyere-elevatie. Deze veranderingen in samenstelling en temperatuur kunnen de fysische eigenschappen van de slak aanzienlijk beïnvloeden, specifiek de vloeistofstemperatuur en de viscositeit.

De derde zone is de slaklaag in de hearth van de oven. De slak geproduceerd in de slakformatiezone verzamelt in de slaklaag, vult de gaten in de hearth cokes en 'drijft' op de gietijzerlaag. Het gietijzer passeert door de slaklaag om de gietijzerlaag te bereiken. Het hoge oppervlaktegebied tussen het gietijzer en slak als het gietijzer door de slaklaag passeert verbetert de kinetiek van de chemische reacties. Deze reacties resulteren in aanzienlijke veranderingen in de gietijzerchemie. In het bijzonder de [Si] en [S] inhoud voordat de slaklaag binnenkomt zijn veel hoger dan die in de gietijzerlaag. De formatie van slakken in de slakformatiezone is zeer oven-specifiek vanwege de impact van ladingseigenschappen en ovenoperatie.

Slakstructuur – De conceptualisatie van slakstructuur (Fig 2) is gebaseerd op de structuur gevormd door silica. Op moleculair niveau, bevindt het siliciumatoom zich in het centrum van een tetraëder omringd door vier zuurstofatomen, één zuurstofatoom op elke hoek van de tetraëder zoals getoond in Fig 2a. Elk zuurstofatoom is gebonden aan twee siliciumatomen en dus is elk zuurstofatoom een hoek van twee tetraëders. Het delen van zuurstofatomen resulteert in een polymer of netwerk in drie dimensies in de kristallijne toestand waar alle hoeken gedeeld zijn (Fig 2b). Naarmate silica wordt verwarmd, worden sommige van de hoekbindingen verbroken, maar de polymernatuur van de structuur wordt gehandhaafd zelfs als het gesmolten is zoals getoond in Fig 2c.

Fig 2 Conceptualisatie van slakstructuur

De toevoeging van metalen oxiden, zoals CaO en MgO, breekt de polymerstructuur af. Deze oxiden fungeren als zuurstofdonoren, vervangend een zuurstofatoom in een hoek van een tetraëder en brekend de tetraëder-tot-tetraëder hoekbinding (Fig 2d). De afbraak van de polymerstructuur gaat door met de toevoeging van meer metalen oxiden tot de molaire verhouding van metalen oxiden tot silica twee is, op welk moment alle tetraëder-tot-tetraëder hoekbindingen verbroken zijn (Fig 2e). De molaire verhouding van twee is de ortho-silicaat samenstelling, 2CaO-SiO2, 2MgO-SiO2, en CaO-MgO-SiO2. Al2O3 werkt op een vergelijkbare manier als SiO2 in het vormen van polymeren en het accepteren van zuurstofatomen van basische oxiden. Oxiden die zuurstof accepteren, SiO2 en Al2O3, worden aangeduid als zuuroxiden. Oxiden die zuurstof doneren, CaO en MgO, worden aangeduid als basische oxiden.

Slakbasiciteit – Het is zeer nuttig bij het relateren van de eigenschappen van een multi-component systeem aan de samenstelling om een index te ontwikkelen op basis van de samenstelling. Het probleem bij het ontwikkelen van een index is hoe de significantie van elk component van het systeem in de index te reflecteren. De verschillende aard van de zuuroxiden (A) en basische oxiden (B) is gebruikt in de ontwikkeling van slaksamenstellingsindices, normaliter basiciteiten genoemd. Voorbeelden van basiciteitsindices die zijn ontwikkeld zijn (i) overtollige basen = {(CaO) + (MgO)} – {(SiO2) + (Al2O3)}, (ii) basiciteit (B/A) = {(CaO) + (MgO)} / {(SiO2) + (Al2O3)}, (iii) Bell's ratio = {(CaO) + 0.7(MgO)} / {0.94(SiO2)+ 0.18(Al2O3)}, en (iv) optische basiciteit = {(CaO) + 1.11(MgO) + 0.915(SiO2) + 1.03 (Al2O3)} / {(CaO) + 1.42(MgO) + 1.91(SiO2) + 1.69(Al2O3)}.

Basiciteitsindices kunnen gegroepeerd worden in algemene categorieën namelijk (i) verschillen tussen de hoeveelheid basen en zuren, zoals getoond in vergelijking (i) hierboven, (ii) basen tot zuren verhoudingen gebaseerd op gewichtspercentages, zoals getoond in vergelijking (ii) hierboven, (iii) basen tot zuren verhoudingen gebaseerd op molaire concentraties, zoals getoond in vergelijking (iii) hierboven, en (iv) som van de basiciteit van elk component en zijn molaire concentratie, zoals getoond in vergelijking (iv) hierboven. Zoals te verwachten op basis van de vorige beschrijving van slakstructuur, neigen die indices die de moleculaire aard van de slaksamenstelling reflecteren, vergelijking (iii) en vergelijking (iv) ertoe om betere voorspellers van slakeigenschappen te zijn. Echter, zoals de index gedefinieerd door vergelijking (ii) waarschijnlijk de meest gebruikte definitie is.

Temperatuursimpact – [Si], basiciteit, en slakvolume – Er is een toename in de hoeveelheid [Si] met de toename van de gietijzertemperatuur in de BF zoals getoond in Fig 3. De hoeveelheid toename in [Si] voor een gegeven temperatuurstoename varieert van oven tot oven, maar de trend is dezelfde voor alle ovens. Naarmate [Si] toeneemt, neemt (SiO2) af en dus neemt de basiciteit toe en het slakvolume af. De hoeveelheid toename in de basiciteit voor een specifieke toename in [Si] is een functie van het slakvolume. Fig 3a toont de verandering in B/A voor initiële slakvolumes van 200 kg/tHM (kilogram per ton gietijzer) en 300 kg/tHM en voor de [Si] en gietijzertemperatuur relatie gegeven op de figuur. De normale trend die hier gedemonstreerd wordt is dat hoe groter het slakvolume, hoe kleiner de verandering in B/A voor dezelfde verandering in [Si] of gietijzertemperatuur.

Fig 3 Temperatuursimpact en slaksolidificatie

Slaksolidificatie – De gangbare definitie van smelttemperatuur geldt alleen voor een eén-component systeem zoals water, waar alleen vloeibaar water bestaat boven de smelttemperatuur en alleen vast water bestaat onder de smelttemperatuur. Slak is een multi-component systeem en heeft dus niet de gangbare definitie van smelttemperatuur behalve bij specifieke samenstellingen. De meerderheid van de slaksamenstellingen hebben zowel vaste als vloeibare fasen aanwezig over een bereik van temperaturen. De laagste temperatuur waarop alleen de vloeibare fase bestaat voor een specifieke samenstelling heet de vloeistofstemperatuur.

Fig 3b toont het solidificatiepad van een slak geïllustreerd op het vereenvoudigde fasendiagram. Start met slak van samenstelling Cstart bij temperaturen waar alleen vloeibare slak bestaat. Naarmate de slak afkoelt, bewegend naar beneden verticaal op het diagram, verandert de samenstelling van de vloeibare slak niet tot de intersectie met de 'liquidus lijn'. De intersectie met de 'liquidus lijn' is de vloeistofstemperatuur voor de samenstelling Cstart. Een heel kleine hoeveelheid van het vaste verbinding vormt bij de vloeistofstemperatuur aan de linkerkant. Drie veranderingen gaan door naarmate de temperatuur verder verlaagd wordt onder de vloeistofstemperatuur namelijk (i) meer van de vaste verbinding wordt gevormd, (ii) de hoeveelheid vloeibare slak neemt af, en (iii) de samenstelling van de vloeibare slak verandert, bewegend naar rechts langs de 'liquidus lijn'. In het voorbeeld, waar de gevormde verbinding 2CaO.SiO2 is, neemt de basiciteit van de vloeibare slak af naarmate de slak afkoelt aangezien 2CaO.SiO2 ongeveer twee keer zoveel CaO bevat als SiO2.

Het solidificatiepad toont hoe een verbinding gevormd kan worden zelfs wanneer de vloeibare slaksamenstelling aanzienlijk anders is dan de samenstelling van de verbinding. Het gewichtsverhouding van CaO tot SiO2 = 1.86 voor de verbinding di-calcium silicaat, 2CaO.SiO2. Terwijl geen BF ooit succesvol geopereerd is met slakken met een CaO tot SiO2 benaderend 1.86, kunnen aanzienlijke hoeveelheden di-calcium silicaat gevormd worden in de slakken van opererende BFs. De formatie van voldoende di-calcium silicaat resulteert in een vaste slak die uiteenvalt in stof bij afkoeling, bekend als een 'vallende' of 'stofvormende' slak. De afbraak wordt veroorzaakt door de 10% volume-uitrekking van di-calcium silicaat als het door een faseverandering gaat bij 675 graden C. De richtlijn gerapporteerd voor het vermijden van een 'vallende' slak is (CaO) minder dan 0.9(SiO2) + 0.6(A2O3) + 1.75(S).

Het is belangrijk te onthouden dat fasediagrammen gebaseerd zijn op evenwichtscondities. Evenwichtscondities impliceren dat de afkoelsnelheid langzaam is ten opzichte van de reactiesnelheid, zoals de formatie van di-calcium silicaat. Het hierboven beschreven solidificatiepad wordt 'overgeslagen' als de afkoelsnelheid zeer hoog is als in slakgranulatie en, in mindere mate, slakpelletisering. De snelle afkoeling vergrendelt de samenstelling in een vast glasfase, waar de kinetiek van de reacties te langzaam is voor de verbindingen te vormen.

Slakstroom in de hearth – De controle van het slakniveau in de hearth is belangrijk voor het handhaven van stabiele ovenoperatie, met name naarmate de gietijzerproductiesnelheden zijn verhoogd. Hoge slakniveaus resulteren in toenemende blastdruk en boshwandwerk, en verstoren de uniforme daling van de lading. Een van de kwesties in het controleren van het slakniveau is slakstroom in de hearth tijdens het aftappen. In de hearth is slakstroom naar de taphole moeilijker dan de stroom van gietijzer naar de taphole. Gietijzerstroom heeft een grotere dryvende kracht door de hogere dichtheid van gietijzer vergeleken met de slak. De gietijzerstroampad wordt gedacht voornamelijk door 'cokes-vrije' regio's onder en/of rond de dode man cokes. Het slakstroampad naar de taphole is door dode man cokes.

Fig 4 toont de configuratie van de hearth en een mogelijke reeks stadia van de hearth tijdens het aftappen die leiden tot een valse droge hearth conditie aan het einde van het aftappen. Het oppervlak van het gietijzer wordt gedacht relatief plat te blijven over het gehele hearthgebied gedurende het aftappen door de hoge dichtheid van gietijzer en het 'cokes-vrije' pad naar de taphole. Het slakoppervlak kan aanzienlijk lager zijn in de regio om de taphole dan in andere regio's van de hearth. Wanneer de slakaftapsnelheid hoger is dan de slakstroomsnelheid over de hearth naar de taphole regio, treedt een uitputting van slak op in de taphole regio en het slakoppervlak begint naar beneden te buigen naar de taphole zoals getoond in stap 4 van Fig 4. De slakuitputting gaat door tot er geen slak is bij de taphole en de oven lijkt droog te zijn wanneer er nog aanzienlijke slak overblijft in de hearth zoals getoond in stap 5 van Fig 4. Het minimaliseren van de weerstand tegen slakstroom in de hearth minimaliseert de slak die overblijft in de hearth aan het einde van een aftapping. Weerstand tegen slakstroom in de hearth wordt verminderd naarmate de porositeit van de hearth cokesbed toeneemt en de slakviscositeit afneemt.

Fig 4 Configuratie van de hearth en een mogelijke reeks stadia van de hearth tijdens het aftappen

Oxidesysteem

Rond 95% van de slak bestaat uit SiO2, CaO, MgO, en Al2O3. De eis van lage viscositeit kan voldaan worden door een verscheidenheid aan componenten in dit quaternaire systeem. Negeer de aanwezigheid van MgO, toont het fasendiagram van het ternaire oxidesysteem CaO-Al2O3-SiO2 (Fig 5) een laag smelttemperatuurgebied dat parallel is aan de CaO-SiO2 binaire met lage Al2O3 inhoud. Dit gebied strekt zich uit van hoge SiO2 inhoud tot de verzadigingsisotherm voor 2CaO.SiO2 en dan voor essentieel constante CaO inhoud naar hoge Al2O3 inhoud. De MgO inhoud van de slak beïnvloedt de relatieve positie van het lage smelttemperatuurgebied niet substantieel en beïnvloedt alleen de absolute waarden van de smelttemperaturen.

Fig 5 Fasendiagram van het oxidesysteem CaO-Al2O3-SiO2

Het oxidesysteem dat de basis vormt voor BF-slakken is het kalk-silica-alumina (CaO-SiO2-Al2O3) systeem gewijzigd door de aanwezigheid van een bepaald percentage MgO in de slak. Fig 6 toont het fasendiagram van CaO-Al2O3-SiO2-10% MgO systeem.

Fig 6 Fasendiagram van CaO-Al2O3-SiO2-10% MgO systeem

De samenstellingen van BF-slakken zoals aangetroffen onder verschillende operatieve omstandigheden worden getoond in Fig 7. De desulfering van gietijzer neemt toe met slakbasiciteit, d.w.z. met toenemende CaO en/of MgO inhoud, regio 1 in Fig 7 kan dus alleen gebruikt worden voor het verwerken van lage zwavel lading. Aangezien de ganguebestandteile normaal een lage basiciteit slak vormen, vertegenwoordigt regio 1 grotendeels de slaksamenstelling zonder toevoeging van fluxen. De oven kan bij een relatief lage temperatuur geopereerd worden vanwege de lage smeltpunten. Regio 2 wordt bereikt voor lage ijzerinhoud lading met zuurganguebestandteile. Deze bedrijfwijze heerst, en vereist uitgebreide desulfering van het gietijzer buiten de BF. Het bereiken van een basiciteit die resulteert in adequaat desulfering binnen de oven vereist een grote kalk (CaO) toevoeging wat leidt tot een hoog slakvolume en dus een hogere cokesverbruik. Regio 3 vertegenwoordigt de wereldwijd voorkeur slaksamenstellingen voor grote hoogovens. In dit geval, afhankelijk van de alumina-inhoud, moet dolomiet toegevoegd worden om de benodigde MgO-inhoud te voldoen.

Fig 7 Samenstellingen van BF-slakken zoals aangetroffen onder verschillende operatieve omstandigheden

Tab 1 toont de optimale componenten van de BF-slak. Slakken met hogere basiciteiten (B) zoals getoond in Tab 1 gunnen optimale verzachtingscondities. Het verzachtings- en smeltingbereik van de ganguebestandteile is rond 80 graden C tot 130 graden C voor B= 0.5, en rond 20 graden C tot 50 graden C voor B = 2. Vanwege de hogere smelttemperatuur van de hoog basische slak en de extra energie nodig door de grotere hoeveelheid flux toevoeging, wordt de slakbasiciteit dus gehandhaafd op ongeveer 1.2.

Slakeigenschappen

De fysische en chemische eigenschappen van slakken zijn primair een functie van de slaksamenstelling en temperatuur. Het volgende beschrijft deze relaties voor het ontwikkelen van algemene trends.

Vloeistofstemperaturen – De relaties van vloeistofstemperatuur en samenstelling voor de vier primaire componenten van slak worden vertegenwoordigd op een quaternair fasendiagram. Fig 8 is gegenereerd van ternaire vlakken van het quaternair fasendiagram. Figuren 8a en 8b zijn geen fasediagrammen. Er zijn twee algemene trends afgeleid van deze figuren. De eerste is dat de vloeistofstemperaturen toenemen met toenames in (Al2O3) en B/A, en de tweede is dat de (MgO) in het bereik van 8% tot 14% de toename in vloeistofstemperatuur veroorzaakt door de toename in ofwel (Al2O3) of B/A neigt te minimaliseren.

Fig 8 Relatie vloeistofstemperatuur, basiciteit, en alumina

Viscositeit – Viscositeit is een maat voor de hoeveelheid kracht nodig om de vorm van een materiaal te veranderen en wordt gerapporteerd in eenheden genaamd 'poise'. Hoe hoger de viscositeit, hoe meer kracht nodig is om een vloeistof te laten stromen. Voor vergelijkingsoverwegingen, aangezien bij 20 graden C de viscositeit van water 0.01002 poise is, is een typische acceptabele slakviscositeit rond 2 tot 5 poise, en de viscositeit van vloeibare SiO2 is in de orde van 100,000 poise. De hoge viscositeit van vloeibare SiO2 wordt veroorzaakt door de polymerstructuur. De afbraak van de polymerstructuur door de basische oxiden verlaagt de viscositeit. De afname in de viscositeit van alle vloeibare slakken met toenemende B/A wordt getoond in Fig 9a. In het algemeen neemt de viscositeit van elk vloeibaar/vaste mengsel toe naarmate de hoeveelheid opgeschorte vastestoffen toeneemt. De impact van temperatuur op slakviscositeit is aanzienlijk hoger bij temperaturen onder de vloeistofstemperatuur dan boven de vloeistofstemperatuur zoals getoond in Fig 9b.

Fig 9 Relatie tussen viscositeit, B/A en temperatuur

Er zijn twee algemene trends die gezien worden voor de viscositeit. Boven de vloeistofstemperatuur, neemt de viscositeit van vloeibare slakken af met toenemende temperatuur en B/A. Bij temperaturen onder de vloeistofstemperatuur, neemt de viscositeit af met toenemende temperatuur, en afnemende B/A.

Zwavelverdelingsratio – De BF-ijzerproductie is een zeer goed desulfererend proces vergeleken met het staalproductieproces vanwege het verschil in het zuurstofpotentieel van de slakken van de processen. Het effect van het zuurstofpotentieel op desulfering kan getoond worden met vergelijking (CaO) + [S] = (CaS) + (FeO), waar het zuurstofpotentieel aangeduid wordt door de (FeO). Hoe hoger de (FeO) hoe meer de reactie gedreven wordt naar links en hoe hoger de [S]. Staalproductieslakken met (FeO) van 15% tot 25% zijn dus zwakkere desulfererende slakken dan de BF hearth slakken met (FeO) van minder dan 1%.

Essenieel alle zwavel in de BF verlaat de oven in het gietijzer en slak. Een relatie voor de voorspelling van [S] kan ontwikkeld worden gebaseerd op een massa-balans van zwavel voor één ton gietijzer, volgens vergelijking (i) hieronder, en het gedefinieerde terme zwavelverdeling volgens vergelijking (ii) hieronder. De voorspelling van [S], door vergelijking (iii) hieronder, is afgeleid door de substitutie van [S] uit vergelijking (i) in vergelijking (ii) en dan oplossen voor [S].

Vergelijking(i) is St = [S] /100 x 1,010 + (S) /100 x Svol waar 1,010 de kg gietijzer in een ton gietijzer is inclusief een 1% opbrengstverlies, St is de zwavellading wat het totale gewicht van zwavel in kg/tHM is. Svol is het slakvolume wat het gewicht van slak in kg/tHM is. Vergelijking (ii) Sp = (S) /[S] waar Sp de zwavelverdelingsratio is. Vergelijking (iii) is [S] = St x 100 / (Sp x Svol + 1,010).

De slak Sp kan voorspeld worden gebaseerd op vergelijking (iv) Sp = 147.7 x BB + 37.7 x [Si] – 190 en vergelijking (v) BB = {(CaO) + 0.7(MgO)} / {0.94(SiO2) + 0.18(Al2O3)}. Hier is BB de basiciteit zoals gedefinieerd door Bell's ratio. Het is op te merken dat de coëfficiënten in vergelijking (iv) zijn ontwikkeld uit regressieanalyse van een specifieke oven. Vergelijking (iv) en vergelijking (v) zijn gebruikt om Fig 10(a) te construeren, en vergelijking (iii), vergelijking (iv), en vergelijking (v) zijn gebruikt in de constructie van Fig 10 (b).

Fig 10 Zwavelverdeling tussen slak en metaal

De algemene trends die afgeleid kunnen worden uit de bovenstaande vergelijkingen en figuren zijn (i) [S] neemt af met afnemende St en toenemende Sp en Svol, (ii) echter, Sp neemt normaal toe met B/A, (iii) CaO is een betere desulfererder dan MgO, en (iv) Al2O3 heeft een kleiner effect op Sp dan SiO2.

Alkalicapaciteit – Een 'refluxerend' of 'recyclend' fenomeen treedt op in de BF door de counter-current stroom van gassen versus vaststoffen/vloeistoffen, met name voor zwavel, zink, en alkalien. De recycling van het alkalium potassium (K) wordt getoond in Fig 11a. Het recyclingsfenomeen is wanneer een element naar beneden in de oven reist in een vaste of vloeibare fase, reageert om gasvormige soorten te vormen in de hogere temperatuurregio's van de oven, dan terug naar boven in de oven reist als gassen, waar het gereageerd en geabsorbeerd wordt door de vaste/vloeibare fasen in de lagere temperatuurregio van de oven. De recycling resulteert in veel hogere interne concentraties van het gerecyclde element dan de concentratie die in of uit de oven gaat. Bijvoorbeeld de interne lading van K kan 10 kg/tHM zijn, wanneer de geladen materialen slechts 2 kg/tHM bevatten.

Alkalien hebben geen gunstige, maar veel nadelige effecten op de BF. Alkalien worden geabsorbeerd door refraktarien, cokes, en erts wat leidt tot degradatie van de refraktarien en cokes, en ertsopzwelling. Alkalien kunnen ook schurven vormen die kunnen afvallen en de thermische toestand van de oven verstooren, of opbouwen en de lading- en gasstroom beklemmen. Alkalien kunnen niet vermeden worden omdat ze in alle kolen, cokes, en in mindere mate ertsen zitten. De alkalilading moet waar mogelijk geminimaliseerd worden.

Een deel van de alkalien verlaat de oven in de topgas, de hoeveelheid zijnde een functie van het toptemperatuurprofiel. De overige alkalien moeten in de slak verwijderd worden. Het vermogen van slak om alkalien uit de oven te verwijderen wordt aangeduid als de alkalicapaciteit van de slak. De relaties van alkalicapaciteit tot slaksamenstelling en temperatuur worden getoond in Fig 11b. In het algemeen neemt de alkalicapaciteit toe met lagere B/A, en met lagere temperatuur.

Fig 11 Alkalirecycling en alkalicapaciteit van slak

Silica-activiteit – De [Si] geproduceerd is afhankelijk van de ladingmaterialen, ovenoperatie, en slakchemie. De impact van de slakchemie wordt getoond in de vergelijking [Si] = (SiO2) x GSiO2 / GSi x Keq / (P tot de macht 2)co. Hier is CO koolstofmonoxide. Deze vergelijking is ontwikkeld vanuit de evenwichtsconstante, vergelijking Keq = {ASi x (P tot de macht 2)co} / { ASiO2 x Ac}, voor de reactie gegeven in vergelijking (SiO2) + 2C = [Si] + 2COgas, de definities van de activiteiten van (SiO2) en [Si], vergelijking ASiO2 = (SiO2) x GSiO2 en vergelijking ASi = [Si] x GSi, en aannemend dat de activiteit van het koolstof in de hearth gelijk is aan één. De trend geïmpliceerd door Vergelijking [Si] = (SiO2) x GSiO2 / GSi x Keq / (P tot de macht 2)co is dat de [Si] afneemt naarmate de (SiO2) afneemt.

Slakontwerpfactoren

In sommige van de BFs, is een typische slaksamenstelling die gevormd wordt uit de gangue in het erts en as van de cokes 9% CaO, 5% MgO, 75% SiO2, en 10% Al2O3. Een slak van deze samenstelling heeft een vloeistofstemperatuur in de orde van 1,600 graden C en stroomt niet goed zelfs boven zijn vloeistofstemperatuur. Daarom worden CaO en MgO aan de lading toegevoegd om de gangue en as te 'fluxen' resulterend in acceptabele vloeistofstemperaturen en stromeigenschappen.

Basisch slakontwerp is de selectie van de typen en hoeveelheden fluxen die gebruikt worden met een lading en cokes om een slak van acceptabele eigenschappen te produceren. Lading en cokes selecties worden grotendeels gedreven door economische kwesties zoals lokaal versus geïmporteerde bronnen en graad van beneficatie. Deze economische dryvende krachten hebben geresulteerd in een wijd scala aan slaksamenstellingen over de hele wereld.

De algemene factoren die overwogen moeten worden bij het ontwerpen van een slak voor normale operatie zijn (i) vloeistofstemperatuur, dat wil zeggen, de slak moet volledig vloeibaar zijn in de hearth en gietkast, (ii) viscositeit, dat wil zeggen, de slak moet een lage viscositeit, hoge vloeibaarheid hebben, zodat het uit de hearth en naar beneden de gietkastloopers kan aflopen, (iii) zwavelcapaciteit dat wil zeggen, de Sp moet voldoende zijn om gietijzer met zwavelinhoud binnen specificaties te produceren, (iv) alkalicapaciteit, dat wil zeggen, de slak alkalicapaciteit moet voldoende zijn om alkalie-opbouw in de oven te voorkomen, (v) gietijzersiliciumcontrole, dat wil zeggen, het effect van de slakchemie op de [Si] moet overwogen worden, (vi) slakvolume, dat wil zeggen, het slakvolume moet hoog genoeg zijn om bij te dragen aan de stabiliteit van de slakeigenschappen en gietijzerkwaliteit, maar niet zo hoog dat het excessieve brandstof vereist of bijdraagt aan oveninstabiliteit, (vii) robuuste eigenschappen, dat wil zeggen, de slakeigenschappen moeten zo gevoelig mogelijk zijn voor variaties in normale variaties in ovenoperatie, specifiek gietijzertemperatuur, en (viii) eindgebruik, dat wil zeggen, de eisen van het eindgebruik van de slak moeten overwogen worden.

Slakontwerp is het erkennen dat de bovenstaande factoren niet onafhankelijk zijn en dat het ontwerp altijd een balans van de bovenstaande factoren omvat om de conflicterende trends op te lossen (Tab 2).

Twee voorbeelden van het slakontwerp worden hieronder beschreven. In het eerste voorbeeld (Tab 3), is de kwestie om de alkaliverwijdering te verhogen zonder de [S] te verhogen. De oplossing van de kwestie is om het slakvolume te verhogen door het gebruik van additionele SiO2 in de lading, terwijl de slakbasiciteit verlaagd wordt.

De kwestie in het tweede voorbeeld (Tab 4) is om de [Si] te verlagen zonder negatief de andere eigenschappen van slak en ovenoperatie te beïnvloeden. De oplossing van de kwestie is om de (SiO2) te verlagen door de (Al2O3) te verhogen met kwartsiet, een hoge (Al2O3) ladingsmateriaal, terwijl de (CaO) en (MgO) constant gehouden worden. De verandering in slakchemie resulteert in een afname van zowel [Si] als [S].

Slak na de BF

Het gebruik van BF-slak wordt gedreven door de economie van verwerking en marktvraag. Op de plek, waar de verwerking en marketing uitgevoerd wordt door de organisatie die de slak produceert, neigen de markten ertoe lokaal van aard te zijn met minimale verwerking. Volgens de huidige trend, nemen onafhankelijke organisaties eigendom van de vloeibare slak aan het einde van de slakloopbaan wat heeft geleid tot wijdere markten met meer uitgebreide verwerking. De productslak kan geclassificeerd worden door de afkoelsnelheid.

Luchtgekoelde slakken zijn die geproduceerd met lage afkoelsnelheden. Dit zijn slakken die gesolidificeerd zijn in putten en vaak gekoeld met water sproeien. De grootste toepassingen voor luchtgekoelde slak zijn in wegbouw, spoorwegballast, en granulaten. Luchtgekoelde slak is ook gebruikt in de productie van cement, mineraal wol isolatie, daken, en glas.

Pelletiseren en gegranuleerde slakken zijn die geproduceerd met hoge afkoelsnelheden. Pelletiseren slak wordt geproduceerd door vloeibare slak op een roterende trommel te gieten, soms met water. Gegranuleerde slakken worden geproduceerd door de vloeibare slak direct in een grote slakput van water te gieten of door het gebruik van hoge druk water sproeien wat de slak opsplitst in druppels. Snel afgekoelde slakken zijn gebruikt voor dezelfde toepassingen als luchtgekoelde slakken. De hoge glasinhoud van snel afgekoelde slakken maakt het bijzonder geschikt voor Portland cement productie.