Apariția primelor porțiuni de zgură lichidă — topitură de oxizi nerecuperați — în furnal precede, de obicei, începutul formării fierului lichid, iar zgura este prima fază lichidă care apare în timpul procesului în furnal.
Orizontul la care începe formarea zgurii nu este constant. Condițiile de începere a formării zgurii depind de compoziția și calitatea materialelor de încărcare, de distribuția și temperatura gazelor ascendente și de alți factori. La rândul său, procesul de formare a zgurii afectează semnificativ cursul topirii în furnal, determinând în mare măsură mișcarea fluxului de gaze în furnal, condițiile de reducere a oxizilor, precum și condițiile termice din orizonturile inferioare ale furnalului.
Momentul formării zgurii lichide este precedat de o serie de procese pregătitoare care au loc în materialele solide și parțial înmuiate.
La temperaturi relativ scăzute (800-1100°C) are loc sinterizarea materialelor care conțin fier, caracteristică pentru prelucrarea minereurilor de fier. Procesul de sinterizare este o combinație complexă de fenomene fizice de lipire a particulelor individuale de oxid și interacțiunea lor chimică în contact strâns.
Aglomeratele sunt livrate în furnal după ce au trecut deja prin procesul de sinterizare. În zona cu temperaturi ușor mai ridicate, piesele sinterizate se înmoaie. Piesele înmuiate se deformează sub acțiunea stratului de materiale suprapus. În acest caz, se observă o anumită contracție a pieselor, lipirea porilor și inhibarea procesului de reducere de către gaze.
Procesul de formare a zgurii primare imediat după procesul de înmuiere este strâns legat de proprietățile materialelor inițiale care conțin fier, precum și de procesele anterioare de reducere a oxidului de fier. Prezența lianților fuzibili în sinterizare determină începutul formării fazei lichide și face posibilă reglarea cursului de formare a zgurii în furnal prin modificarea compoziției, proprietăților și cantității lianților în timpul sinterizării. Oxizii de fier și mangan nereduși participă la formarea zgurii primare, reducând temperaturile și crescând orizontul de formare a zgurii.
Proprietățile vâscoase ale zgurii primare de furnal determină avansarea ulterioară a zgurii de-a lungul înălțimii furnalului. Trebuie remarcat faptul că mobilitatea zgurii nu este direct legată de fuzibilitatea acesteia, determinată de temperatura de topire, și este estimată aproximativ pe baza diagramelor compoziție-viscozitate. Se poate observa, de exemplu, o vâscozitate foarte semnificativă chiar și la 1500 ° C cea mai fuzibilă compoziție a sistemului CaO-SiO2— AlO3care conține 62% SiO2, 14,8 % AlO3 și 23,2 % CaO (fig. 38). Zgurăturile cu conținut ridicat de SiO2nu sunt predispuse la o scădere semnificativă a vâscozității la încălzire datorită particulelor mari de anioni complecși siliciu-oxigen în structura zgurii. Dimpotrivă, zgura mai refractară cu compoziția 47,3% SiO2, 18,6 procente AlO3 și 34,1% CaO, a cărei structură este reprezentată de ioni mai simpli și mai mici, devine foarte mobilă deja la supraîncălzirea la 100 de grade Celsius. Astfel, pentru topirea în furnal este important să se combine proprietățile zgurii, în primul rând temperatura de topire (temperatura liquidus) și vâscozitatea. De exemplu, zgurii cu conținut scăzut de fier și mangan cu punct de topire ridicat, de regulă, nu au o vâscozitate ridicată la orizontul formării și curgerii lor în cuptor.
Caracteristica termică a zgurii — conținutul său de căldură — este, de asemenea, importantă. Așa-numitele zgurii cu topire dură necesită aporturi de căldură mai mari pentru topire, ceea ce trebuie luat în considerare la evaluarea bilanțului termic la orizontul formării lor. În același timp, trecând la orizonturi mai joase, acestea aduc în mod corespunzător mai multă căldură decât zgurile ușor topibile.
Modificarea conținutului de căldură a 1 kg de zgură atunci când este încălzită de la 0 ° C la temperatura de topire și topire (așa-numita topire) este de 1340-1930 kJ / kg (320-460 kcal / kg). Valoarea fuzibilității depinde nu numai de temperatura de topire, ci și de capacitatea termică a zgurii.
Progresia zgurii primare cu topire mai ușoară pe înălțimea cuptorului este de obicei asociată cu o modificare semnificativă a compoziției și vâscozității acestora, în principal datorită reducerii oxidului de fier și a oxidului de mangan. Pe măsură ce zgura primară este coborâtă spre vatră, oxidul de calciu și oxidul de magneziu se dizolvă în ea. Ulterior, când zgura intră în cuptor, cenușa de cocs, care conține în principal SiO2 și Al2O3. În același timp, unele cantități de MnO și SiO2 sunt recuperate din zgură.
Modificarea vâscozității zgurii este cauzată de schimbările de mai sus în compoziția sa chimică, precum și de creșterea temperaturii. În funcție de raportul dintre efectul acestor factori, vâscozitatea zgurii fie crește (dacă efectul predominant al modificărilor în compoziție este în direcția reducerii componentelor lichefiabile FeO, MnO), fie scade, dacă efectul mai puternic este exercitat de creșterea temperaturii. De regulă, în cursul normal al procesului în furnal, nu există o creștere semnificativă a vâscozității atunci când zgura se deplasează în jos și curge rapid în vatra cuptorului fără a avea timp să reducă conținutul de FeO și MnO. În acest caz, răcirea șemineului are loc prin mișcarea lichidă a zgurii care intră rapid în el din regiunea cu temperaturi relativ scăzute.
Scoriile refractare, a căror compoziție chimică se modifică de obicei foarte puțin pe drumul scurt de la orizontul inferior al formării lor până la furnal, se caracterizează printr-un conținut ridicat de căldură și o bună încălzire. Aducând căldură în cuptor, ele contribuie la creșterea temperaturii acestuia.
În unele cazuri este necesar să se prevadă un posibil raport nefavorabil al modificărilor în compoziția și vâscozitatea zgurilor primare ușor fuzibile. Scăderea rapidă a conținutului de fier și mangan asociată cu absorbția căldurii poate duce la o creștere puternică a vâscozității zgurii. Acest lucru poate fi exacerbat de eliberarea de particule solide de fier în volumul fazei de zgură și de încâlcirea particulelor de cocs în masa de zgură. Mișcarea descendentă a acestor zgurii aproape că se oprește și poate forma depuneri pe pereții cuptorului sau mase vâscoase în anumite părți ale secțiunii transversale a acestuia.
Acest lucru duce la perturbarea funcționării normale a furnalului, la întârzierea coborârii ușoare a materialelor de încărcare și a maselor de topire către orizonturile inferioare, precum și la înrăutățirea uniformității distribuției fluxului de gaze pe secțiunea transversală.
Sunt deosebit de periculoase în acest sens zgurile care prezintă o schimbare puternică a mobilității în funcție de temperatură. Aceste zgură deja la o ușoară scădere a temperaturii (25-40 ° C) se transformă rapid în lent mobil. Un efect similar asupra proprietăților zgurii pot avea și mici modificări în compoziția lor (de exemplu, la 2% din principalele componente de CaO sau SiO2). Astfel de zgură trebuie caracterizată ca fiind instabilă, adică își schimbă puternic proprietățile sub influența unor mici abateri de temperatură și compoziție, care apar adesea în cursul topirii în furnal.
Funcționarea lină și stabilă a furnalului este asigurată atunci când există zgură cu proprietăți relativ constante, așa-numita zgură stabilă. Acestea au variații mici ale temperaturii de topire (nu mai mult de 25 de grade) și ale vâscozității (nu mai mult de 1-2 pz ) atunci când compoziția zgurii în funcție de componentele principale se modifică în limita a 2%.
Modificarea temperaturii și a vâscozității zgurii pe măsură ce aceasta intră în cuptor are loc simultan cu modificarea compoziției sale. Aceasta din urmă determină în mare măsură caracteristicile de vâscozitate ale zgurii. Scoriile primare, formate de obicei la baza puțului sau în partea superioară a cuptorului, se caracterizează prin limite largi ale conținutului de componente în funcție de proprietățile materialelor inițiale și de condițiile de funcționare a cuptorului. Conținutul de componente individuale în compoziția lor este de obicei după cum urmează: 30-40% SiO2, 11-20% Al2O3, 27-35% CaO, până la 6% MgO, până la 8% MnO, până la 18% FeO, până la 0,7% S.
Zgură intermediară, formată în partea inferioară a umerilor și în partea superioară a creuzetului, are conținutul de componente în medie în următoarele intervale: 36-38% SiO2, 6% Al2O3, 39-45% CaO, 2% MgO, până la 6% MpO, până la 7% FeO, până la 1,5% S.
Scoriile finale, formate după trecerea oxizilor de cenușă de cocs în compoziția lor și reducerea majorității FeO și MnO și a unei anumite cantități de SiO2, conțin în principal trei componente — SiO2, CaO și Al2O3 — și, prin urmare, pot fi considerate cu mare motiv pe baza diagramelor ternare de stare și vâscozitate CaO-SiO2-Al2O3. Compoziția și proprietățile lor sunt legate de compoziția fontei brute topite și servesc drept unul dintre indicatorii selecției adecvate a materialelor de încărcare pentru obținerea unui anumit produs de topire în furnal înalt.
Compoziția zgurii finale la topirea fontei brute (pentru cuptoare în aer liber și convertizoare cu oxigen) din minereuri Krivoy Rog este următoarea: 39,5 % SiO27,5 % Al2O3, 45,5% CaO, 2,5% MgO, 3,4% MnO, 0,3% FeO și 1,7% S. Relația strânsă dintre compoziția fontei brute și compoziția zgurii finale se datorează apropierii de echilibru între acestea la un timp de rezidență relativ lung în vatra furnalului.
Prezența unei astfel de relații, confirmată în timp util de numeroase date de producție, i-a permis academicianului M. A. Pavlov să recomande compoziția zgurii normale pentru topirea diferitelor tipuri de fontă brută.
Ulterior, pentru a determina cantitatea optimă de baze din zgură la topirea diferitelor tipuri de fontă brută pe cocs a fost propusă formula AN Ramm, luând în considerare compoziția necesară a fontei brute pe siliciu și sulf:
(CaO + MgO + MnO + FeO) = 50-0,25 (Al2O3) + 3 (S) —
Aici conținutul de componente în zgură ( ) și în fontă brută [ ] este luat în procente, iar A reprezintă randamentul de zgură în tone pentru 1 tonă de fontă brută (A — 0,4÷1,48).
O influență semnificativă asupra cursului de topire în furnal are nu numai procesul de formare a zgurii și formarea ulterioară a compoziției și proprietăților zgurii, ci și procesele pregătitoare de sinterizare și înmuiere a materialelor care conțin fier.
Formarea unei zone mari de mase grase și vâscoase în procesul de înmuiere creează dificultăți semnificative pentru distribuția normală a fluxului de gaze. La un interval de temperatură mic și mai scăzut de înmuiere zgurii vor avea un conținut crescut de oxid de fier, ceea ce va asigura topirea și mobilitatea lor ușoară. De regulă, distribuția normală a fluxului de gaze nu este perturbată și devine posibilă forțarea procesului în furnal prin creșterea cantității de materie primă introdusă în furnal. Aceleași condiții sunt create atunci când se utilizează sinter, în special sinter fluxat, pentru care procesul de formare a zgurii este pregătit în avans în timpul sinterizării și se desfășoară intensiv într-un interval de temperatură mic și redus. Intrarea zgurii relativ reci în cuptor reduce temperatura acestuia și creează condiții pentru topirea fontei brute cu un conținut redus de elemente greu de fixat, în principal siliciu. Condițiile descrise sunt favorabile obținerii de fontă cu conținut scăzut de mangan și de siliciu, a cărei practică de producție este larg răspândită în prezent. Aceste fonturi sunt prelucrate prin procedee moderne de producție a oțelului (topire în câmp deschis de înaltă performanță și procedee de conversie cu oxigen).
Dimpotrivă, pentru fabricarea de produse care conțin cantități mai mari de elemente greu de redus, este necesar să existe zgură refractară formată la orizonturile inferioare ale furnalului. Acest lucru asigură un regim de temperatură ridicată al furnalului și o dezvoltare semnificativă a reducerii oxizilor de siliciu și mangan prin carbon solid, care necesită temperaturi ridicate și aporturi mari de căldură.
