PRODUSELE FURNALULUI

Notiuni teoretice

1. Fonta

Fontele obtinute in furnal (fonte brute) se clasifica in functie de:

- combustibilul utilizat, in:

- fonte produse cu cocs;

- fonte produse cu mangal.

- dupa destinatia si compozitia chimica, in:

- fonte de afinare (Martin, Thomas, Bessemer);

- fonte pentru turnatorie (obisnuite, fosforoase, speciale);

- fonte aliate (oglinda, feromangan, silicioasa).

2. Zgura

Zgura de furnal are in compozitie acizi neredusi si compusi cu sulf ai metalelor, principalii componenti fiind: SiO₂, Al₂O₃, CaO, MgO.

Zgurificarea are loc la 1200.1300⁰C, zona de formare a zgurilor primare depinzand de circulatia gazelor si de repartizarea temperaturii in furnal. Conditiile de formare si compozitia zgurilor primare influenteaza regimul de temperaturi din creuzet (zgurile primare usor fuzibile si feroase care provin din minereuri usor reductibile, favorizeaza functionarea rece a creuzetului).

Compozitia zgurii se modifica pe masura ce aceasta coboara si se definitiveaza in creuzet prin inglobarea oxizilor din cenusa cocsului si legarea sulfului din fonta.

Cantitatea de zgura trebuie sa fie cuprinsa intre 200.600 kg/t fo in functie de cantitatea de steril din incarcatura.

Cantitati sub 200.250 kg/t produc dificultati in conducerea procesului pentru ca variatiile de temperatura care apar in creuzet conduc la variatii importante in compozitia si viscozitatea zgurii, influentand reactiile din creuzet.

Cantitati peste 550.600 kg/t conduc la cresterea consumului de combustibil peste limita economica, la micsorarea intensitatii de functionare facand dificila conducerea procesului din cauza inertiei furnalului.

Compozitia zgurii si rapoartele intre cantitatile diferitilor oxizi din zgura finala furnizeaza indicatii asupra functionarii furnalului.

Bazicitatea zgurii, definita ca raport intre oxizii bazici si acizi este exprimata in forma:

B = , (6.31)

iar indicele de bazicitate:

I_b = (6.32)

Bazicitatea reprezinta o caracteristica importanta si influenteaza, atat procesele de reducere din zona temperaturilor inalte a numerosi oxizi (din care mai importanti sunt SiO₂ si MnO), cat si proprietatile zgurii, adica fuzibilitatea, viscozitatea si capacitatea de desulfurare.

In tabelul 6.6. sunt prezentate valori uzuale pentru bazicitatea si indicele de bazicitate ale zgurilor la elaborarea unor tipuri de fonta. De regula, in functie de cantitatea de S din incarcatura si de Si necesar in fonta, se recomanda adoptarea indicilor de bazicitate.

Tabelul 6.6. Valori uzuale ale bazicitatii si indicelui de bazicitate pentru zgurile utilizate la elaborarea fontei in furnal.

3. Proprietatile zgurilor de furnal

Proprietatile zgurilor se determina din diagrame ternare considerand zgurile finale de furnal ca avand trei componenti: CaO, SiO₂, Al₂O₃.

Principalele proprietati sunt: fuzibilitatea - definita prin temperatura de topire si caldura de formare, viscozitatea si capacitatea de desulfurare.

Temperatura de topire

Temperatura de topire, T_t, reprezinta temperatura la care intreaga masa de zgura devine izotropa disparand ultimele cristale anizotrope, respectiv temperatura la care, la racire, apar primele cristale anizotrope din masa topita izotropa (temperatura lichidus a zgurii). In sistemul ternar SiO₂-Al₂O₃-Ca O este exprimata in ⁰C (diagrama Benkin fig. 6.1).

	Fig. 6.1. Diagrama temperaturii zgurilor in sistemul CaO - SiO2 - Al2O3.

Caldura de topire

Zgurile de la elaborarea fontelor de afinare (mai reci) prezinta valori pentru caldura de topire de ordinul Q_top = 360 Kcal/kg, iar pentru zgurile utilizate la elaborarea fontelor de turnatorie sau aliate (mai calde) valorile se inscriu in intervalul Q_top = 380.420 Kcal/kg.

Pentru sistemul CaO - SiO₂ - Al₂O₃ caldura de topire este prezentata in diagrama din fig. 6.2.

Viscozitatea

Viscozitatea, ν, este determinata atat de compozitia chimica, cat si de temperatura (cu care variaza exponential) in sistemul CaO - SiO₂ - Al₂O₃ este exprimata in poise (l poise = 1 N s/m²) la temperatura de 1400⁰C, 1500⁰C, (fig. 6.3).Se admit viscozitati de 2.6 poise pentru zgurile bazice si pana la 15.25 poise pentru cele acide.

Viscozitatea este influentata de prezenta celorlalti componenti ai zgurii, astfel:

- MgO - mareste stabilitatea zgurilor bazice in sensul micsorarii variatiei viscozitatii cu cresterea bazicitatii. De asemenea, fluidifica in special zgurile bazice, recomandandu-se continuturi de 5.7 % in zgurile de la elaborarea fontelor de afinare si turnatorie si 10.12 % la elaborarea fontelor manganoase;

- MnO - fluidifica puternic toate zgurile (mai ales pe cele bazice si foarte bazice) deoarece contribuie la disocierea silicatilor de calciu. Are actiune puternica intre 2.6 %MnO, efectul la peste 7 % MnO fiind neinsemnat. Zgurile cu B 1 si 4.6 %MnO sunt foarte fluide si corozive pentru zidarie furnalului;

- CaS - scade usor viscozitatea pana la 6,5 %CaS, la valori mai mari marindu-o (CaS se gaseste in proportii variabile in zgurile de la elaborarea fontelor cu cocs);

- FeO - fluidifica zgurile, in special pe cele acide (zgurile primare in sistemul FaO - SiO₂ sunt fluide pana aproape de temperatura de topire);

- Na₂O, K₂O - fluidifica zgurile, in special pe cele acide;

- TiO₂, BaO - maresc viscozitatea zgurilor.

Caracteristicile zgurilor se determina din diagramele ternare utilizand "compozitia principala" (compozitia recalculata ca si cum zgura ar contine trei componenti, anume CaO, SiO₂, Al₂O₃). Admitand ca MgO, la continuturi normale, influenteaza in acelasi mod ca si CaO proprietatile zgurii, se recalculeaza continuturile de CaO + MgO, SiO₂ si Al₂O₃ prin cresterea proportionala a continuturilor reale, astfel incat suma lor sa reprezinte 100 %.

Procedand astfel se neglijeaza influenta unor oxizi si sulfuri din zgura, lucru acceptabil daca se are in vedere ca suma acestora nu depaseste 7.9 %, iar influenta lor este in sensul micsorarii valorilor proprietatilor rezultate din diagrame.

Recalcularea compozitiei se face astfel:

Capacitatea de desulfurare

Capacitatea de desulfurare a zgurilor este caracterizata de indicele de repartitie a sulfului intre zgura si fonta L_S = , induce ce caracterizeaza echilibrul reactiei de desulfurare si care este influentat de temperatura creuzetului, de bazicitatea si compozitia zgurii.

Pentru temperatura de 1450⁰C , Vaskoboinicov a stabilit pentru calculul raportului L_S in functie de raportul (CaO+MgO)/ SiO₂) si pentru continuturi de (Al₂O₃) cuprinse intre 8.24 %, relatia:

L_S¹⁴⁵⁰ = 98 x² - 160 x + 72 - [0,6 (Al₂O₃ - 0,012 (Al₂O₃)² - 4,032) x²] (6.33)

in care x reprezintaeste valoarea raportului in zgura;

- (Al₂O₃) - continutul de aluminiu din zgura, %;

Valorile L_s astfel calculate sunt prezentate in diagrama din fig. 6.4.

Pentru temperaturi diferite de 1450⁰C se recomanda introducerea coeficientului de corectie "m" ale carui valori se stabilesc pentru diferite zguri astfel:

(CaO + MgO) : SiO₂ = 0,8.1,25

Al₂O₃ = 8.19 % m t t

(CaO + MgO) : SiO₂ = 1,25.1,6

Al₂O₃ = 8.19 % m t t

(CaO + MgO) : SiO₂ = 0,8.1,6

Al₂O₃ = 19.24 % m t t

in care t = , iar t este temperatura zgurii, ^oC. Rezulta: L_S^t = m L_S¹⁴⁵⁰.

	Fig. 6.4. Indicele de repartitie a sulfului la 1450˚C pentru diferite continuturi de Al2O3: a - 8 %, b - 10 %, c - 14 %, d - 16 %, e - 18 %, f - 20 %, g - 22 %, h - 24 %.

Pentru zgurile acide cu raportul de bazicitate cuprins intre 0,5.0,8, indicele de repartitie L_s poate fi determinat cu relatia stabilita de Loghinov.

L_S¹⁵⁰⁰ = 27 x³ - 2 x² - 0,6 x - [0,3 (Al₂O₃) - ] x⁴, (6.34)

in care x = (CaO + MgO) : SiO₂.

4. Gazul de furnal

Compozitia gazului de furnal variaza in functie de conditiile de topire si modul de desfasurare al procesului in furnal, in limitele indicate in tabelul 6.7.

Tabelul 6.7. Compozitia gazului de furnal.

Cantitatea de gaz de furnal variaza in functie de calitatea fontei elaborate, incarcatura folosita si consumul specific de combustibil echivalent, la arderea cu aer atmosferic, in limitele:

- 1900.3100 m³_N /t fo;

- 3400.4800 m³_N /t K_echivalent;

- 3800.5500 m³_N /t C_echivalent.

5. Praful de furnal

La iesirea din furnal, gazul contine cantitati de 10.60 g/ m³_N praf. Cantitatea de praf depinde de granulatia incarcaturii furnalului, presiunea la gura furnalului si intensitatea de functionare.

Compozitia prafului depinde de proprietatile incarcaturii.

In tabelul 6.8 sunt prezentate cateva exemple de compozitii de praf de furnal.

Tabelul 6.8. Compozitia prafului de furnal.

Aplicatii de calcul. Enunturi si solutii.

Se considera zgura de furnal cu urmatoarea compozitie chimica: SiO₂ = 37,0 %, Al₂O₃ = 8,0 %, CaO = 43,5 %, MgO = 5,0 %, FeO 1,0 %, MnO = l,0 %, CaS = 4,5 %. Sa se determine principalele caracteristici fizice ale zgurii sa se aprecieze conditiile de lucru ale furnalului. Ce cantitate de calcar trebuie adaugata in unitatea de incarcare daca consumul specific de minereu Krivoi Rog creste cu 250 kg/t fo, iar cantitatea de fonta corespunzatoare unei unitati de incarcare este de 10 t fo/U.I. Compozitiile minereului si calcarului sunt:

R: Principalele caracteristici fizice ale zguri sunt: fuzibilitatea (definita prin temperatura si caldura de topire) si viscozitatea care se determina din diagrame ternare (in sistemul CaO - SiO₂ - Al₂O₃).

Pentru stabilirea acestor acestor proprietati din diagrame, se recalculeaza compozitia zgurii (compozitia principala) considerandu-se ca aceasta ar fi formata din trei componente (CaO + MgO, SiO₂ , Al₂O₃) a caror suma trebuie sa reprezinte 100 % (ceilalti componenti influenteaza prin concentratiile lor in mod diferit proprietatile zgurii).

Pentru zgura data, "compozitia principala" (recalculata) este:

Compozitia reala, % Compozitia recalculata, %

CaO + MgO = 48,5 .........51,87

SiO₂  = 37,0 · .........39,57

Al₂O₃  = 8,0 ..........8,36

Total  93,5 100 %

Principalele caracteristici fizice sunt:

Temperatura de topire T_t = 1355⁰C;

Caldura de topire Q_top = 360 Kcal/kg;

Viscozitatea, la 1500⁰C ν = 3 poise.

Aprecierile asupra functionarii furnalului se fac in functie de rapoartele: CaO/SiO₂, SiO₂/Al₂O₃(CaO + MgO)/ (SiO₂ + Al₂O₃) si continuturile de CaS, FeO, MnO.

Diagramele ternare din care se citesc caracteristicile zgurilor sunt prezentate in figurile 6.1.6.4.

Cantitatea de minereu ce trebuie introdusa in unitatea de incarcare ca urmare a cresterii consumului specific este:

Q_KR= 18 t fo/UI · 250 kg KR / t fo = 2500 kg min KR / UI.

Pentru a nu schimba bazicitatea zgurii:

B = (CaO + MgO) / (SiO₂ + Al₂O₃) = 48,5 / 45 = 1,078,

este necesar ca in functie de cantitatea de oxizi sterili adusi de acest surplus de minereu (acid) sa se introduca in unitatea de incarcare o cantitate de calcar calculat[ cu relatia:

Q_calcar =

Q_calcar = 2500 = 802,67 kg calcar/UI.

In cazul zgurii cu compozitia 30 %SiO₂, 9,5 %Al₂O₃,40 %CaO, 7 %MgO, 1 %FeO, 1 %MnO, 4,5 %CaS sa se determine principalele caracteristici cu ajutorul diagramelor ternare. Sa se determine necesarul de calcar daca in unitatea de incarcare se adauga 200 kg minereu Krivoi Rog sau 160 kg minereu India.

Compozitiile chimice ale minereurilor si calcarului sunt:

R: Compozitia reala a zgurii, % Compozitia recalculata, %

CaO = 47 % .........50,8

SiO₂  = 36 % · ............38,9

Al₂O₃  = 9,5 % .........10,3

Total  92,5 100 %

Principalele caracteristici ale zgurii rezultate din diagramele ternare sunt:

Temperatura de topire T_t = 1360⁰C;

Caldura de topire Q_top = 350 Kcal/kg;

Viscozitatea, la 1500⁰C ν = 3 poise.

Minereul Krivoi Rog aduce urmatoarele cantitati de oxizi:

SiO₂ + Al₂O₃ = 200 · 0,274 = 54,8 kg;

CaO + MgO = 200 · 0,006 = 1,2 kg;

Pentru B = 1,03:

(CaO + MgO)_necesr = 1,03 · 54,8 - 1,2 = 55,24 kg.

Puterea de fondant a calcarului este:

P_t = 0,54 - 1,03 · 0,025 = 0,5143 kg/kg

Cantitatea necesara de calcar este:

Q_calcar   = = 107,4 kg/UI.

Minereul India aduce urmatoarele cantitati de oxizi:

SiO₂ + Al₂O₃ = 160 · 0,09 = 14,4 kg;

CaO + MgO = 160 · 0,01 = 1,6 kg.

Pentru aceiasi bazicitate a zgurii, utilizand calcar de aceiasi calitate rezulta cantitatea necesara de calcar:

Q_calcar = = 25,72 kg.

Sa se determine cantitatile de gaz de furnal (cu compozitia 22 % CO, 18 %CO₂, 0,2 %CH₄) si de aer (cu 21 %O₂ si 79 %N₂) sulfat prin gurile de vant, la producerea unei tone de fonta de afanare cu 4 %C cunoscandu-se consumurile specifice de:

cocs tehnic (cu 86,5 %C_fix) 500 kg/t;

gaz metan = 90 m³_N /t;

calcar (cu 52,5 %CaO, 1,5 %MgO) = 50 kg/t.

Cocsul contine 1,5 % materii volatile cu compozitia: 35 %CO₂,  37 %CO, 5 %CH₄, 6 %H₂, 17 %N₂ % masice).

Se neglijeaza pierderile de carbon in praful de furnal.

R: Cantitatea de gaz de furnal se determina din bilantul carbonului ca raport intre cantitatea de carbon introdusa in furnal si care trece in gaz (kg/t) si cantitatea de carbon din 1 Nm³ gaz furnal de compozitie data (kg/Nm³):

Q_gf = .

Cantitatea de carbon introdusa in furnal:

- de cocs (sub forma de C_fix si cu materii volatile):

- de gazul metan:

C_gm = V_gm kg C/t;

- de calcar:

Cantitatea totala de carbon introdusa in furnal va fi:

C = C_K + C_gm + C_calcar = 488,45 kg/t.

Cantitatea de carbon care trece in fonta (carburare) este:

[ C ] = 10 · [%C] = 10 · 4 = 40 kg C/t.

Cantitatea de carbon introdusa in furnal care trece in gaz este:

_gf = C - [ C ] = 488,45 - 40 = 448,45 kg C/t.

Carbonul din 1 Nm³ gaz de furnal (de compozitie data):

_{1 Nm}³ _gf =

(0,18+0,22+0,002) = 0,215 kg C/ m³_N.

Cantitatea de gaz de furnal se calculeaza cu relatia:

Q_gf = = 2085,8 m³_N /t.

Cantitatea de aer sulfat prin gurile de vant se determina din bilantul azotului (azotul introdus cu aerul se regaseste integral in gazul de furnal in care se mai afla insa si N₂ din volatilele cocsului):

_gf = 100 - (22 + 18 + 0,2 + 5) = 54,8 %,

deci in gazul de furnal vor fi:

_gf = Q_gf = 1143,02 m³_N /t.

din gazul de furnal adus de volatilele cocsului este:

_vol = = 6,0 m³_N /t.

N₂ din gazul de furnal adica cel adus de aer va fi:

_aer = 1143,02 - 6 = 1137,02 m³_N /t

Deci cantitatea de aer (cu 79 %N₂) suflat va fi:

Q_aer = _aer = 1439,3 m³_N /t.

Sa se determine caracteristicile fizice ale zgurilor de furnal cu urmatoarele compozitii chimice:

Sa se determine cantitatile de gaz de furnal cu 20 %CO,  20 %CO₂, 0,2 %CH₄, 6 %H₂ si de aer cu 23 %O₂ si 77 %N₂ suflat prin gurile de vant, la producerea unei tone de fonta de turnatorie cu 4,2 %C cunoscandu-se consumurile specifice de:

cocs tehnic (cu 87,5 % C_fix) 525 kg/t;

gaz metan = 82 m³_N/t;

calcar cu (52,5 %CaO si l,5 %MgO) = 62 kg/t.

Cocsul are l,6 % volatile cu compozitia: 35 %CO₂, 37 %CO, 5 %CH₄, 6 %H₂, 17 %N₂.

Sa se determine cantitatile de gaz de furnal produs si de aer cu  1 % umiditate si 30 %O₂ insuflat prin gurile de vant, in cazul unui furnal care functioneaza cu consumurile specifice de cocs tehnic (86 %C_fix) de 440 kg/t, gaz metan 130 m³_N /t si calcar 20 kg/t (cu 52,5 %CaO si 1,5 %MgO). Compozitia gazului de furnal este 17,5 %CO₂, 23,3 %CO, 8,8 %H₂, 0,3 %CH₄, 50,1 %N₂. Fonta contine 3,9 %C. Se vor neglija materiile volatile ale cocsului si pierderile de carbon in praful de furnal.

Sa se determine cantitatile de gaz de furnal produs si de aer atmosferic cu 1 % umiditate, insuflat prin gurile de vant, in cazul unui furnal care functioneaza cu consumuri specifice de cocs tehnic (86,5 % C_fix) de 580 kg/t, 40 m³_N/t gaz metan si 125 kg/t calcar (cu 53 %CaO, 2 %MgO). Compozitia gazului de furnal este 13,5 %CO₂, 25,5 %CO, 3 %H₂, 0,2 %CH₄, 57,8 %N₂. Fonta contine 4 kg C. Se vor neglija materiile volatile ale cocsului si pierderile de carbon in praful de furnal.