2.2 Сучасна схема теплообміну по висоті печі

Д осліди, виконані під керівництвом М.М.Бабарикіна на доменних печах ММК (більше 60 вертикальних зондувань) при різних режимах їх роботи виявили існування двох ділянок уповільненого теплообміну по висоті шахти доменної печі в області помірних температур. Узагальнюючи дослідні дані по тепловій і відновлювальній роботі досліджених доменних печей М.М.Бабарикін запропонував схему, яка в інтерпретації Б.І.Китаєва із співробітниками показана на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Схема теплообміну по висоті доменної печі, що висвітлює особливості сучасної технології плавки чавуну: , – верхній та нижній ділянки зони помірних температур; , , – зони відновлення гематиту, магнетиту, вюститу; , , – зони непрямого, прямого та змішаного відновлення; Н_в, Н_н – верхня та нижня теплові зони; m – відношення теплоємності потоків газу та шихти; t_г, t_ш – температура газів і шихти відповідно.

Відповідно до цієї схеми, дві ділянки уповільненого теплообміну утворюються в результаті дії хімічних реакцій з від’ємними тепловими ефектами. Формування верхньої ділянки обумовлено дією ендотермічних реакцій відновлення магнетиту монооксидом вуглецю, а утворення нижньої ділянки пов’язано із тепло споживанням реакцій газифікації вуглецю коксу діоксином вуглецю.

На ближніх до поверхні засипу горизонтах шахти до температур шихти 600-650С піч працює як звичайний теплообмінник. Величина параметру (m) тут менше одиниці. Верхня ділянка зони уповільнених температур відображає як уповільнення процесів теплообміну, так і низькі швидкості відновлювальних реакцій, тобто з точки зору теплообміну є резервною висотою.

Нижня ділянка зони помірних температур формується за рахунок того, що при малих теплових потоках від газу до шихти в загальному випадку швидкості хімічних реакцій достатньо високі. Посилення відновлювальної роботи в цій області шахти викликає прискорення реакцій газифікації вуглецю коксу діоксином вуглецю і водяною парою.

Вважається доцільним для оцінки теплового стану, як об’єкту управління, доменну піч зазвичай ділити на дві теплові зони, верхню і нижню, границя розділу між якими розміщується у верхній області змішаного відновлення, котра існує між рівнем початку газифікації вуглецю коксу і горизонтом, нижче якого оксиди заліза відновлюються тільки прямим шляхом.

Питання з теми для самостійного вивчення та осмислення

1. Дайте характеристику параметрів оцінки теплообміну в доменній печі.

2. Як ведуть розрахунок теплоємкостей потоків газу і шихти?

3. Зобразіть на графіку зміну теплоємкостей потоків газу і шихти доменної печі в залежності від температури.

4. Нарисуйте схему розподілу температур по висоті доменної печі і поясніть причини існування двох ділянок уповільненого теплообміну.

3 Відновлення заліза в доменній печі

3.1 Термодинамічні основи відновлювальних процесів

Відновлюванням прийнято вважати процес відбирання оксигену від оксиду з перетворенням його в елемент або нижчий оксид. Відновлення зв’язане з окисленням відновника і тому є частиною окислювально-відновлювального процесу

ЕО + В →Е + ВО Q

де ЕО – оксид елементу, що зазнає відновлення; В – відновник; Е – відновлений елемент; ВО – оксид відновника; Q – тепловий ефект реакції.

Відновником мене служити вільний елемент або з’єднання в твердому, рідкому або газоподібному стані з більш високою спорідністю до кисню, ніж елементу, що зазнає відновлення. Показником спорідненості до кисню при постійних значеннях температури і тиску є величина вільної енергії Гіббса G^о – величина вільної енергії реакції утворення оксиду із елементів.

Порівняння споріднення до кисню відновників та оксидів (G⁰), що відновлються, дозволяє визначити температуру початку відновлювання оксидів.

На рис. 3.1 представлена діаграма залежності G⁰ від Т для деяких реакцій окислення елементів та нижчих оксидів, що приймають участь в доменному процесі. Виходячи з діаграми зміни вільної енергії реакції з температурою, елементи, що потрапляють з шихтою в доменну піч, в залежності від їх перетворень в умовах доменної плавки можна розділити на:

а) Сu, Ni, Co, Pb, P, Zn, Fe, які практично повністю відновлюються;

б) Si, Mn, Cr, V, Ti та інш., що частково відновлюються;

в) Ca, Mg, Al, Ba та інш., що не зазнають відновлення.

Крім того з діаграми видно, що:

1. з підвищенням температури хімічна спорідненість елементів (речовин) до кисню знижується.

2. на деяких прямих при визначених температурах є переломи, що викликані зміною агрегатного стану речовин та різкою зміною хімічної спорідненості цих елементів до кисню. В результаті цього послідовність розташування оксидів у черзі хімічної спорідненості до кисню зі зміною температури може змінюватися. Так, при низьких температурах MgO є більш міцним, ніж Al₂O₃.

3. кожний елемент може відновлювати інші елементи, лінії G⁰ = f(T) яких при визначених температурах розташовані вище.

В умовах доменної плавки, в якій відновлюється Fe та в невеликій кількості силіцій, марганець та деякі інші елементи, неможна вести відновлювальний процес за допомогою металів, що мають більшу спорідненість до кисню, ніж залізо, марганець та кремній. Отримати їх через високу спорідненість до кисню важче та дорожче, ніж Fe, Mn, Si, що відновлюються в чавун.

Рис 3.1 Залежність хімічної спорідненості речовин до кисню (ізобарного потенціалу оксидів ∆G º) від температур

Тому відновником в доменній печі є вуглець, який легко отримати, він має широке розповсюдження та порівняльно високу спорідненість до кисню. Якщо спорідненість до кисню всіх елементів та речовин (див.рис.3.1) з підвищенням температури знижується,то вуглецю - підвищується. При температурах праворуч точок А, Б, В,..., М вуглець відновлює відповідні оксиди.

В умовах доменної печі вуглець може поновлювати майже всі елементи, що показані на діаграмі. При відносно невисоких температурах відновниками багатьох оксидів є, крім вуглецю, монооксид вуглецю (СО) та водень (Н₂), хімічна спорідненість яких до кисню з підвищенням температури зменшується.

Відновлювання елементів, що утворюють оксиди, відбувається ступінчато, з послідовним виділенням частини кисню та переходом менш міцних оксидів в більш міцні за схемою:

МеО₂ Ме₂О₃  Ме₃О₄  МеО  Ме