Новые процессы получения металла (металлургия железа)

новления определяется временем восстановления вюстита. Однако наличие высших оксидов существенно влияет на сос­ тав отходящего газа. Так, при восстановлении смесью СО и Н2 в отличие от восстановления вюстита, где уже в первые минуты после начала опыта устанавливается постоянное соотношение СО и Н2 в отходящем газе, при восстановлении

время достижения различной степени участия водорода в процессе восстановления. Анализ состава газов по высоте слоя оксидных материалов показал, что в пределах зоны

При высоких содержаниях водорода в исходной смеси реакция водяного газа служит как бы поставщиком оксида углерода, при низких содержаниях водорода— поставщиком последнего.

Реальные руды имеют сравнительно высокую пористость, поэтому парциальное давление восстановителя меняется в пределах частицы, а реакционная поверхность определяется доступностью зерен газу-восстановителю. В этих условиях, по исследованиям Д.И.Рыжонкова, измельчение частиц желе­ зорудного материала в определенных пределах не будет ска­ зываться на протяженности зоны реагирования. Исследование влияния температуры на кинетику восстановления в слое частиц показало, что необходимо учитывать воздействие температуры на термодинамические и кинетические параметры процесса восстановления. Равновесные характеристики для водорода и оксида углерода при восстановлении вюстита изменяются в противоположных направлениях (см. рис. 4), а константы скорости растут в обоих случаях. Наложение тен­ денций увеличения (для Н2) и уменьшения (для СО) степени использования восстановительной способности с ростом тем­ пературы будет определять суммарное количество кислорода, отнимаемого от оксида с изменением температуры.

При восстановлении в слое смеси различных оксидов Д.И.Рыжонковым и другими исследователями показано, что с точки зрения скорости восстановления и улучшения степени использования восстановителя целесообразно получать столб 92

ИкХ

Pic. 18. Изменение концентрации окислителя по высоте слоя в изотермических условиях:

при малом (i) и большом (2) значении и

Величины к и w для реакции первого порядка имеют оди­ наковую размерность (время-1), поэтому для такого случая

представляет собой безразмерный критерий слоевого восста­ новления, величина которого характеризует тип процесса.

При малых значениях и (например, при использовании трудновосстановимых оксидов, при низких температурах или высокой объемной скорости газа) процесс приближается к условно называемому кинетическому типу, означающему, что восстановление одновременно протекает во всем объеме слоя материалов при очень малом накоплении в газе продуктов реакции.

При большой величине и (например, при малом относи­ тельном расходе газа) процесс приближается к потоколими­

ние локализуется в плоскости сечения слоя, которая по­ стоянно перемещается снизу вверх.

где <р— коэффициент пропорциональности, и проинтегриро­ вать выражение (122) с учетом (125) для начальных условий х = 0 и Np = a, получим

F HC. 19. Изменение концентрации C02 для неизотермических условий и экзотер­ мического процесса:

1 — при малой величине и\ 2 — при большом значении и; 3 — равновесие; 4 — асимптоты

Ршс. 20. Изменение концентрации Н20 для неизотермических условий и эндотер­ мического процесса (обозначения — см. рис. 19)

Асимптоты параллельны равновесной линии, но расположе­ ны выше последней. Кривые 1 и 2 пересекают равновесную линию в точках с координатами х « а/(аи + <р). В связи с этим восстановление вюстита водородом в отличие от оксида углерода возможно лишь в определенном объеме слоя, где фактическое содержания *Н20 ниже равновесного. Величина этого участка также зависит от типа процесса и с ростом и уменьшается. Таким образом, восстановление FeO оксидом углерода возможно по всей высоте шахтной печи, а водоро­ дом— лишь в нижней ее части.

Формула (122) показывает, какие факторы влияют на ско­ рость слоевого процесса. Чем дальше состав газавосстановителя от равновесного, тем выше скорость процес­ са, поэтому при проведении процесса восстановления шихты

(д>), тем меньше доля окислителя, образующегося в ходе вос­ становления. Однако чрезмерно высокое количество газавосстановителя снижает экономическую эффективность про­ цесса.

По кинетическим характеристикам водород превосходит оксид углерода, и наблюдаемая константа скорости при использовании водорода выше, что подтверждают многочис­ ленные лабораторные исследования. Однако при значениях о>,

характерных для промышленных шахтных печей, по данным Н.Л.Гольдштейна с сотрудниками, из-за более быстрого приближения фактического содержания водяного газа к рав­ новесному эти кинетические преимущества проявляются сла­ бо. Существует мнение, что наилучшие результаты восста­ новления в шахтных печах могут быть достигнуты при нали­ чии в газе-восстановителе Н2 и СО. При этом в области вы­ соких температур восстановление ведется преимущественно водородом, а в средних и верхних зонах — оксидом углеро­ да.

Показатели развития процессов восстановления

Степень восстановления и восстановимость материалов

к данному моменту времени кислорода к начальному коли­ честву всего кислорода оксидов железа. Необходимо отме­ тить, что этот показатель является аналогом величины сте­ пени превращения вещества, определяемой при твердофазной реакции. Это еще раз свидетельствует о близости этих про­ цессов, а, как уже указано выше, после достижения опреде­ ленной степени восстановления (40—50 %) процесс идет преимущественно по твердофазному механизму, т.е. скорость восстановления определяется скоростью перемещения вещест­ ва в твердой фазе.

Восстановимость железорудного материала численно равна степени восстановления, достигаемой за определенный про­ межуток времени процесса. Она характеризует способность железорудного материала с большей или меньшей скоростью отдавать кислород, связанный с железом, газообразному восстановителю. Чем выше восстановимость материала, тем меньше при прочих равных условиях время пребывания желе­ зорудного материала в восстановительном агрегате. Таким образом, восстановимость — важное свойство железорудного материала.

Учитывая, что в восстановительном агрегате происходит изменение содержаний СО; С02; Н2; Н20 из-за реакции водя­ ного газа, иногда определяют суммарную степень использо­ вания восстановительной способности смеси газов:

Проведение анализа отходящего газа на СО; С02 и Н2 не представляет трудностей, но до настоящего времени нет на­ дежного экспресс-метода определения содержания в газе во­ дяных паров, что затрудняет текущий контроль использова­ ния восстановительной способности газа. В МИСиС А.Н.Похвисневым с сотрудниками разработан метод определения сте­ пени использования восстановительной способности водорода без анализа отходящего газа на водяной пар. Этот метод

g = HjACO*0"* + С02онв), получили:

Н2 = Н2(1 - 0,01Н2О); СО' = СО(1 - 0,01Н2О);

СО; = С02(1 ^ 0,01Н2О).