Відповіді на питання по курсу «Теорія металургійних процесів»

1.Випаровування вологи і розкладання карбонатів в доменній печі.

Термодинаміка розкладання карбонатів

Волога до доменної печі вноситься залізняком – до 6 %, коксом – 5 %, добавками – до 4 %, а також агломератом і окатишами. Основна частина вологи - гігроскопічна (фізична) і менша частина – гідратна (хімічна). Гідратна волога присутня в бурих залізняках у вигляді Fe₂O₃·nH₂O, а також у рудах з каолінітовою порожньою породою – Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O.

Гігроскопічна волога легко видаляється на колошнику при температурі до 500^°С, що не веде до перевитрати коксу. Проте великий вміст вологи приводить до істотних розладів ходу печі і похолодань у зв'язку з підвищеними витратами тепла. Наприклад, збільшення в коксі вмісту вологи на 1% (5 кг / тону чавуну), підвищує його витрату на 1%. Встановлено, що зміна вмісту вологи в матеріалах, а найчастіше в коксі, відразу ж впливає на витрату коксу в подачі.

Гідратна волога починає випаровуватись при температурі більше 200^° С і закінчує - при більше 600^° С, коли вже проходять процеси відновлення. При цьому може проходити реакція:

При вищій температурі випаровується волога з каолініту. Залишок вологи до 5% присутній навіть при 800 – 1000^° С. При цьому можливі реакції:

Видно, що ці реакції проходять з витратою тепла, що небажано, тому їх слід переносити за межі доменної печі. Аби зменшити вірогідність взаємодії вологи з вуглецем коксу, необхідно дробити руду до мінімально можливих розмірів – 10 – 20 мм.

Звичайний вапняк містить 96 – 98 % CaCO₃, доломітизований, – стільки ж CaCO₃·MgCO₃.

При нагріванні карбонати розкладаються за реакцією:

Як видно, розкладання супроводиться поглинанням тепла. Константа рівноваги реакції, в якій MeCO₃ і MеO знаходяться у вигляді чистих кристалічних фаз, визначається рівноважним парціальним тиском CO₂, званим пружністю дисоціації карбонату і залежного лише від температури.

Чим нижче карбонату, тим він міцніший. Із збільшенням температуризростає, а міцність карбонату знижується. Але із зростанням температури парціальний тиск CO₂ в газовій фазі – знижується. Порушення нерівностів точці “А” відповідає початку розкладання карбонату. Зміна ж знаку відповідає утворенню карбонату.

Найміцнішим є карбонат кальцію, пружність дисоціації якого описується рівнянням:

Розкладання карбонату відбувається при температурах правіше кривої 2, де .Лівіше ж кривої 2 йде утворення карбонатів, тобто реакція (1) зміщується вліво.

З теорії металургійних процесів відомо, що карбонат кальцію при атмосферному тиску розкладається при температурі близько 920^° С. В доменній печі тиск газу в середині шахти, де завершується розкладання вапняку, досягає 270 кПа, тому тут розкладання вапняку завершується при вищій температурі – близько 975^° С (точка “B” на малюнку), коли перевищує тиск в цій доменній печі. Ця температура називається температурою хімічного кипіння CaCO₃. Вона в часі залишається постійною до повного розкладання всього шматка карбонату.

Завершується розкладання CaCO₃ вже в нижніх зонах печі, де активно відбувається реакція:

тобто проходить з поглинанням великої кількості тепла.

Аби уникнути взаємодії вуглецю коксу з CO₂ вапняку, необхідно дробити шматки вапняку до розмірів 50 – 60мм, аби вони змогли розкластися до 1000^° С, інакше це викличе перевитрату коксу.

Практикою встановлено, що до 70% СО₂ взаємодіє з вуглецем коксу. Перевитрата коксу викликана наступними причинами:

• негативним тепловим ефектом реакції дисоціації карбонату, який частково компенсується лише горінням додаткової кількості коксу у фурм;

• реакцією взаємодії СО₂+С;

• пониженням відновного потенціалу газу у зв'язку з розбавленням його продуктом розкладання карбонатів – СО₂

Збільшення витрати коксу знижує продуктивність печі й інтенсивність по газу.

Побачивши негативний вплив карбонатів на показники доменної плавки, дослідники запропонували вводити вапняк в агломерат при його спіканні й отримали офлюсований агломерат, а разом з ним економію тепла – близько 6,5 МДж на кг СО₂ карбонатів. За розрахунками Рамма, заміна (вивід з шихти доменної печі) 1 кг вапняку економить 0,4 кг коксу. Фактична ж економія складає меншу величину.

В даний час вапняк в доменну піч подається в мінімальних кількостях – лише для термінових підшихтовок в результаті швидких змін теплового стану: при похолоданні з SiO₂ шлаку відновлюється менше кремнію, і основність шлаку знижується і навпаки.