4.4 Операционная прямая доменного процесса а. Риста

Процесс стационарного противоточного массообмена, который имеет место в нормально работающей доменной печи известный металлург, профессор ведущего технического университета Франции (L’Ecole Central des Arts et des Manufactures) Андре Рист (прямой праправнук Александра Герцена) математически описал и графически представил в виде операционной прямой. Уравнение операционной прямой и ее графическая интерпретация используются в настоящее время металлургами всех континентов для анализа состояния процесса и влияния на работу доменной печи различных факторов. Все расчеты при выводе уравнения операционной прямой ведутся с использованием размерности атомов и молей. Графически операционная прямая строится в координатах:

Y = (O+H₂)/Fe (21)

X = (O+H₂) /(C+H₂) (22),

где Y - «окисленность» шихты в доменной печи, а Х – окисленность газа. При этом окисленность восстановителей СО и Н₂ принимается равной 1, а окисленность СО₂ и Н₂О соответственно равна 2.

Уравнение операционной прямой (или уравнение кислородообмена) для стационарного противоточного массообмена в шахтных восстановительных реакторах (шахта доменной печи, шахтный восстановительный реактор Midrex или HyL и др.) выводится из баланса кислорода, отнимаемого от оксидов железа газообразными восстановителями (рис.29.).

Рис. 29. Уравнение противоточного массообмена в шахте доменной печи

В приведенных на рис. 29 уравнениях n_Fe и n_(C+H2) – потоки железа и восстановительного газа (кг•моль/мин), а µ= n_(C+H2) / n_Fe – удельный расход восстановительного газ (кг•моль (С+H₂)/кг•моль Fe). Графически фрагмент операционной прямой, отражающий изменение окисленности шихты и газа по высоте шахты доменной печи при ее «идеальной» работе, т.е. при достижении равновесного состава газа в зоне восстановления вюстита, представлен на рис.30.

Рис.30. Фрагмент операционной прямой доменного процесса

Операционная прямая доменного процесса строится с учетом закономерностей теплообмена в доменной печи, а именно с учетом того, что в пределах термически резервной зоны имеются условия для достижения химического равновесия для реакций восстановления железа из вюстита монооксидом углерода и водородом. При таком равновесии окисленность вюстита У_w=1,05 отвечает окисленности газа равновесного состава при температуре термически резервной зоны, которая в зависимости от реакционной способности кокса и восстановимости шихтовых материалов может варьировать в пределах 850-1050 ^оС. Равновесные окисленности смесей СО-СО₂ (Хw₁) и Н₂-Н₂О (Xw₂) при различных температурах представлены в таблице 10.

Таблица 10. Равновесные окисленности газа для реакций восстановления железа из вюстита монооксидом углерода (Хw₁) и водородом (Хw₂).

Температура газа в термически резервной зоне, оС	Xw1	Xw2
850	1,333	1,361
900	1,315	1,375
950	1,299	1,396
1000	1,285	1,403
1050	1,274	1,417

Равновесная окисленность газовой смеси СО-СО₂-Н₂-Н₂О определяется как

Хw = Xw₁ + h(Xw₂-Xw₁) (23)

где h – мольная доля водорода в смеси

h = (H₂ +H₂O)/(CO+CO₂+H₂+H₂O) (24)

При h=0,5 равновесная окисленность газовой смеси Xw для реакции восстановления железа из вюстита не зависит от температуры газа в изотермической зоне печи и равна 1,345. Отмеченная независимость координаты X_W от температуры в изотермической зоне при доле водорода в газовой смеси СО + Н₂ равной или близкой 0,5 дает возможность задаваться этой температурой без какого-либо влияния на точность расчетов.

Штрихами на рис.30 обозначен равновесный контур для реакций восстановления вюстита (точка W) и магнетита (точка М). Ординаты этих точек определяются окисленностю вюстита (1,05) и магнетита (1,33), а абсциссы – суммарной окисленностью газа равновесного состава для соответствующих реакций при температуре изотермической зоны.

Путем совместного решения уравнения массобмена (кислородообмена) в шахте и уравнения теплового баланса (теплопотребности) нижней зоны доменной печи А.Рист получил уравнение операционной прямой доменного процесса для работы доменной печи на подготовленных шихтовых материалах (без сырого известняка в шихте), когда теплопотребность процесса в целом полностью определяется теплопотребностью нижней зоны. Иначе говоря, когда теплоты газов, выходящей из нижней зоны (нижней ступени теплообмена) достаточно для нагрева шихты, опускающейся с колошника, до температуры термически резервной зоны. Графически уравнение операционной прямой доменного процесса для случая «идеальной» работы доменной печи представлено в тех же координатах в виде прямой, проходящей через точки W и P. Координаты точки Р на этой прямой определяются теплопотребностью нижней зоны (Q) для выплавки чугуна заданного состава при данных параметрах комбинированного дутья (температура, влажность, содержание кислорода, расход и состав вдуваемого топлива), составе чугуна и выходе шлака. Координата Хр зависит только от температуры и влажности дутья и определяется по уравнению:

Хр =q_r(1+2e)/[ q_r(1+2e) + q_c + q_д + eq_e] (25)

где: q_r, q_c, q_д, q_e, q_j, e - соответственно: тепловой эффект реакции газификации; тепловой эффект реакции окисления углерода до СО; избыток или недостаток «теплосодержания» дутья по отношению к температуре газа в изотермической зоне; затраты тепла в горне, связанные с влагой дутья; влажность дутья.

А координата Ур определяется графически на диаграмме операционной прямой как точка пересечения двух прямых: вертикальной прямой ∆1 при Х = Хр и наклонной прямой ∆2, соединяющей точки U и V с координатами:

Х_U = 0, X_V = 1, Y_U = y_эл + у_k + y_s , Y_V = Q/q_r (26)

где: y_эл, у_k, y_s , Q – количество молей восстановительного газа (СО и Н₂), образующихся при прямом восстановлении Si, Mn, P и других трудновосстановимых элементов (y_эл), из летучих веществ кокса (у_k), в реакции десульфурации чугуна (y_s ) и теплопотребность нижней зоны печи (затраты тепла на расплавление чугуна и шлака, эндотермические реакции и на покрытие потерь тепла в нижней зоне печи).

Координату Yp можно вычислить также по уравнению:

Yp = [у_эл + у_s + y_k +(a + в)∙y_j](Х-1) – (Q + _Yj∙q_j)Xp/q_r (27)

где: (a + в), y_j, q_j – количество молей водорода и атомов кислорода в одном моле вдуваемого топлива (а+в), расход вдуваемого топлива (y_j ), затраты тепла на диссоциацию вдуваемого топлива (y_j). Для приведения к единой размерности величин на оси ординат теплопотребность процесса (Q) выражается числом атомов С на один атом Fe (Q/q_r).

Отрезок ВЕ на операционной прямой отражает формирование газа в горне доменной печи в процессах окисления углерода топлива кислородом дутья (y_д +2y_e), из водорода (a) и кислорода (в) вдуваемого топлива (а+в)y_j, в процессах прямого восстановления трудновосстановимых элементов (y_эл), десульфурации чугуна (у_s), выделения летучих кокса (у_k) и при прямом восстановлении железа (y_d). Ординаты точек В и Е равны: У_В = у_d,

У_Е = - (у_эл + у_s + y_k + ay_j + вy_j + у_д +2е) (28)

Соответственно отрезок АВ на прямой отражает процесс окисления газа в процессе восстановления железа из оксидов.

Тангенс угла α наклона операционной прямой равен расходу восстановительного газа на единицу восстанавливаемого в печи железа - (С+Н₂)/Fe. Это позволяет наглядно демонстрировать влияние на расход топлива и на степень прямого восстановления железа в доменной печи различных факторов.

Так, при снижении температуры в термически резервной зоне равновесные концентрации СО в газе уменьшается и абсцисса точки W увеличивается (в случаях, когда мольная доля водорода в газе менее 0,5). При сохранении теплопотребности нижней зоны на прежнем уровне наклон операционной прямой увеличивается, т.е. расход восстановительного газа и, следовательно, топлива на процесс снижается (рис.31, прямая А¹-E¹).

Рис. 31. Изменение положения операционной прямой при снижении температуры в термически резервной зоне.

Позитивный смысл идеи работы на высокореакционном коксе заключается именно в этом, т.е. в снижении температуры в термически резервной зоне, которое достигается при одновременном использовании в печи материалов с повышенной восстановимостью и высокореакционного кокса.

При ухудшении условий восстановления железа в шахте печи состав газа в изотермической зоне отклоняется от равновесного в сторону уменьшения окисленности и операционная прямая отходит от точки W, вращаясь вокруг точки Р (рис. 32 прямая А¹-E¹ ). При этом тангенс угла α растет, т.е. расход восстановителя (и топлива) увеличивается.

Рис. 32. Изменение положения операционной прямой при ухудшении условий восстановления оксидов железа в шахте.

При вдувании топлива в фурмы (или увеличении расхода вдуваемого топлива) отрицательные значения координаты У_Р увеличиваются и координата X_W также увеличивается, так как увеличивается мольная доля водорода (h) в восстановительном газе (рис.33, прямая А¹-E¹)

Рис. 33. Изменение положения операционной прямой вдувании топлива в фурмы

При увеличении влажности дутья точка Р по прямой ∆₂ перемещается вправо, а при увеличении температуры дутья – влево (рис. 34, прямые А¹-E¹ и А¹¹-E¹¹). При уменьшении этих параметров точка Р перемещается в противоположных направлениях.

Рис. 34. Изменение положения операционной прямой при увеличении влажности и температуры дутья.