yandex.metrica
Доменный процесс

Развитие прямого восстановления в доменной печи

Начиная с температур 800—900° С и особенно при более высо­ких температурах, восстановление окислов и более сложных со­единений железа происходит с участием твердого углерода. Этот процесс принято называть прямым восстановлением. Однако сле­дует иметь в виду, что твердый углерод расходуется не на непо­средственное взаимодействие с окислами, а на регенерацию им окиси углерода в газовой фазе по реакции: С + СО2 = 2СО, причем при высоких температурах эта реакция протекает весьма полно, обеспечивая газовую фазу с малыми содержаниями СО2. Образу­ющаяся СО2 вследствие восстановления окисью углерода (FeО + СО = Fе + СО2) вновь превращается углеродом в восстанови­тельную составляющую СО. Таким образом, реакцию прямого восстановления следует рассматривать как состоящую из двух стадий: косвенного восстановления с помощью СО и взаимодей­ствия СO2 с углеродом.

В интервале температур 800—1000° С наблюдается смешанное восстановление (прямое и косвенное) с одновременным расходова­нием СО и С и неполной регенерацией СО из СО2 за счет углерода. Областью исключительного протекания прямого восстановления следует считать область температур 1100—1200° С и выше.

Соотношение развития прямого и косвенного восстановления в доменной печи отражается на важнейших показателях доменной плавки и в первую очередь на расходе кокса. Вопрос об оптималь­ном соотношении этих двух процессов всегда рассматривается как один из основных для достижения экономичной и производитель­ной работы доменной печи.

Расходование углерода на слабо экзотермическую реакцию косвенного восстановления FеО подсчитывается по уравнению

FеО + 2,5СО = Fе + 1,5СО + СО2 + 16,06 кдж/моль

(3,835 ккал/моль)

В коэффициентах 2,5 и 1,5СО выражается предельное исполь­зование восстановительной способности газа, так как из 100% СО по равновесной диаграмме (см. рис. 32) при 700° С только 40% СО может превратиться в СО2 и

%CO / %CO2 = 60/40 = 1,5

Количество углерода, расходуемое на восстановление 1 кг железа, составит (2,5 • 12) : 56 = 0,536 кг.

При учете дополнительного расхода углерода на растворение в чугуне (около 0,4 кг) и восстановление кремния, марганца и фосфора (около 0,2 кг на I кг чугуна) общий минимальный расход углерода при полном косвенном восстановлении FеО будет 0,536 + 0,4 + 0,2 = 0,596 кг, или в пересчете на количество кокса, содержащего 86% С, (0,596-100) : 86 = 0,694 кг.

В то же время реакция прямого восстановления, требующая больших затрат тепла, является очень экономичной с точки зрения затрат углерода, так как обеспечивает практически полное исполь­зование углерода с превращением в СО:

FеО + С = Fе + СО — 156,5 кдж/моль (—37,38 ккал/моль).

Расходуемое количество углерода по этой реакции составит 12 : 56 = 0,214 кг.

Определение оптимальных условий доменной плавки по расходу углерода коксаВозвращаясь к величине минимального расхода кокса при полном косвенном восстановлении 0,694 кг, следует сказать, что многие доменные печи в настоящее время уже достигли более низких удельных расходов кокса. Это возможно только при одновременном развитии прямого восстановления, требующего гораздо меньших затрат углерода.

Оптимальное с точки зрения расхода углерода соотношение между этими видами восстановительных процессов можно рассмотреть, используя показатель прямого восстановления М. А. Павлова. Это в простейшем варианте отношение количества железа, восстановленного углеродом из FеО ко всему восстановленному в печи железу. Показатель прямого восстановления рассчитывается из состава колошниковых газов и материального баланса процесса. В указанном варианте при расчете не учитываются поправки на частичное восстановление Fе3O4 углеродом и изменение состава газовой фазы под влиянием реакции С + СO2 ↔ 2СО.

Если представить расход углерода на единицу чугуна относи­тельно показателя прямого восстановления rd, то можно наглядно показать оптимальные условия процесса плавки по расходу угле­рода. В общем виде такая зависимость показана на рис. 34.

Прямая АВ отражает расход углерода как восстановителя, указывая на постепенное уменьшение этого расхода с возрастанием показателя rd от 0 до 1. Прямая СD отражает расход углерода как топлива, который возрастает с увеличением показателя прямого восстановления. При полном косвенном восстановлении также требуется расход углерода на нагрев, учитывая другие процессы плавки (кроме восстановления FеО), идущие с затратами тепла.

Условия, получающиеся левее точки пересечения прямых АВ и СИ (на рис. 34 в точке Е), соответствуют более высокому расхо­дованию углерода на процесс косвенного восстановления (участок прямой АВ, точка К) при более низкой потребности в углероде как топливе (участок прямой СD, точка К1)- Избыток углерода кокса дает при сгорании у фурм излишнее количество тепла, ча­стично, уносимое колошниковым газом. Правее точки Е полу­чается, наоборот, более высокий расход углерода как топлива, чем его потребность как восстановителя, т. е. использование углерода вновь получается неэкономичным.

Точка пересечения рассматриваемых прямых характеризует одновременное оптимальное удовлетворение потребностей в угле­роде как топливе и как восстановителе без перерасхода его из-за несоответствия этих потребностей. Это минимальный расход угле­рода, соответствующий по теоретическим расчетам приблизи­тельно 0,3 кг/кг Fе при rd = 0,25÷0,30. Действительные расходы кокса еще далеки от расчетных оптимальных величин. Более высокими получаются до настоящего времени и показатели прямого восстановления га, достигающие 0,5—0,65. Это указывает на нали­чие значительных резервов для понижения расхода кокса.

Основными средствами в этом направлении являются меры, повышающие долю косвенного восстановления и увеличивающие полноту использования восстановительной способности доменного газа, т. е. тщательная подготовка шихтовых материалов к плавке и улучшение распределения газового потока в печи.

Из рис. 32 следует, что доменный газ при 700° С имеет вместо принятого в расчете равновесного отношения СО/СО2 = 1,5 зна­чительно более высокое — 4 (80/20). Поэтому реальный расход углерода на косвенное восстановление будет выше, чем рассчитан­ный; прямая АВ (см. рис. 34) переместится кверху, а точка Е будет соответствовать большим расходам кокса и показателям rd. Меры по повышению полноты использования газа на восстановление будут смещать условия ближе к показанным на рис. 34 и снижать расход кокса и rd.

В то же время целесообразны мероприятия, снижающие расход кокса как топлива (уменьшение содержания пустой породы и коли­чества шлака, повышение температуры дутья). При их проведении показатель прямого восстановления будет несколько возрастать, а удельный расход кокса снижаться.