Важнейшими свойствами железосодержащих материалов, ока­зывающими сильное влияние на скорость процессов их восстано­вления, являются:

  • химический состав, аллотропическая модификация и кри­сталлическая структура окислов железа;
  • размеры кусков материалов, количество, размеры и харак­тер распределения пор в ходе процесса восстановления;
  • химический состав и распределение сложных соединений железа (связок) и пустой породы в кусках восстанавливаемых материалов.

Влияние каждого из указанных факторов на ход восстановле­ния весьма трудно количественно оценить в условиях промышлен­ной доменной плавки. Определенные сведения в этом отношении дают лабораторные исследования, позволяющие варьировать изме­нения одного из свойств и получать количественные показатели его влияния на скорость восстановления.

В практике доменного производства уже давно известна раз­личная восстановимость применяемых руд и агломератов. В соот­ветствии с наблюдающимися различиями, перерабатываемые руды делятся на легковосстановимые (бурые железняки, шпатовые железняки) и трудновосстановимые (магнитные железняки).

Эти группы руд различаются уже по температурам начала восстановления газами. Сырой бурый железняк начинает восста­навливаться с заметными скоростями при 220° С, в то время как сырой магнитный железняк лишь при 400° С. Скорость последу­ющего восстановления бурого железняка значительно превышает скорость восстановления магнитного железняка. Это связано не только с физическим состоянием руды (магнитный железняк плотен, а бурый железняк порист), но и с составом, кристалличе­ской структурой и аллотропическим состоянием окислов железа, так как различия сохраняются и при измельчении руд. Как пра­вило, разновидности окислов железа, полученные при пониженных температурах, обнаруживают большие скорости восстановления. Естественный сырой магнитный железняк, содержащий магнитную окись железа, образованную в изверженных породах при высоких температурах, дает малые скорости восстановления. В то же время магнитная окись железа, образующаяся в процессе восстановления бурых железняков из Fe2O3, восстанавливается со значительно большими скоростями, чем Fe3O4 магнитного железняка.

Очевидно, здесь играет роль кристаллическое состояние зерен окислов и понижение адсорбционной активности поверхности при высоких температурах образования или спекания.

Влияние размеров кусков материалов на скорость восстановле­ния по-разному проявляется для руд и агломератов (рис. 33, данные А. Н. Похвиснева и М. С. Гончаревского). Для руд размер кусков сильно сказывается в определенном интервале их круп­ности. Одновременно сильнее сказывается начальная величина пористости. Восстановимость агломератов меньше зависит от раз­меров его кусков и становится лучше восстановимости руды при более крупных кусках (поперечником 20—25 мм).

Зависимость степени восстановления от вели¬чины кусков руд и агломератов и их пористости (вос-становление водородом при 800 С в течение 30 мин)

Агломерат, как правило, получается более пористым, чем исходная руда (например, при агломерировании магнитных же­лезняков). Однако значительная часть пор может быть крупными и иногда не выходящими на поверхность куска. Положительное влияние таких пор сказывается в основном в более крупных кусках и менее сильно, чем влияние мелких пор, пронизывающих восстанавливаемый материал на значительную глубину. Большее значение имеет механическая прочность агломерата, позволяющая сохранить первоначальные размеры кусков при их продвижении по высоте печи и обеспечить тем самым достаточную газопроницаемость столба перерабатываемых материалов (неагломерированные руды более склонны к растрескиванию и измельчению).

Благоприятное влияние пористости, особенно при крупно­кусковом материале, усиливается для таких руд, как бурые железняки и сидериты за счет выделения летучих веществ. Из бу­рых железняков уже при низких температурах (до 400° С) выде­ляется гидратная влага. По образующимся при этом порам легко проникает в глубь кусков газ-восстановитель. Большое коли­чество летучих (СO2), действующих аналогичным образом, будет выделяться при нагреве шпатовых железняков (сидеритов), со­держащих железо в виде FeСO3.

В некоторых случаях начальная пористость руд и агломератов может уменьшаться. С повышением температуры до 1000—1100° С вследствие размягчения материалов под воздействием нагрузки вышележащих слоев шихты они могут терять свою первоначаль­ную пористость и контактировать с газом-восстановителем практи­чески только по поверхности кусков.

Изменение условий восстановления руд может быть связано с составом и распределением содержащейся в них пустой породы. Тонкое смешение мелких частиц пустой породы с зернами железо­содержащих минералов может препятствовать диффузии газа-восстановителя к поверхности этих зерен. В этом отношении вы­годнее расположение пустой породы крупными изолированными участками. Обволакивание зерен железосодержащих материалов пленкой пустой породы или связки, естественно, является крайне неблагоприятным условием, затрудняющим восстановление. Осо­бенно отчетливо это может проявляться при восстановлении неофлюсованного агломерата с фаялитовой связкой. Силикаты железа, присутствующие в неофлюсованном агломе­рате в виде фаялита 2FeO-SiO2, являются наиболее трудновосстановимыми соединениями железа в шихтовых материалах и восстанавливаются преимущественно с участием твердого угле­рода. Будучи еще не восстановленными, они вследствие низкой температуры плавления способны к пленкообразованию, затруд­няя проникновение газа-восстановителя к месту реакции. В этом отношении значительно лучшими свойствами обладает офлюсован­ный агломерат. Восстановление сложных соединений железа облегчается вследствие образования силикатов кальция, например по реакциям:

2FeO·SiO2 + CaO + 2С = 2Fe + 2CaO·SiO2 + 2СО;

∇G° = 216,7 — 0,325T кдж/моль (51700—76,5Т кал/моль).

При этом силикаты кальция могут образовываться в ходе вос­становления при содержании в агломерате наряду с фаялитовой связкой свободной извести. Возможна также обменная реакция с образованием более химически прочного силиката кальция:

2FeO-SiO2 + 2СаО = 2FeO + 2CaO-SiO2.

При более сложном составе связок офлюсованного агломерата (ферромонтичеллит CaO-FeO-SiO2, оливины CaOx FeO(2-x)SiO2) их восстановление протекает несколько легче, чем восстановление фаялита.