Металлургия

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ОКИСЛОВ ЖЕЛЕЗА

В соответствии с основными закономерностями процесса восстановления окислов железа, выявленными академиком А. А. Байковым, высший окисел железа Fe203 превращается в железо последовательно через промежуточные окислы. Из курса теории металлургических процессов известно, что закись железа неустойчива при температуре ниже 570° С и превращается в Fe и Fe304 по реакции
4FeO = Fe + Fe304.
При этом реакции протекают по следующей схеме:
а) при температуре ниже 570° С
Fe203 -> Fe304 -> Fe,
б) при температуре выше 570° С
Fe303 -> Fe304 - FeO -> Fe.
Это, конечно, не точная схема, так как фактически образуются еще и твердые растворы Fe304 в FeO (вюстит) и Fe203 в Fe304.
Восстановителями окислов железа в доменной печи служат углерод, окись углерода и водород. Восстановление углеродом принято называть прямым восстановлением, а газами — косвенным.
Однако непосредственное взаимодействие углерода с твердыми окислами ограничено несовершенством контакта между кусковыми материалами. Прямое восстановление понимают шире, чем непосредственное взаимодействие углерода кокса с окислами. Фактически процесс связан с газовой фазой и состоит из двух стадий: косвенного восстановления и реакции взаимодействия С02 с углеродом:
МеО + СО = Me + С02;
С02 + С = 2СО.
Таким образом, главное, что отличает процесс прямого восстановления от косвенного, это расходование углерода, т. е. с развитием реакций прямого восстановления сокращается количество углерода, достигающего фурм.
Восстановление окислов железа окисью углерода протекает по следующим реакциям:
а) при температуре выше 570° С
1. 3Fe203 + СО = 2Fe304 + С02; АНт = —63 120 кдж/кмоль (—15 050 ккал/кмоль);
2. Fe304 + СО = 3FeO + С02; АНт = 22 470 кдж!кмоль (5350 ккал/кмоль);
3. FeO + СО = Fe + С02; АНт = —13 230 кдж/кмоль (—3150 ккал/кмоль);
б) при температуре ниже 570° С.
1. 3Fe203 + СО = 2Fe304 + С02; АЯ298 = —63 120 кдж/кмоль (—15 050 ккал/кмоль);
2. Fe304 + 4CO = 3Fe + 4С02; АНт = —17220 кдж/кмоль (—4 100 ккал/кмоль).
Однако нельзя не считаться с тем, что реакции прямого восстановления протекают с затратой тепла. Кроме того, увеличение степени прямого восстановления приводит к снижению количества кокса, достигающего фурм, следовательно, к уменьшению прихода тепла в горне. Это и есть тот основной фактор, ограничивающий развитие прямого восстановления. Для устранения этого недостатка необходимо нагревать дутье до весьма высокой температуры.
Оптимальная степень развития косвенного восстановления может быть определена расчетом, она составляет 60—85%. В реальных условиях доменной плавки она еще не достигнута. Поэтому следует принимать меры для улучшения условий восстановления шихты газами (подготовка шихты и надлежащее распределение материалов на колошнике), что приведет к снижению расхода топлива и повышению производительности печей.
Для ускорения реакций восстановления кусков железорудной шихты необходимо создать условия для развития внешней и внутренней диффузии молекул газа, химической адсорбции восстановителя на поверхности пор реакционной зоны, десорбции молекул С02 или Н20 с твердой поверхности и перехода их в газ. Скорость восстановления возрастает с повышением до определенных пределов температуры, скорости газового потока, давления и концентрации СО и Н2, а также с уменьшением размера кусков и повышением их пористости. В доменной печи скорость газового потока достаточно велика, внешнее диффузионное сопротивление весьма мало, а состав газа вполне благоприятен для быстрого протекания реакций восстановления окислов железа. Необходимо лишь избегать плохого распределения материалов и обеспечивать условия для протекания активных восстановительных процессов не только в отдельных зонах или участках, но и во всем объеме печи.