Восстановление других элементов

 

Возможность восстановления элементов из доменной шихты во многом определяется их сродством к кислоро­ду. По степени сродства в порядке его возрастания они могут быть расположены следующим образом: Cu, As, Ni, Fe, Р, Zn, Mn, V, Cr, Si, Ti, Al, Mg, Ca.

Целиком восстанавливаются и переходят в состав чугуна медь, мышьяк, фосфор. Полностью восстанавли­вается цинк, но он улетучивается и откладывается в швах кладки печи, что приводит к их разрушению. Вана­дий и марганец восстанавливаются на 80, хром на 90 %.

 

В.№38: Сравнение прямого и косвенного восстановления железа в доменном процессе.

1.Одной из причин, определяющих движение материалов в доменной плавке, процессы восстановления железорудной шихты и науглероживание чугуна постоянно повышает степень своего влияния за счет увеличения рудной нагрузки на кокс и повышения содержания углерода в чугуне.

2.Установившееся предположение об ускорении схода шихтовых материалов при снижении расхода природного газа в части окружности доменной печи целиком основано на химической стороне условий высвобождения объема шихты и не учитывает влияние науглероживания чугуна, а также особенностей влияния восстановления на условия движения шихтовых материалов.

3.Повышение степени восстановления оксидов железа газом увеличивает содержание в агломерате мелочи, что способствует уменьшению скорости схода шихтовых материалов за счет повышения сопротивления газового потока. В то же время большее количество водорода в газовом потоке обеспечивает ему кинетические преимущества при высокотемпературном восстановлении оксидов железа газом и движении через менее газопроницаемый слой материалов.

4.Повышение степени восстановления агломерата газом способствуют увеличению усадки и перепада давления слоя шихты, однако это влияние не является определяющим. Увеличение усадки способствует высвобождению свободного объема шихты, а при условии увеличения содержания водорода в газовом потоке степень влияния повышения степени восстановления шихты на перепад давления будет еще более снижаться и им можно пренебречь.

5.Протяженность области вязкопластичного состояния материалов в доменной печи с повышением степени восстановления оксидов железа газом увеличиваться за счет большего содержания в шихте мелочи, снижающей газопроницаемость слоя и затрудняющей обособление капель расплава от поверхности материала. Развитие процессов косвенного восстановления оксидов железа и движение газа в этих условиях возможно за счет увеличения в нем содержания водорода, обладающего малой плотностью и динамической вязкостью, а в области высоких температур повышенной химической активностью.

6.Важным следствием увеличения степени восстановления агломерата является уменьшение температурного интервала области шлакообразования в доменной печи, что в совокупности с другими явлениями –увеличением доли суммарной металлической составляющей стекающего расплава и общей доли профильтровавшегося расплава –способствует ускорению движения шихтовых материалов в доменной печи за счет усиления процессов науглероживания чугуна.

7.В области фильтрации расплавов и газов с увеличением количества агломерата в шихте усиливается участие процессов науглероживания чугуна в расходовании углерода кокса.

8. Тугоплавкий остаток железорудных материалов представляет собой материал темно – серого и краснобурого цвета, состоящий из разнородного твердого вещества тугоплавких шлаковых составляющих с вкраплениями извести, металлического железа и титанистых соединений. Область тугоплавких материалов многослойная и обладает способностью пропускания чугуна, что показывает несостоятельность использования по отношению к ней названия «тотерман».

9.При повышении степени восстановления агломерата (в общем случае железорудной шихты) снижается количество оксидов железа первичного шлака. При этом облегчается движение шлаковых расплавов через коксовую насадку, что в целом ускоряет сход материалов в домен -ной печи.

10.Увеличение содержания водорода в газовом потоке улучшает условия противотока шихты и газов в доменной печи, способствуя этим ускорению движения шихтовых материалов в доменной печи. Общее воздействие увеличения количества водорода в газе определяется влиянием газового потока на другие причины движения шихтовых материалов.

11.На все рассмотренные явления, определяющие движение шихтовых материалов в доменной плавке, оказывает значительное влияние особенности теплообмена и температурные условия по всей высоте печи.

В.№37: Термодинамика восстановления оксидов железа в доменном процессе.

Процесс восстановления железа из оксидов, согласно принципу А. А. Байкова о последовательности превращений, протекает ступенчато путем перехода от высших оксидов к низшим по схеме: Fе₂0₃ = Fе₃0₄ = FеО = Fе (выше 570 °С) или Fе₂0₃ —> Fе₃0₄—>Fе (ниже 570 °С). При этом в соответствии с диаграммой Fе—О в системе наряду с низшими оксидами и металлом возникает ряд твердых растворов.

Каждая из реакций восстановления оксидов железа газообразными восстановителями

ЗFе₂0₃ + СО = 2Fе₃0₄ + С0₂ + 37,25 МДж;

Fе₃0₄ + СО - ЗFеО + С0₂ - 20,96 МДж;

FеО + СО = Fе + С0₂ + 13,65 МДж;

ЗFе₂0₃+ Н₂ = 2Fе₃0₄ + Н₂0 - 4,20 МДж;

Fе₃0₄ + Н₂ = ЗFеО + Н₂0 - 62,41 МДж;

FеО + Н₂ = FеО + Н₂0 - 27,80 МДж

является трехкомпонентной и трехфазной, т. е. обладает двумя степенями свободы. Следовательно, из четырех величин, характеризующих состояние системы (общее давление, температура, парциальное давление восстановителя и продукта восстановления), произвольно меняться могут любые две, остальные являются их функцией. По принципу Ле-Шателье, равновесие не зависит от общего давления:

 

К=f(T) =Pсо₂(н₂о)*Pсо(н₂) (8)

 

т. е. систему можно считать моновариантной.

Газ, который не может быть использован для восстановления FеО, восстанавливает Fе₃O₄ до FеО, что облегчает протекание реакций восстановления высших оксидов железа до низших в верхней части шахты доменной печи.

К основным различиям термодинамики восстановления оксидов железа монооксидом углерода и водородом относятся следующие. Ниже 810 °С водород как восстановитель слабее монооксида углерода, его равновесная концентрация в смеси больше, чем равновесное содержание монооксида углерода. Выше 810 °С водород становится более сильным восстановителем, чем монооксид углерода. Суммарный тепловой эффект реакции восстановления оксидов железа водородом отрицательный и в 4 раза больше положительного суммарного теплового эффекта реакций восстановления оксидов железа монооксидом углерода.

В реальных условиях действуют неучитываемые факторы (образование твердых растворов и др.).

Восстановление оксидов железа твердым углеродом возможно по следующим реакциям:

ЗFе203 + С = 2Fе3O4 + СО - 129,07 МДж;

Fе3O4 + С = ЗFеО + СО - 187,28 МДж;

FеО + С = Fе + СО - 152,67 МДж.

 

Рис. 43 - Схема равновесие СО-СО-СО2(смотреть в электронном пособии Серебренниковой)

Pеакция восстановления железа при высоких температурах идет с затратой твердого углерода, а продуктом восстановления является СО. Отсюда реакцию восстановления можно записать следующим образом:

FеО + СО = Fе + С0₂

СО + С = 2СО

FеО + С = Fе + СО

В зависимости от вида газообразного продукта восстановления (в доменной печи) различают прямое и непрямое (косвенное) восстановление. В первом случае продуктом является СО, а во втором — С0₂ или Н₂0.

Система записи реакции удобна при рассмотрении механизма прямого восстановления. Однако механизм прямого восстановления в достаточной мере еще не расшифрован. Обычно принимают что косвенное восстановление соответствует умеренным температурам (до 900-1000 °С), а прямое — высоким. В зоне умеренных температур восстановление Fе₂0₃ и Fе₃0₄ практически заканчивается, а восстановление FеО не заканчивается. Поэтому если восстановление Fе₂0₃ и Fе₃0₄ в основном происходит непрямым путем, то восстановление FеО осуществляется и прямым, и косвенным путями.

 

В.№36: Распределение материалов на колошнике при загрузке доменной печи.

Исходя из требований, предъявляемых к распределению газов в доменной печи, материалы при загрузке должны распределяться неравномерно по сечению печи как по крупности, так и по компонентам шихты. У стен должно сосредотачиваться больше крупного агломерата с целью лучшего использования периферийных газов, а у оси – больше кокса. Большое количество мелких фракций железосодержащих компонентов у стен печи недопустимо во избежание тугого хода. Основную часть мелких фракций необходимо располагать в промежуточном кольце между периферией и центром.

По окружности печи материалы должны, наоборот, распределяться строго равномерно, т.е. так, чтобы любая окружность горизонтального сечения была кривой равного содержания диоксида углерода в газе и кривой одинаковой температуры.

Этим условиям распределения шихты удовлетворяет принятый способ загрузки материалов при помощи конуса и воронки. Шихтовые материалы – кокс, железосодержащие компоненты и флюс – загружают в доменную печь отдельными порциями, называемыми подачами. Количественное соотношение компонентов шихты в каждой подаче строго постоянное. Оно определяется расчетом шихты. Материалы на колошник подают специальными тележками – скипами, перемещающимися по рельсам наклонного моста. Объем материалов одной подачи соответствует объему нескольких скипов, поэтому подача на колошник подается по частям несколькими скипами. При этом одну часть скипов подачи загружают коксом, а другую – железосодержащими компонентами и флюсом. При полностью офлюсованном агломерате подача состоит только из скипов с агломератом и коксом.

В.№35: Способы контроля и различные типы распределения газового потока по сечению печи.

Способы контроля

Первые исследования распределения газов в доменных печах осуществлялись, как правило, с применением оборудования, проектируемого

исследователями самостоятельно, исходя из условий экспериментов и имеющихся технических возможностей.

Следует отметить, что различие условий контроля распределения газов приводило к осложнению обобщенного анализа результатов исследований, а иногда и к ошибочным выводам. По мере развития понимания технологами важности получения регулярной информации о газораспределении происходило расширение метрологического оснащения доменных печей стандартными средствами контроля распределения газов, обслуживаемых специализированным персоналом. Совершенствование технологии доменной плавки, сопровождаемое увеличением давления и температуры газов в рабочем пространстве печи, способствовало непрерывному повышению требований к средствам контроля параметров плавки по точности и надежности. При многообразии применяемых в настоящее время средств контроля газораспределения можно условно произвести их классификацию по характерным особенностям:

1) по измеряемому параметру газовой среды (давление, скорость, температура, химический состав);

2) по конструкции (стационарные и подвижные);

3) по степени взаимодействия с газовой средой (контактные и бесконтактные);

4) по расположению относительно элементов структуры столба шихты (над поверхностью засыпи шихты и под ней).

Контроль распределения статического давления газа по радиусу верхней части столба шихты не получил широкого распространения вследствие его малой информативности. Данный параметр газовой среды эффективно применяется при контроле газодинамических процессов в вертикальных сечениях печи, а также для контроля положения зоны размягчения и плавления.

В теории доменной плавки сформулировано основное требование для достижения высокой эффективности плавки – обеспечение рационального соотношения количества шихтовых материалов и восстановительных газов по сечению печи. Поэтому естественным является стремление доменщиков к получению информации о количественном распределении газового потока, которое характеризуется распределением его действительных скоростей в слое шихты.

Различными исследователями выполнялись измерения скорости газа трубками Пито, однако, несоответствие эквивалентных диаметров просветов трубок и пустот в слое шихты приводит, по данным работы, к погрешности измерения скорости газа от 20 до 100% и более, что делает указанный метод малоприемлемым для использования. Основным недостатком существующих способов измерения скорости газа под поверхностью засыпи шихты как метода контроля радиального газораспределения является то, что измеренная скорость относится лишь к локальной струе, проходящей в межкусковом канале неизвестного и непрерывно изменяющегося сечения.

В настоящее время отсутствуют достаточно надежные устройства для определения скорости газа в слое шихты, поэтому степень неравномерности распределения газового потока в основном оценивается по составу или температуре газа. Для определения состава и измерения температуры по радиусу колошника применяются два основных типа устройств, в которые вмонтированы трубки для отбора проб газа или термопары:

1) периодически вводимые в печь на разных уровнях зонды;

2)стационарные балки, устанавливаемые в верхней части печи под определенным углом над или под уровнем засыпи.

Существуют конструкции зондов для одновременного отбора проб газа и измерения его температуры, широко применяются также отборные устройства с охлаждением (технической водой или азотом).

С 80–х гг. прошлого века внедряется перспективная бесконтактная аппаратура инфракрасного типа для контроля распределения температурного поля на колошнике доменной печи (термографы, термовизоры). Одной из реализаций этого типа устройств является система «Спиротерм», которая формально не предназначена для контроля газораспределения, однако по анализу динамики разогрева шихты позволяет получить информацию о распределении газового потока [21]. Для точного измерения температур системой «Спиротерм» необходима информация об уровне и форме профиля поверхности засыпи [20], что обусловливает наибольшую эффективность применения этой системы при наличии в составе АСУ печи профилемера.

Современными вариантами контролирующих устройств, получивших широкое распространение в последнее время, являются системы с инфракрасными видеокамерами. Системы этого типа менее дорогостоящие по сравнению со «Спиротермом», однако при этом ни одна из них, среди действующих на доменных печах Украины и России, не обладает такой надежностью в работе и удобством в получении архивной информации.

Совершенствование газоотборных средств контроля газораспределения осуществлялось как в конструктивно–механической, так и в метрологической части применяемых устройств, что обеспечивало повышение их надежности и достоверности результатов контроля.

Контроль распределения химсостава газов по радиусу печи подвижными газоотборными зондами на многих печах осуществляется при определении содержания компонентов в пробах газа в специальных лабораториях, что обусловливает значительное запаздывание (2–4 часа) результатов контроля. С конца 70–х гг. прошлого столетия получили распространение системы автоматического отбора и анализа колошникового газа по радиусу печи, которые были внедрены на ДП №8 завода «Криворожсталь» и ДП №6 Новолипецкого металлургического завода. Принцип действия таких систем отличается тем, что анализ газа проводится оптико-акустическими газоанализаторами непосредственно на площадке его отбора. Поэтому транспортное запаздывание газа на анализ сводится к минимуму и контролировать его распределение можно практически после опускания каждой подачи. Системой автоматического контроля параметров газораспределения на ДП №6 НЛМК осуществлялось также измерение температуры газа, при этом в отличие от других подобных систем процесс контроля был полностью автоматизирован и управлялся вычислительным комплексом.

Современные требования к метрологическому обеспечению доменной плавки подразумевают наличие на печи средств контроля распределения газового потока, которые должны предоставлять технологическому персоналу следующую информацию:

1)скорость и расход газового потока в печи;

2)распределение температурного поля на колошнике;

3)распределение по диаметру печи температуры и содержания CO, CO2 и H2 в газе под уровнем засыпи.

На практике оснащенность многих доменных печей средствами контроля газораспределения не соответствует необходимому объему. Кроме того, минимальная погрешность большинства измеряющих устройств составляет 2,5–4,0% при предельно допустимом для доменной плавки уровне 2,0%. В работе отмечено, что для автоматизированного управления доменной плавкой с применением ЭВМ необходимо определять содержание составляющих газа с погрешностью ±(0,5–1,0)%, что достигается с применением новых масс–спектрометров, отличающихся также высокой надежностью и быстродействием. В настоящее время в составе комплекса АСУ ДП №9 «АрселорМиттал Кривой Рог» («Криворожсталь») для контроля газораспределения используется автоматизированная масспектрометрическая газоаналитическая система «Гранат», обеспечивающая технологов достаточно точной и оперативной информацией о распределении химсостава газа по двум диаметрам верхнего сечения шахты печи.

Эксплуатация средств контроля параметров газораспределения неизбежно приводит к их износу и уменьшению точности измерений. Для восстановления заданных метрологических характеристик рабочих средств измерения необходимо периодически (по установленному графику) направлять их на планово–предупредительный ремонт и осуществлять метрологическую калибровку по утвержденным методикам.

Таким образом, с учетом вышеизложенного для информативного и надежного контроля газораспределения в верхней части столба шихты, в достаточной мере характеризующего общий ход плавки, целесообразно оснащение доменной печи следующими устройствами: подвижными газо-отборными зондами под поверхностью засыпи, работающими в автоматическом режиме с местным определением полного химического анализа газа с помощью современных масс–спектрометров, и стационарными зондами над поверхностью засыпи с установленными в заданных точках по радиусу колошника малоинерционными термопарами. Эффективность применения указанных средств контроля в значительной мере определяется особенностями их конструкции и расположением относительно поверхности засыпи шихты.

 

Распределение газового потока по сечению печи

Для обеспечения ровного схода шихты газовый поток по сечению печи должен распределяться неравномерно, проходя в большем количестве у стен и в осевой зоне печи, т.е. там, где чаще всего бывает меньше руды или агломерата.

В действительности же в доменной печи невозможно достичь равномерного распределения газов по сечению вследствие специфических особенностей доменного процесса и конструкции доменной печи.

Наиболее важным показателем, характеризующим распределение газового потока по сечению столба шихты, является сопоставление количеств газов, проходящих через равновеликие площади заполненного шихтой сечения печи в единицу времени.

 

В.№34: Движение шихты и газов в доменной печи, химические процессы.

Движение газов

Высокопроизводительная и экономичная работа доменной печи в значительной мере зависит от того, как организовано движение и распределение газов и шихты в ее рабочем пространстве. Движение газов и распределение их в печи определяется множеством факторов, но главным из них являются гранулометрический состав шихты и ее распределение на колошнике во время загрузки и перераспределение при движении в доменной печи. В свою очередь и движущийся газовый поток влияет на распределение шихты.

Газы в доменной печи движутся через столь шихты снизу вверх под действием разности давлений, зависящей от величины сопротивления загруженной в печь шихты и количества воздуха, нагнетаемого в горн воздуходувной машиной. Проходя путь 24 – 26 м в течение нескольких секунд, газовый поток должен выполнить тепловую и восстановительную работу и обеспечить ровный сход шихтовых материалов от колошника к горну. Исходя из этих функций газового потока к распределению газов предъявляются противоречивые требования. Для наиболее полного использования тепла и восстановительной способности газового потока газы по сечению печи должны распределяться равномерно, иными словами, температура и состав газов во всех точках сечения доменной печи должны быть одинаковыми, а шихта – в равной мере нагретой и восстановленной.

Движение шихты

В доменной печи шихта опускается под действием своей массы в пространство, освобождающееся в результате уменьшения ее объема при протекании различных процессов, основными из которых являются горение углерода кокса в фурменных очагах, расход углерода кокса на прямое восстановление, образование и плавление чугуна и шлака, а также уплотнение шихты при движении. 44 – 52% общего уменьшения объема шихты приходится на горение углерода, 11 – 16% – на прямое восстановление, 25 – 35% – на плавление чугуна и шлака и 5 – 15% – на уплотнение материалов. Из этого следует, что уменьшение объема шихты происходит главным образом в очагах горения перед фурмами, а фурменные очаги можно уподобить своеобразным воронкам, через которые движется основная масса шихты.

Периферийное расположение зон горения приводит к преимущественному движению шихты на периферии печи. Скорость движения шихты в периферийном кольце колошника составляет 90 – 140, а в центре 70 – 120 мм/мин. Длительность пребывания шихты в печи изменяется в пределах от 5,5 до 7 ч. Активизация работы центра печи всегда приводит к существенному увеличению скоростей опускания шихты в осевой зоне и уменьшению разности скоростей движения шихты на периферии и в центре.

Повышение скорости схода шихты на периферии колошника объясняется и другими причинами, главной из которых являются расширение шахты книзу и более интенсивное по сравнению с коксом движение железорудных компонентов, располагающихся в большом количестве на периферии.

В результате неодинаковой скорости движения шихты в рабочем пространстве печи одновременно загруженные в печь материалы приходят в горн неодновременно. Это явление называется опережением, которое необходимо учитывать при изменении условий работы, печи, связанных с переходом на выплавку другого вида чугуна, изменением качества материалов.