Кафедра «металлургия» отчёт по практике

1.3 Механизм и кинетика газового восстановления

Скорость реакции в процессе восстановления - функция нескольких факторов, некоторые из которых управляемы. Механизм восстановления состоит из ряда следующих этапов:

1. 
   Диффузия восстановительного газа (Н₂ или СО) через граничный слой газа, окружающего кусок железорудного материала.
   
2. 
   Проникновение восстановительного газа в кусок железорудного материала через поры.
   
3. 
   Химическая реакция восстановления окиси железа.
   
4. 
   Удаление окисленного газа (H₂O или СО₂) из куска железорудного материала.
   
5. 
   Отвод окисленного газа через граничный слой в основной газовый поток.
   

Скорость каждого из этих этапов влияет на полное время, требуемое для получения металлического железа. На этапы 1 и 5 влияет температура, концентрация распространяющихся газов, и скорость газового потока через шихту. В печи прямого восстановления турбулентное состояние потока гарантирует быструю доставку компонентов к поверхности частицы окиси железа. Скорость распространения газов "в" и "из" материала (этапы 2 и 4) – также функция температуры и концентраций, а также зависит от физической структуры материала. Для этапа 3 определяющими являются температура и относительные количества водорода и угарного газа в восстановительном газе.

На практике не нужно определять скорость каждого из индивидуальных этапов восстановления. Полное время пребывания железорудного материала в зоне восстановления печи Мидрекс составляет от 4 до 6 часов, чего более чем достаточно для большинства железных руд.

1.4 Химия восстановления

Процесс восстановления происходит в следующей последовательности. Восстановление начинается с подачи гематита. Каждая реакция записана для одного моля железа.
Таблица 2. Реакции восстановления

1	1/2 Fe203 + 1/6 H2  1/3 Fe304 + 1/6 H2O
1а	1/2 Fe203 + 1/6 СО  1/3 Fe304 + 1/6 СО2
2	1/3 Fe304 + 1/3 H2  FeO + 1/3 H20
2а	1/3 Fe304 + 1/3 СО  FeO + 1/3 СО2
3	FeO + H2  Fe + H20
3а	FeO + СО  Fe + СО2

Каждая из этих реакций обратима. Для того, чтобы любая из реакций протекала в направлении восстановления, отношение количества восстановителя (H₂ или СО) к окислителю (H₂0 или СО₂ соответственно) должно быть больше, чем равновесное значение. Например, эти равновесные отношения при 760^оС приведены в таблице 3.

Таблица 3.

Минимальные коэффициенты равновесия восстановления при 760^оС

1	H2/H20=1.3*10^-5
1а	CO/СО2=1.5*10^-5
2	H2/H20 =0.6
2а	CO/СО2 =0.7
3	H2/H20 =2.0
3а	CO/СО2 =1.7

График коэффициентов равновесия для реакций 3 и 3а приведен на рисунке 1. В противотоке проводят заключительную стадию восстановления (реакции 3 и 3а) самым богатым газом, то есть с самым высоким отношением восстановителей (H₂ + СО) к окислителям (H₂0 + СО₂). В процессе Мидрекс это отношение (восстановительный потенциал) обычно равняется 11-12. Расход восстановительного газа должен быть таким, чтобы восстановительный потенциал в любом месте шахты печи был, по крайней мере, равен равновесному. Такой расход газа называется "расход с использованием газа на 100 %". На практике необходимо давать на 10 – 20% газа больше, при этом достигается использование газа 80 – 90% . Это дополнительное количество восстановительного газа поднимает восстановительный потенциал выше равновесного на том уровне в печи восстановления, где FeO начинает восстанавливаться. Это также обеспечивает достаточный газовый поток в тех местах шахты печи, где газопроницаемость шихты может быть пониженной. Отношение расчетного минимального расхода газа к фактическому расходу называется "использованием". После восстановления FeO до Fe газ достаточно богат, чтобы выполнить этапы восстановления магнетита до вюстита и гематита до магнетита. Как показано в таблице 3, эти этапы требуют намного меньшего восстановительного потенциала.

На рисунке 1 приведена диаграмма равновесия при восстановлении FeO до металлического железа.



Рисунок 1. Диаграмма равновесия при восстановлении