РАЗДЕЛ 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОМБИНИРОВАННОГО ДУТЬЯ НА ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ
Аналитическое исследование особенностей восстановления вюстита в связи с
применением комбинированного дутья и дополнительных видов топлива
Исследование выполнено на основе работ Байкова А.А., Гельда П.В., Есина О.А.,
Чуфарова Г.И., Татиевской Е.П, Ростовцева С.Т, Любана А.П. [64-69].
Восстановление вюстита
Восстановление вюстита газообразным оксидом углерода, протекает с
незначительным поглощением тепла.
Реакция восстановления осуществляется в условиях превращения вюститной фазы,
предельно бедной кислородом, в металлическое железо, насыщенное кислородом.
Система одновариантна, состав равновесной газовой фазы целиком определяется
температурой.
Реакции восстановления вюстита углеродом и его оксидом тесно связаны друг с
другом и в общем термодинамическом анализе должны рассматриваться параллельно:
FeO + CO Fe + CO2 (2.1)
2CO CO2 + C (2.2)
FeO + C Fe + CO (2.3)
2FeО + C 2Fe + CО2 (2.4)
В любой системе истинное равновесие устанавливается при достижении равновесия
всех возможных в ней реакций.
Согласно правилу фаз система, образуемая тремя компонентами при числе фаз,
равном четырем, располагает одной степенью свободы. Следовательно,
сосуществование четырех фаз одновариантно. Реакция (2.1) протекает без
изменения объема, поэтому давление можно считать неизменным. Для нахождения
равновесного состояния в этих случаях можно изменять только одно условие [68].
На рис. 2.1 пунктиром изображена зависимость равновесного состава газа от
температуры для этой реакции, но не от давления, т.к. реакция (2.1) идет без
изменения объема. Сплошная линия характеризует равновесие реакции (2.2). Здесь
равновесный состав газа зависит как от температуры, так и от давления, поэтому
линия является изобарой равновесия, относящейся к частному случаю РСО + РСО2 =
1 атм. При постоянном давлении система Fe-C-O становится условно
безвариантной.
Одновременное существование равновесий реакций (2.1) и (2.2), а следовательно,
реакций (2.3) и (2.4) возможны лишь в точке а, т.е. при температуре » 700 оС и
составе газовой фазы » 60 % СО и 40 % СО2.
Увеличение давления сдвигает изобару равновесия вниз, вследствие чего точка
пересечения двух линий перемещается вправо и вверх.
Таким образом, при увеличении давления повышается температура одновариантного
равновесия и растет содержание СО в газовой фазе. Точка а делит кривую на 2
участка: правый и левый. Правый характеризует истинные равновесия реакции
косвенного восстановления железа из вюстита. При температурах выше точки а
можно создать условия, обеспечивающие развитие реакции косвенного
восстановления (2.1) и в то же время не допускающие повышения углерода в
системе. Тогда реакционные возможности системы будут исчерпаны. Указанному
условию соответствует поле точек, лежащих между линиями правее а при отсутствии
углерода.
Константа равновесия Кр = РСО2 /РСО выражается числом порядка нескольких
десятых единицы, причем FeO и Fe участвуют в реакции в виде чистых веществ
[68].
В развитии теории прямого восстановления железа по Байкову А.А. решающую роль
играет газовая фаза, т.к. контакт твердых фаз вюстита и углерода крайне
несовершенен и не может обеспечить наблюдаемых на практике высоких скоростей
восстановления [64]. Согласно его схеме прямое восстановление складывается из
2-х реакций: (2.1) + (2.2) = (2.3).
В каждой промежуточной стадии участвует газовая фаза, создающая благоприятные
кинетические условия для развития процесса. Восстановление является прямым
только по материальному и энергетическому балансу. Конечно, косвенный путь
процесса через реакции (2.1) и (2.2) и прямое взаимодействие (2.3)
термодинамически совершенно равноправны.
Термодинамика процесса
Реакция восстановления оксида железа (2.1) термодинамически начинается уже при
температуре 570 оС , при которой упругость диссоциации превышает парциальное
давление кислорода в окружающей среде [65]. Теоретически вюстит может
восстанавливаться при любых температурах в смесях, содержащих СО и СО2, то
есть, эти температуры зависят от отношения СО и СО2. Процесс восстановления,
осуществляемый одновременно воздействием нагрева и восстановителя, согласно
теории Байкова А.А., представляет собой совокупность двух одновременно
совершающихся превращений: диссоциация восстанавливаемого оксида и соединение
кислорода с восстановителем, образования нового оксида с меньшей упругостью
диссоциации. Состояние равновесия вюстита и продукта его восстановления (FeO и
Fe) со смесью оксида углерода и углекислого газа характеризуется равновесием
РО2/Feо = Р’О2. Теория Байкова А.А., основанная на обобщении большого числа
экспериментов по термической диссоциации, выявляет только самую общую природу
оксидов и устанавливает общность явлений термической диссоциации и
восстановления оксидов, но недостаточно полно раскрывает механизм реакции
восстановления и диссоциации, их кинетику, а значит, особенности этих двух
процессов [64].
С учетом “объемной” и “поверхностной” энергий кристаллических фаз, равновесный
состав газа можно выразить величиной ZО:
(2.5)
Из уравнения видно, что увеличение дисперсности железа повышает содержание СО в
равновесной газовой фазе, а увеличение дисперсности FeO ведет к росту
содержания СО2. Неодинаковая дисперсность кристаллических фаз определяет
расхождение опытных данных различных исследователей.
Равновесие реакции 2.1 представлено на рис. 2.1, пересечением линий в точке а.
Констант