Нагрів шихти, видалення вологи і розкладання вуглекислих сполук

В процесі нагрівання матеріалів, які опускаються в доменній печі, з них видаляється волога, відбувається розкладання карбонатів, а оксиди заліза під дією відновних газів СО, Н₂ і твердого вуглецю коксу поступово перетворюються на залізо по схемі:

Fe₂O₃ ® Fe₃O₄ ® FeO ® Fe.

Розрізняють два види вологи, що вноситься з шихтовими матеріалами в доменну піч: гігроскопічна волога, яка є механічною домішкою і волога гідратна, яка входить у кристалічні решітки мінералів (бурих залізняків mFe₂O₃·nH₂O, каолінітів Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O).

Гігроскопічна волога випаровується при низьких температурах за рахунок тепла колошникового газу, який покидає доменну піч з цієї причини з більш низькою температурою. Видалення з доменної печі гігроскопічної вологи не вимагає додаткової витрати палива. А оскільки шихтові матеріали в доменну піч завантажуються за вагою, то вимоги до гігроскопічної вологи становлять постійність її вмісту в шихтових матеріалах.

Наприклад, якщо маса коксу в подачі 10 т, то збільшення вологості коксу з 1,5 % до 5 % приведе до зменшення сухої маси коксу, завантажуваної в доменну піч на 350 кг, і, як слідство, до порушення теплового стану доменної печі.

Гідратна, тобто хімічно зв'язана у виді гідроксидів, волога видаляється при більш високих температурах, і на більш низьких горизонтах печі, ніж гігроскопічна. Водяна пара, що видаляється при розкладанні гідратів, взаємодіє з монооксидом вуглецю або вуглецем за реакціями:

H₂O + CO → CO₂ + H₂; ∆Н= – 41 454 кДж,

H₂O + C→ CO + H₂; ∆Н= + 124 166 кДж,

2H₂O + C → CO₂ + 2H₂; ∆Н= + 83 412 кДж.

Перша реакція протікає при температурах до 500 ^оС з позитивним тепловим ефектом, який недостатньо використовується в печі, оскільки конверсія водяного пару протікає в районі колошника і тепло несеться з колошниковим газом.

Друга реакція протікає при температурах вище 1000 ^оС. Третя реакція протікає в інтервалі температур 500 – 1000 ^оС.

З розвитком процесу агломерації та виробництва окатишів і впровадженням сухого гасіння коксу доменна шихта практично не міститиме не тільки гідратну, але і гігроскопічну вологу.

У верхніх горизонтах печі при порівняно низьких температурах (300 – 800 ^оС) відбувається видалення з коксу летких речовин. Це гази, які не видалилися в процесі виробництва коксу. Вміст летких речовин у коксі, як правило, не перевищує 1-1,2 %, в яких приблизно 40 % Н₂, 25 % СО, 13 % СО₂, незначна кількість азоту й інших компонентів.

Деякі компоненти доменної шихти містять вуглекислі солі (карбонати). Вапняк, застосовуваний як флюс, на 96 – 98 % складається з кальциту СаСО₃. В якості флюсу застосовується також доломітизований вапняк, що складається майже виключно з доломіту СаМg(СО₃)₂. Карбонати кальцію, магнію, марганцю і заліза іноді входять у склад залізної руди, а останні два є основними рудоутворюючими мінералами деяких типів марганцевих (карбонатних) і залізних (шпатових залізняків) руд.

При нагріві карбонати розкладаються з виділенням оксиду металу і двооксиду вуглецю, що в загальному вигляді можна представити рівнянням:

МеСО₃ → МеО + СО₂; ∆Н>0,

де Ме – метал (може бути Са, Mg, Mn, Fe).

Розкладання супроводиться поглинанням великої кількості тепла.

Протікання реакції розкладання карбонатів визначається:

1) міцністю карбонату при даній температурі;

2) температурою;

3) парціальним тиском СО₂ в газовій фазі;

4) загальним тиском газу в реакційному просторі.

Міцність карбонату визначається пружністю дисоціації, яка чисельно дорівнює рівноважному парціальному тиску СО₂, який є функцією температури.

Кожний з карбонатів має свою пружність дисоціації, властиву йому згідно його хімічній природі.

Чим нижче пружність дисоціації при певній температурі, тим карбонат міцніше. З підвищенням температури пружність дисоціації карбонату збільшується, що приводить до пониження його міцності. Вплив вмісту двооксиду вуглецю в газовій фазі, вимірюється парціальним тиском СО₂, визначається при порівнянні його з величиною пружності дисоціації карбонату. Відомо, що реакції протікають у бік досягнення рівноваги. Тому при перевищенні пружністю дисоціації карбонату парціального тиску СО₂ газової фази йде процес розкладання карбонату. В разі, коли парціальний тиск СО₂ газової фази більше пружності дисоціації карбонату, йде процес його створення. При рівності цих величин установлюється динамічна рівновага реакції, яка характеризується однаковою швидкістю її протікання в обох напрямах.

Розкладання карбонатів у доменній печі обов'язково завершується при температурах, коли неминуче відновлення СО₂ вуглецем коксу за реакцією:

СО₂ + С = 2СО; ∆Н= + 158 382 кДж/кг,

що забезпечує нульове значення парціального тиску СО₂ в газовій фазі.

Розкладання карбонатів розтягується в часі та по висоті доменної печі. Це обумовлюється:

1) безперервним опусканням карбонатів разом із іншими шихтовими матеріалами, внаслідок чого їхнє розкладання, що починається в певній області печі, завершується на більш низькому горизонті по висоті;

2) протіканням процесу протягом певного часу, залежним від швидкості дисоціації і розміру шматка карбонату;

3) відмінністю температур на поверхні й усередині шматка карбонату, яка визначається теплопередачею всередині шматка. Внаслідок цього потрібний значний перегрів поверхні шматка, щоб температура в центральній його частині досягла значень, при яких йде дисоціація карбонату.

Процеси розкладання карбонатів у доменній печі викликають помітне підвищення витрати теплоти і коксу на одиницю маси внаслідок:

- негативного теплового ефекту реакцій дисоціації карбонату і взаємодії з вуглецем коксу;

- витрати вуглецю для його взаємодії з вуглекислотою.

Підвищення витрати коксу на виплавку одиниці маси чавуну викликає за інших рівних умов зниження продуктивності доменної печі.

Проблема виключення шкідливого впливу розкладання карбонатів на доменний процес успішно вирішена перенесенням процесу розкладання на агломераційну машину при виробництві офлюсованого агломерату або випалювальну машину при виробництві офлюсованих окатишів. Як і в доменному, в агломераційному процесі відбувається розкладання карбонатів, але при агломерації або в процесі випалення окатишів теплота для дисоціації карбонатів забезпечується спалюванням не дефіцитного і дорогого коксу, а коксика, антрацитного штибу, газу. З винесенням процесу розкладання карбонатів із доменної печі виключається перехід двооксиду вуглецю в пічний газ і пониження відновної здатності останнього.

Застосування офлюсованої залізорудної сировини поліпшило умови протікання процесів відновлення і шлакоутворення в доменній печі, що також забезпечило зниження витрати коксу і підвищення продуктивності печей.

За розрахунками професора О.Н. Рамма, вивід з доменної шихти 1 кг вапняку дозволяє заощадити до 0,35 - 0,4 кг коксу на виплавку 1 т чавуну.

У зв'язку з підвищенням вмісту заліза в концентратах і в товарних рудах витрата вапняку не тільки в доменну, але і в агломераційну шихту безперервно знижується, а з доменної шихти печей багатьох заводів, працюючих на офлюсованому агломераті й окатишах, він практично повністю виключений.

Питання для самоконтролю засвоєння матеріалу:

1. Які основні закономірності розкладання вапняку в доменній печі?

2. Як впливає розкладання вапняку в доменній печі на продуктивність і витрату коксу?

Дата добавления: 2015-07-17