1245

Расчет количества компонентов, вносимых шихтой, опреде­ ляется следующим образом.

Невосстановленное железо в металлизованных окатышах находится в виде FeO, общее количество которого в шихте

94,92(56/72) • 0,8 = 59,06 кг, а количество FeO =

=(73,81 - 59,06)(72/56) = 18,96 кг.

Гл а в а 6. ПОЛУЧЕНИЕ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА

Конечной целью металлургического производства является получение жидкого металла заданного состава. В настоящее время, она достигается, главным образом, путем использова­ ния двухстадийной схемы: доменный процесс— сталеплавиль­ ный передел. Разработка и освоение процессов получения губчатого и кричного железа позволяет устранить одно из звеньев этой схемы — доменный процесс и таким образом снизить потребность в дорогостоящем и дефицитном метал­ лургическом коксе, существенно уменьшить капитальные затраты при получении жидкой стали, повысить ее качество.

Однако это не устраняет основного недостатка — двухстадийности при производстве жидкой стали. Ведь губчатое железо и крица представляют собой лишь вид металлической шихты для выплавки чугуна и стали в агрегатах различного типа. Это противоречие можно устранить при высокотемпера­ турном восстановлении железной руды, когда процессы вос­ становления и плавления осуществляются в одном агрегате (одностадийный процесс), либо в нескольких, работающих одновременно в единой технологической цепи (многоступен­ чатые процессы).

Процессы прямого получения жидкого металла, осуществ­ ляемые при высоких температурах, отличаются большой ско­ ростью реакций восстановления, а следовательно, и высокой удельной производительностью агрегатов. Характерной осо­ бенностью является возможность применения некоксуюшихся,

недефицитных углей, других видов энергетических топлив. Важным преимуществом восстановительной плавки является возможность использования интенсивных источников тепла, например, энергии электродуговых генераторов.

К настоящему времени в нашей стране и за рубежом пред­ ложено много вариантов исполнения высокотемпературных восстановительных процессов, осуществляемых в агрегатах различного типа. Однако большинство из них не вышли из стадии лабораторных или полупромышленных испытаний. Основными недостатками являются низкая стойкость футеров­ ки агрегатов, ненадежность управления технологическим ре­ жимом, отсутствие необходимой техники для ввода в процесс тепла и восстановителей. Тем не менее, возрастающий инте­ рес к бескоксовой металлургии в целом и заманчивым воз­ можностям восстановительной плавки в частности, требуют рассмотрения и систематизации известных технологических схем прямого получения жидкого металла.

Очевидно, что высокотемпературный процесс прямого по­ лучения жидкого металла может осуществляться по двум схе­ мам: восстановление оксидов железа протекает в твердой фазе и завершается до начала плавления железорудных мате­ риалов и флюса; восстановлению оксидов железа предшест­ вует плавление материалов, т.е. железо восстанавливается из расплава.

Первая схема аналогична процессу получения губчатого железа и отличается от последнего более высоким уровнем температур и качества подготовки шихты для восстановле­ ния. Однако температура начала плавления восстанавливае­ мого материала ограничивает температурный уровень этих процессов на стадии предварительного восстановления, и следовательно, их удельную производительность. В связи с этим в последние годы предпочтение отдается разработке процессов по второй схеме, которая предполагает восста­

§ 16. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ

ЖЕЛЕЗА ИЗ РАСПЛАВА

Восстановление железорудных расплавов газами

Восстановление оксидов железа из расплава газами (СО, Н2 или их смесями) осуществляется путем их продувки через слой расплава или наоборот, путем ввода оксидов железа в высокотемпературную струю газа-восстановителя. Во всех

рассмотрением условий восстановления железа из расплава

активность Fe и FeO соответственно в сплаве и расплаве. Подставив значения рр^ и ppeQ в уравнение для констан­

ты равновесия, получили

ра р

чили уравнение:

'’co/ ' ’со ■ WV oV '

Таким образом, равновесный состав газа при восстанов­ лении оксидов железа из расплава зависит от температуры и соотношения активностей (концентраций) FeO и Fe в нем. С повышением температуры (величина К возрастает) увеличи­ вается равновесное значение рLUj/ рLU, т.е. восстановление

оксидов железа облегчается.

При неизменной температуре снижение концентрации FeO в расплаве, в результате его восстановления, и соответст­ вующее повышение активности железа уменьшают равновесную величину рLUj/ рLUу т.е. равновесный состав газовой фазы

сдвигается в сторону увеличения концентрации СО и сниже­ ния С02. Иначе говоря, чем ниже содержание FeO в распла­ ве, тем труднее его довосстанавливать и тем богаче вос­ становителем должна быть газовая смесь. Так, по данным И.ЮЛСожевникова, даже при восстановлении чистого расплав­

концентрация С02 в газе составляет 6%).

Присутствие в расплаве других компонентов, входящих в состав пустой породы железных руд, еще в большей степени снижают выход С02. Например, при 2 % Si02 в системе FeO—Si02 выход С02 в ходе восстановления расплава изме­ няется от 14 до 6%, а при 12% Si02соответственно от 8 до 6 %. В зависимости от содержания Si02 степень вос­ становления железа из расплава может достигать 86—97 %.

При использовании в качестве восстановителя водорода, обладающего термодинамическими преимуществами перед СО при высоких температурах, выход Н20 при восстановлении чистого монооксида железа достигает 51 %, однако также резко снижается по ходу восстановительного процесса (при

а=0,5 содержание Н20 в газе составляет 26%).

FeO

Таким образом, для обеспечения полного восстановления FeO из расплава необходим большой расход восстановитель­ ного газа, величина которого должна повышаться по мере

ческое решение задачи по организации высокоэффективного процесса извлечения железа из расплава при применении традиционных методов ввода в него тепла и газообразных восстановителей.

Экспериментальные исследования механизма и кинетики восстановления FeO из расплава газами свидетельствуют о том, что скорость процесса лимитируется диффузией FeO к поверхности раздела фаз газ-расплав. Причем скорость диф­ фузии FeO определяется вязкостью расплава, которая, в свою очередь, зависит от содержания в нем FeO и темпера­ туры. В случае, если на поверхности расплава образуется пленка металлического железа, процесс восстановления мо­ жет лимитироваться диффузией восстановителей и газообраз­ ных продуктов реакции через металлическую пленку, толщина которой будет определять скорость процесса.

Увеличение скорости восстановительного процесса воз­ можно при существенном повышении реакционной поверхности газ—расплав. Об этом свидетельствуют эксперименты И.В.Чикуновой с соавторами. Они изучали зависимость ско­ рости восстановления капель расплава FeO от температуры (рис. 50). До начала плавления FeO повышение температуры приводило к увеличению скорости восстановления твердой

частицы. При переходе через точку плавления оксида в

0,1—0,4 мин.

Таким образом, лабораторные исследования показали, что при определенных условиях можно обеспечить высокую ско­ рость восстановления FeO из расплава газообразными вос­ становителями. Для этого необходимы низкая вязкость расп­ лава, развитая реакционная поверхность газ—расплав, высо­ кая температура и удаление с реакционной поверхности вос­ становительного железа.

Восстановление железорудных расплавов твердым углеродом

Восстановление железа из расплава твердым углеродом описывается реакцией

со

Рже. 51. Характер изменения равновесных кривых и температуры равновесия (Тр) при восстановлении FeO из расплава при врс0<

РРо Ро Ро

затрудняет его довосстановление не только газообразными восстановителями, но и твердым углеродом, что проявляется в увеличении температуры начала реакции. Это требует по­ вышения температуры процесса, либо снижения общего давле­ ния газов в реакционном пространстве. Последнее мероприя­ тие вряд ли технически осуществимо в реальных условиях работы металлургических агрегатов.

Исходя из механизма восстановления FeO из расплава твердым углеродом [восстановление осуществляется через газовую фазу по реакциям (246) и (250)], можно предполо­ жить, что суммарная скорость процесса в конкретных усло­ виях может лимитироваться одной из этих реакций. Момент