1.4. Анализ современных исследований восстановления железа в шлакоугольных суспензиях
В современных жидхофазных процессах бескоксовото производства чугуна восстановление осуществляется из шлака, содержащего 2-6 % оксидов железа. Восстановителями являются уюльные частицы или углерод, растворенный в каплях металла.
Понимание основной схемы восстановления железа очень важно, поскольку, в конечном счете, определяет рациональные конструктивные и технологические решения реализации этих процессов. Работ, посвященных изучению особенностей восстановления в шлакоутль- ных суспензиях, опубликовано пока немного, но внимание исследователей к этой проблематике неуклонно нарастает. При анализе схемы и кинетики жидкофазного восстановления дисперсным углеродом пока преобладают подходы и мнения, сформировавшиеся за десятилетия изучения восстановления, когда в экспериментах ис- пользовали крупные (в сравнении с характерным размером пузыря) ут леродсодер- жащие образцы.Гак. в ряде работ (например. |65-(>8]) возможная схема жидкофазною восстановления железа в шлакомольной суспензии описана следующим (практически фадиционным) образом. Углеродистая частица находится в обьемс i азом» о пузыря. Восстановление оксидов железа осуществляется СО на границе раздела <чаз- штак». на >гой же границе образуется металлическое железо. Образующийся в рс- ly.ibiaie реакции диоксид умерода диффундирует к частице и взаимодействует с уиеродом с образованием СО. который, в свою очередь, диффундируе! к поверхности пузыря и вновь участвует в восстанонтснии На рис. 9 приведено фафическое изображение л ой схемы восстановления.
Газовый пузырь (С0 + С02)
Углеродистая частица
СО + (FeO) = СО;
СО; + С
Рисунок 9. Дв\ хстадийная схема восстановления железа углеродистой частицей. находящейся и обт.еме пу зыря
2 СО
Рассматриваемая схема не предполагает контакта твердою углерода со шлаком. То есть считаемся, что восстановление железа по поверхности пузырей, содержащих угольные частицы, абсолютно преобладает в процессах жидкофазного восстановления.
Аналотчно представляют и механизм восстановления железа в шла- кометаллической >мульсии ут.теродом. растворенным в ме1алле (см.. например. [(,9|).Жидкий шлакч Очевидно, схема восстановления, представленная на рис. 9, в принципе не может быть реалиювана п чистом виде. Углеродистая частица не может «висеть» в га- и>вом пузыре, обраi> кинемся вокруг нее в процессе восстановления. Она дочжна касаться поверхности шлака. Полому, более оправданной [70]. по нашему мнению, являемся схема, приведенная на рис. 10.
Рису нок 10. Схема комбинированно! о восстановления желе та (в одну и в две стадии) умеродисюй частицей, контактирующей с поверхносчью шлака
Основное отличие этой схемы заключаемся в том, чю нссчда некоюрая доля иоверхносш углероднаон частицы !таходится в прямом контакте со шлаковым расплавом, где можег осу i нес шляться непосредственное восстановление оксидов железа твердым умеродом При этом СО отводится в объем пузыря без блокировки га- юм поверхности контакта.
Налицо необходимость проведения принципиальных ош.иов, коюрые поIHO- ЛИЛИ бы сравнить )ффек1ивность дейС1вия обоих обсуждаемых схем реализации прямого жидкофазною восстановления.
Кинетику восстановления расплавленных оксидов железа или высокоже ieui- стых шлаков твердым умеродом, умеродом. растворенным в желе тс, монооксидом углерода, водородом изучали во многих работах (см., например, обзоры [71, 72], работы [73-82)). В процессе Ромелт восстановление железа осуществляется из низкожелезистых шлаков (обычно (FeO) -2-4%). Кинетика восстановления железа из таких шлаков существенно отличается от восстановления из высокожелезистых шлаков [83]. Значения кажущихся констант скорости восстановления железа из низко- железистых шлаков в несколько раз меньше, чем полученные для расплавленных оксидов железа или высокожслезистых шлаков. На это у казано в работе [84] по отношению к восстановлению железа из шлака углеродом, растворенным в железе. Это же следует из сравнения кинетических данных, представленных в обзорах [71, 62] и в работах [65.
73, 85-88]. В работе [88]. где исследовали кинетику восстановления железа из шлака методом вращающегося диска показано, что доля непосредственного взаимодействия графита с железистым расплавом значительна лишь при малых концентрациях оксидов железа в шлаке. При больших концентрациях лих оксидов преобладающим становится косвенное восстановление, т. е. реакция на поверхности пузыря СО с оксидным расплавом (что приводит к изменению величины константы скорости реакции). Указано, что вклад реакции прямого восстановления п суммарную скорость процесса заметно повышается с ростом температуры.Обычно при расчете интегральной скорости образования металлического железа в промышленном aipenrre используют значения констант скоростей восстановления, полученные в опытах по кинетике реагирования железосодержащего шлака с твердой углеродистой поверхностью (графитовые тигли, стержни и др.). В таких опытах определенная часть поверхности восстановителя всегда покрыта пузырями выделяющегося моноокенда углерода. Остальная часть поверхности восстановителя прямо контактирует со шлаком (по периметру пузырей, в областях поверхности после их отрыва).
Анализ работ по исследованию кинетики восстановления железа графитом из низкожелезистых шлаков (65, 73, 87-89) показывает, что существуют две группы результатов, качественно различающихся по величине константа скорости восстановления (отнесенной к единице площади поверхности восстановителя):
А). При носсгаиовлснии в графитовом пи ле без дополнительного перемешивания шлака, когда значительная часть поверхности восстановителя блокирована от шлака газовыми пупырями ((2,2-4,01* 10'' (кгРеО.'ЧГс), обработка данных [65, 87, 89]);
Б). При восстановлении вращающимся трафитовым образцом, когда создаются условия для принудительного срыва пузырей газа с поверхности образца ((0,6- 1.1)* 10"' (KrFeO'M2c), обработка данных [65, 73, 87. 88]))
(в размерность константы скорости восстановления согласно традиционной записи внесено содержание (FeO) (в % (масс.)) в первой степени.
Эта безразмерная величина несет чисто информационную функцию, сообщая порядок реакции; при расчетах скорости восстановления в реальных системах константу скорости восстановления следует умножать не только на величину площади реакционной поверхности. но и на величину концентрации FeO в шлаке, взятую в первой степени (разумеется это касается данных, сгруппированных в А), и Б).).В группе результатов А), скорости восстановления существенно ниже, чем в группе Б). При этом в обеих группах результаты разных исследователей достаточно хорошо согласуются между собой.
Можно предположить, что в первом случае восстановление железа осуществляемся преимущественно по двухстадийпой схеме - газом (СО) на поверхности пузырен с последующей регенерацией СО; на поверхности твердого углерода. Во втором - по одностадийной схеме, в результате прямого контакта шлака с твердым углеродом.
Можно ожидать, что соотношение вкладов этих схем восстановления в инге- [ральную скорость обраювания металлическою железа в шлакоугольной суспензии зависит от степени покрытия (блокировки) пузырями поверхности частиц восстанови теля.
Работ, посвященных изучению влияния на кинетику восстановления в пневма-тически перемешиваемом шлаке блокировки пузырями поверхности угольных частиц различных фракций, в литературе не обнаружено.