5.1. Экспериментальная оценка эффективности жидкофазного восстановления железа твердым углеродом по односгадннной и двухоалнйной схемам.

Роль непосредственного контакта углерода со шлаковым расплавом изучали в нескольких принципиальных простых опытах, в которых реализовали условия, когда можно сравнить эффективность одновременною действия обоих обсуждаемых схем реализации прямого жидкофазного восстановления.

Опыты проводились по следующей оригинальной методике. Из химически чистых компонентов в печи Гаммана в алундовом тигле выплавили 100 г шлака следующею состава (% масс.): СаО- 38: SiO- - 38; АЬО; - 10: MgO - 9; FeO - 5. Затем тигель со шлаком охлаждали, извлекали его из печи, устанавливали в нею образец из трафига так. как >то показано на рис. 38 и вновь помещали в печь Гаммана.

В опыте Л«I форму и размеры трафнювого образца выбирали таким образом, чтобы после расплавления шлака часть образца была погру жена в него на 1-2 мм (область (а) на рис. 36|. а другая часть находилась над поверхностью расплава на таком же расстоянии |область (б)).

Расстояние oi поверхности шлака до трафитовото образца было выбрано в соответствии с (102], где определили, что при расстоянии от поверхности «газ-шлак» до твердого уыерода менее 5 мм диффузия СО; к поверхности углерода не лимитирует процесс восстановления.

Подготовленный образец нафевали в восстановительной атмосфере до температуры 1450 "С. выдержали в течение 10 минут, затем охладили вместе с печью. область(а)

шлак

тласть (б)

графитовый образец

Рисунок 36. Схема опыта №1

В опыте №2 в шлак были погружены два сложенных вместе образца из различных восстановителей - графита и древесного утля (рис. 37). Нижний торец образца из древесного угля был скошен таким образом, чтобы одна часть его поверхности находилась в шлаке (область (а)), а другая - над шлаком (область (6)). При этом рас-стояние по вертикали от поверхности шлака до поверхности твердого восстановителя изменялось от 0 до 2 мм. Это сделали для того, чтобы смоделировал» восстановление в пузырях диаметром 0-2 мм.

алундовый тигель

область(а)

образец из древесного угля

¦область (а) область(б)

Рисунок 37. Схема опыта №2

капли металла

ш ' А ? к

* ..у' область (а) ¦ графит

область (б) Рисунок 38. Поверхность восстановителя после опыта №1 область(а)

область(а) область(б)

капли металла

древесный уголь

(рафит

Рисунок 39. Поверхность восстановителя после опыта №2

После охлаждения образцов анализировали состояние поверхности шлака и восстановителей. Вид поверхностен восстановителей после опыта № 1, №2 приведен на рис. 38 и рис. 39, соответственно.

Внешний вид поверхности шлака в опытах №1 и №2 сходен. На поверхности шлака в области (а), где осуществлялся его контакт с твердым восстановителем, имеется большое количество впадин от капель металла, образовавшихся и оставшихся после опыта закрепленными на углеродистом образце. Также на поверхности шлака в области (а) присутствует достаточно много металлических капель, которые имеют верхнюю плоскую поверхность. Это свидетельствует о том, что они также формировались на поверхности углеродистого образца и оторвались в момент его отделения от шлака, или при кристаллизации.

На поверхности шлака в области (б), где контакта с твердым восстановителем не было, наблюдается незначительное количество (на два порядка меньше, чем в области (а)) капель металла, причем с выпуклой верхней поверхностью. По-видимому, они формировались на поверхности шлака при отсутствии контакта шлака с твердым углеродом. В объеме шлака капель металла нет.

Как видно на рис. 38, значительная часть поверхности графита в области (а) покрыта каплями металла. На поверхности графита в области (б) капель металла нет. На рис. 39, нидно, что вся поверхность как графита, так и древесного угля, на-ходившаяся в контакте со шлаком (область (а)), покрыта каплями металла. Имеется резкая граница на скошенном торце образца из древесного угля. Та его часть, которая не контактировала со шлаком (область (б)), не содержит капель металла.

Поскольку в обоих опьиах на поверхности твердых восстановителей, не кон- iактирующей со шлаком, металла не обнаружено (Х01Я расстояние между твердым восстановителем и шлаком изменялось в опыте Л'»2 от 0 до 2 мм), можно сделать зы- вод, что в условиях экспериментов 'заметного испарения восстановленною железа с поверхноаи сааз-шлак» и/или испарения оксидов железа с поверхности «газ-шлак» и переноса их на углерод не происходило.

При отсутствии контакта шлака с твердым восстановителем капли железа име-ются на поверхности шлака (область (б)) в незначительном количестве. Ото позволяет предположить, что восстановление железа через газовую фазу происходит, но скорость этого процесса невелика по сравнению со скоростью восстановления при наличии прямого контакта, поскольку количество капель железа, наблюдаемых в областях. где такой контакт был. намного больше, чем в области, где контакт отсутствовал |.а время реагирования в областях (а) и (б) было одинаковым)

Из проведенных опытов следует, что в процессах жидкофазного восстановления, схема реагирования, предполагающая преимущественное восстановление через тазовую фазу, тде роль твердого утлерода сводится только к образованию СО, играет незначительную роль.

Это соответствует и результатам анализа вкладов различных восстановителей в интегральную скорость получения железа в процессе Ромелт [70], который показал, что восстановление непосредственно углеродом угля обеспечивает 60-80% oi общего восстанозления и только 10-25% железа 1зоссганавливается углеродом через тазовую фазу. Результаты проведенных опытов показывают, что реально последняя величина еще меньше.