5.1 Общая схема окислительно-восстановительных процессов

Для агломерационного процесса характерно точечное расположение очагов горения частичек топлива, которые могут быть удалены друг от друга на расстояние от нескольких миллиметров до 1 сантиметра. Горящие частички углерода окружены оболочками газа, в которых высокая концентрация СО, а в среднем в продуктах горения отношение С0:С02 = 0,8-1,6. Такой газ является восстановительным по отношению к Fe203 и Fe304. Поэтому в тех объемах, где горит топливо, идут восстановительные процессы, а в тех, где топлива нет, сохраняется окислительная атмосфера и возможно окисление серы и двухвалентного железа.

Хотя микрообъемы материала, где идут либо восстановительные, либо окислительные процессы, имеются во всем высокотемпературном слое, соотношение их на каждом горизонте неодинаково. Очевидно, что в зоне формирования агломерата (кристаллизации расплава), где происходит догорание частичек углерода, и куда непрерывно поступает горячий воздух с высоким (до 21%) содержанием кислорода, преобладают участки с окислительной атмосферой - на этом горизонте идут в основном окислительные процессы. В расположенной ниже зоне агломерационной шихты, где идет интенсивное горение углерода твердого топлива и образуется много СО, в среднем по массе преобладают восстановительные процессы. Таким образом, рассредоточение восстановительных и окислительных процессов происходит по высоте агломерируемого слоя.

Изменение по высоте спекаемого слоя состава газа в результате процессов горения твердого топлива шихты, восстановление и окисление спекаемого материала представлено в виде схемы на рис. 5.1.

Поступающий в слой воздух в высокотемпературной части зоны охлаждения агломерата и, главным образом, в верхней части зоны формирования агломерата расходует часть кислорода на окисление двухвалентного железа.

Далее содержание кислорода продолжает уменьшаться в результате протекания горения топлива шихты в зоне интенсивного нагрева и в нижней части зоны формирования агломерата. В результате этого процесса образуются одновременно СО и СО2 в соотношении J,5-2,0. Если содержание С02 при дальнейшем движении газа вниз непрерывно увеличивается за счет процессов горения углерода, непрямого восстановления и разложения карбонатов, то изменение концентрации СО более неопределенно - в зависимости от соотношения скоростей процесса горения топлива (СО выделяется) и процесса восстановления (СО исчезает) содержание в газе СО может меняться по любой из трех представленных на рисунке кривых. Ниже фронта воспламенения топлива содержание СО и С02 изменяется только в результате восстановления оксидов железа. О возможности протекания восстановительных и окислительных процессов в условиях агломерации железорудных материалов с достаточно высокими скоростями свидетельствуют тщательно постановленные эксперименты Л. И. Каплуна. Своими опытами он также показал, что в условиях агломерации (кратковременного воздействия высоких температур) термическая диссоциация Ре20з протекает в очень малых объемах. Экспериментами было

установлено, что нижняя граница восстановления соответствует температурам 300-400°С для гематитовых руд и 700-800°С - для магнетитовых.

Из сказанного следует, что высокотемпературную часть агломерируемого слоя можно разделить на две зоны, примерной границей между которыми является горизонт с максимальной температурой. Верхняя зона, куда поступает горячий воздух, - зона окисления, а нижняя, где идет горение углерода топлива шихты, - зона восстановления. Таким образом, определение агломерационного процесса только как окислительного или только как восстановительного бессмысленно - при любых условиях агломерации, для любых типов спекаемых материалов в одно и то же время идут и восстановительные и окислительные процессы - на разных горизонтах слоя. Каждый объем спекаемого материала вначале подвергается частичному восстановлению, а затем - окислению.

Достоверность изложенной схемы подтверждается опытами, результаты которых приведены на рис. 5.2. Как видно, при подходе зоны высоких температур к исследуемому горизонту магнитные свойства агломерационной шихты уменьшаются в результате перехода значительного количества магнетита в вюстит, не обладающий магнитными свойствами. Затем происходит такое же резкое возрастание магнитных свойств материала в зоне кристаллизации, обусловленное обратным процессом окисления FeO до Рез04. Наконец, наличие зон восстановления и окисления в агломерируемом слое доказано прямыми экспериментами. Опыты проводились по методике «прерванного спекания»: примерно в середине процесса в слой вместо воздуха начинали подавать газообразный агент, который не поддерживал горение и быстро охлаждал материал (

Рис. 5.2 Изменение магнитной восприимчивости (в относит, единицах) агломерируемого материала (концентрат обжиг магнитного обогащения табачной руды) во времени; 1-4 - номера горизонтов слоя сверху вниз

При этом фиксировался истинный химико-минералогический состав железорудного материала в высокотемпературной части агломерируемого слоя. После этого определяли содержание FeO и углерода в послойно отобранных пробах шихты и спёка (рис. 5.3).

Рис. 5.3 Изменение содержания FeO и углерода топлива по высоте
агломерируемого слоя; содержание углерода в шихте, %:
1-6,0; 2-4,85; 3-3,85

Из рис. 5.3 видно, что зона восстановления совмещена с зоной горения углерода. По мере «перемещения» агломерируемого материала от нижней границы зоны горения к верхней в нем увеличивается содержание FeO в результате, как уже отмечалось, восстановления Fe203 при взаимодействии с СО, образующейся в зоне горения углерода топлива. В зависимости от содержания углерода в шихте рост количества FeO изменялся от 15 до 30%. В зоне окисления уменьшение содержания FeO составляло 10-15% и мало зависело от исходной концентрации топлива в шихте.

Данные исследований показывают, что процесс восстановления идет весьма интенсивно и сконцентрирован в сравнительно узкой зоне - толщиной 20-30 мм. Напротив, зона окисления растягивается на толщину 60-70 мм (более низкая скорость окисления объясняется значительным уменьшением относительной поверхности агломерата по сравнению с шихтой).