10.4.1 Анализ восстановительных процессов в верхней части шахты доменной печи

Расход кокса на выплавку чугуна в доменной печи связан с развитием восстановительных процессов оксидов железа. Восстановительный газ СО поступает в зону восстановления тзердых оксидов железа из слоя коксовой насадки, расположенной ниже зоны плавления. В этой зоне протекают две циклические реакции: слабо экзотермическая восстановления вюстита и сильно эндотермическая - газификации углерода кокса. В результате протекания второй реакции температура газа в этой зоне снижается. Регенерация СО практически прекращается ниже 900°С и все последующее восстановление в верхней части печи шахты осуществляется за счёт СО, образовавшегося в нижней части печи. При этом образуется твердое железо и С02, состав газа приближается к равновесному и он теряет способность восстанавливать железо из вюстита.

Для установившегося режима работы доменной печи количество вюстита, образовавшегося в результате восстановления должно быть равно количеству вюстита, восстановившегося до железа. Таким образом, восстановление магнетита до вюстита обеспечивается образующейся концентрацией монооксида углерода, но этой концентрации (30.0-31,0%) недостаточно для восстановления железа из оксидов. В результате образуется область, где высшие оксиды железа восстановлены до вюстита, но газ уже не в состоянии восстанавливать значительное количество вюстита до железа.

Находящийся в этой зоне железосодержащий материал в виде вюстита образует «химически резервную зону» доменной печи, так как из-за недостаточной концентрации СО в этой зоне не протекают химические реакции.

Восстановление вюстита в химически резервной зоне доменной печи инициируется развитием газово-углетермического (комплексного) восста­новления. Для развития комплексного восстановления используются самовосстанавливающиеся железор>дные окатыши. Это окатыши, содержащие в своём составе тонкоизмельчённое твёрдое топливо.

В результате первичного акта прямого восстановления в точках контакта образуется монооксид углерода. Оразовавшийся продукт СО служит исходным реагентом для восстановления оксидов железа с образованием С02, а последний взаимодействуя с глеродом, генерирует восстановительный газ СО Реализация указанных процессов в зоне доменной печи с умеренными температурами (900-1200°С) превращает химически резервную зону в зону металлизации самовосстанавливающихся окатышей.

Эффективность использования самовосстанавливающихся окатышей в доменной печи можно пояснить следующим расчетом (исходные данные приняты по результатам доменной плавки):

расход опытных окатышей - 0,844 т/т чугуна;

содержание углерода в окатышах - 0,39 %.

В шихту внесется углерода:

0,01 (844 • 0,39) = 3,29 кг С/т чугуна
FeO + С = Fe + СО - 152,62 МДж/моль (12,72 МДж/кг С).

С учетом внесенного углерода дополнительные затраты теплоты составят:

12,72 • 3,29 = -41,85 МДж/т чугуна

и выделится СО:

(3,29 • 22,4) / 12 = 6,14 м3 СО/т чугуна.

Принимаем на основании экспериментальных данных //го в куске ~ 100%, а в горновом газе ~ 40%.

Дополнительное эквивалентное количество СО в горновом газе для восстановления железа в куске составляет:

6,14 : 0,4 = 15,35 м3 СО/т чугуна.

За счёт увеличения степени использования СО в куске дополнительно возрастает степень косвенного восстановления и в процесс возваращается теплота в количестве:

[(15,35 -41,85) / 6,14] - 41,85 = 62,78 МДж/т чугуна, что эквивалентно дополнительной экономии углерода

[(62,78 МДж/т чугуна) / (9,797 МДж/кг С)] : 0,75 = 8,544 кг/т чугуна.

Всего экономии углерода:

8,54 + 3,29 = 11,83 кг/т чугуна.

Коэффициент замены:

11,83 : 3,29 = 3,595.

Расчетная экономия кокса:

11,83/(0.85*0,95) = 14,65 кг/т чугуна,

где 85 - содержание углерода в коксе. %;

95 - степень использования углерода кокса, %.

Снижение расхода кокса без приведения в результате доменной плавки составило 15 кг/т чугуна.

Реальные пути получения самовосстанавливающихся окатышей - это обжиг рудоугольных окатышей при технологических параметрах, обеспечивающих неполное выгорание углерода; и получение самовосстанавливающихся окатышей на холодной связке с заданным содержанием углерода.