Восстановление протекает в три стадии и сопровождается явлениями адсорбции (поглощения восстановителя окислом), автокатализа (самоускорения процесса) и десорбции (удаления в газовую фазу из металла или его низшего окисла окисленного восстановителя). Поэтому теория называется адсорбционно – автокаталитической (рисунок 6.6).
I – индукционный период; II – автокаталитический период; III –период замедления восстановления
Рисунок 6.6 - Влияние автокатализа на скорость химической реакции во времени в кинетической области при постоянной температуре
В первой стадии восстановления на поверхности окисла происходит адсорбция газа-восстановителя. Во второй стадии идет борьба за кислород между восстановителем и металлом, завершающаяся переходом кислорода к восстановителю и перестройкой кристаллической решетки окисла металла в решетку металла. В третьей стадии происходит десорбция окисла восстановителя в газовую фазу с реакционной поверхности по схеме:
|
|
МеОтв+ Bг → МеОтвВадс,
МеОтвВадс → МетвВОадс,
Ме тв ВО адс →Ме тв +ВО г
МеОтв+Вг → М етв+ВОг. (6.26)
Сущность автокатализа состоит в ускорении протекания химической реакции по мере образования свежевосстановленного железа, которое является катализатором. В периоде I, называемом индукционным, молекулы газа-восстановителя адсорбируются на поверхности окисла и взаимодействуют с активными участками окисла, где кислород вследствие микроскопических неровностей или нарушений кристаллической решетки наименее прочно связан с атомами железа. В связи с тем что активных участков в начальном периоде мало, реакция протекает очень медленно. С увеличением числа активных, центров – кристаллов свежевосстановленного железа, являющегося катализатором, процесс значительно ускоряется (период II) до тех пор, пока отдельные активные центры новой фазы, вокруг которых идет восстановление, не начнут сливаться в единую поверхность. По мере сливания активных центров поверхность контакта окисла и газа-восстановителя уменьшается и скорость процесса замедляется (период III).
На скорость восстановления оксидов железа влияют следующие факторы.
1.Температура.
2. Скорость химической реакции.
3. Скорость газового потока.
4. Давление газа.
5. Состав газов в доменной печи, определяемый содержанием восстановителей СО и Н2, продуктов восстановления СО2 и Н2О и азота дутья;
6. Размер кусков и пористость на скорость восстановления определяется в основном условиями теплопередачи и внутренней диффузии. Чем крупнее куски материала и чем выше их плотность, тем хуже идут процессы теплообмена и газообмена по толще куска. С увеличением крупности кусков уменьшается реакционная поверхность, а по мере продвижения фронта реакции внутрь куска значительно затрудняется внутренняя диффузия.
|
|
7. Минералогический состав. При плавке на неофлюсованном агломерате с большим расходом топлива образуется большое количество силиката железа – фаялита, который образуется сплавлением закиси железа и кремнезема пустой породы. Восстановление железа из силиката требует больше энергии, чем при восстановлении его из свободной закиси железа, и протекает за счет твердого углерода в области высоких температур преимущественно из расплава:
Fe2SiО4 +2C → 2Fe + SiО2 + 2CO - 80220 ккал. (6.27)
В присутствии извести восстановление железа из силиката облегчается вследствие образования силиката кальция и освобождения закиси железа от химических связей с кремнеземом по реакциям:
Fe2SiО4 + 2CaO → Ca2SiО4 + 2FeO + 22 014 ккал
+
2FeO + 2C → 2Fe + 2СО - 72 700 ккал
Fe2SiО4 + 2CaO + 2C → Ca2SiО4 + 2Fe + 2CO – 50 686 ккал. (6.28)
Поэтому восстановимость офлюсованного агломерата выше, чем неофлюсованного.
Восстановление железорудных материалов начинается уже в самых верхних горизонтах. По сечению печи восстановление интенсивнее протекает там, где проходит больше газа и где выше температура. Восстановление железа выше 1000° С протекает за счет углерода горючего с затратой большого количества тепла. Как правило, при этих температурах FeO в присутствии других оксидов переходит в жидкое состояние и железо восстанавливается из жидкой фазы.
Улучшение подготовки железорудного сырья к доменной плавке, совершенствование приемов загрузки материалов и способов регулирования распределения газового потока позволяет улучшить условия протекания восстановительного процесса в доменной печи, а следовательно, повысить ее производительность и уменьшить расход горючего.