2018-01-21
587
Чугун, стекающий в горн доменной печи, в зонах горения подвергается окислительному воздействию газов. Окислению подвергаются в большей или меньшей мере содержащиеся в чугуне железо, марганец, кремний, углерод, а в некоторых случаях и фосфор. Это подтверждается анализом газа из зоны горения и за ее пределами. Если бы в зонах горения кислород расходовался только на окисление углерода горючего, переходя полностью в газовую фазу, то отношение:
в газе должно быть равным отношению O2/N2 воздуха, т. е. 21/79=0,266 (при сухом дутье). В действительности отношение åO2/N2 в зоне горения всегда меньше, чем 0,266, а за пределами зоны горения всегда больше этого значения. Следовательно, в окислительной зоне не весь кислород дутья переходит в газовую фазу: часть его, окисляя составные части чугуна, переходит в шлак. За пределами окислительной зоны (ниже зоны горения) окисленные элементы повторно восстанавливаются прямым путем, увеличивая отношение åO2/N2 в газе за счет газообразного продукта восстановления – окиси углерода. Происходит своеобразный кругооборот: оксиды образуются у фурм, а ниже, в горне, снова восстанавливаются. При этом часть кислорода дутья из очага горения переносится оксидами в глубь горна и там окисляет углерод горючего. В верхней его части сплошной линией нанесено изменение отношения åO2/N2 в зоне горения и за ее пределами, пунктирной линией показано отношение O2/N2 в дутье. Видно, что в окислительной зоне (по СО2) отношение åO2/N2 в газе ниже, а за пределами окислительной зоны выше отношения О2/N2 в дутье. Реакции окисления железа в очаге горения и восстановления за его пределами можно написать в таком виде:
|
|
|
Fe+½O2®FeO,
FeO+C®CO+Fe
C+½O2®CO
или
Fe+СO2®FeO+СО,
FeO+C®CO+Fe
CO2+С®2CO
или
Fe+Н2О®FeO+Н2,
FeO+C®CO+Fe
Н2О+С®Н2+CO.
Таким образом, результирующие реакции окисления железа с участием всех газообразных окислителей и повторного восстановления сводятся к окислению углерода, которое протекает в горне вне окислительных зон.
Расстояние от торца фурмы, мм
1 – содержание элементов в чугуне до окисления; 2 – то же, из окислительной зоны
Рисунок 7.4 - Окисление кремния (а), марганца (б) и углерода (в) в зоне горения:
Аналогичные реакции можно написать и для других элементов подвергающихся окислению и повторному восстановлению элементов чугуна.
Прямыми линиями нанесены содержания элементов в чугуне при выпуске его из печи. Окисление кремния, марганца и углерода чугуна в зонах горения и перехода оксидов в шлак значительно ниже, чем за ее пределами. Количество закиси железа в шлаке из кислородной зоны составляет почти половину всего количества шлака, тогда как за пределами окислительной зоны ее содержание не превышает 2–8%, а в конечном шлаке составляет всего 0,35%.
|
|
|
Степень окисления различных элементов в зоне горения определяется химическим сродством элемента к кислороду и содержанием его в чугуне. Значительное окисление железа в зоне горения, имеющего меньшее сродство к кислороду, чем кремний и марганец, объясняется высокой концентрацией железа в расплаве.
То что в конечном шлаке содержатся ничтожные количества закиси железа, говорит об исключительной быстроте восстановления железа из образовавшихся у фурм оксидов после того, как они попадают в восстановительную зону горна.
Рисунок 7.5 - Изменение содержания закиси железа в шлаке по оси воздушной фурмы (1), выше зоны горения (2) и ниже зоны горения (3)
Высказывалось мнение о вредности процесса окисления в связи с тем, что на прямое восстановление окисленных элементов в горне ниже зон горения потребуется много тепла, а это приведет к похолоданию горна и получению некачественного чугуна. ПВ элементов не вызывает дополнительного расхода тепла, а происходит лишь некоторое его перераспределение. Выделившееся при окислении тепло в зоне горения переносится газами и более нагретым металлом и шлаком в восстановительную область, горна, обеспечивая покрытие тепловых затрат на прямое восстановление окислившихся элементов. Также в восстановительной области протекает не диссоциация окисла, а восстановление, результатом которого в конечном счете,, является взаимодействие углерода с кислородом с образованием СО и соответствующим выделением тепла. У фурм при окислении железа выделяется тепло:
Fe+½О2®FeO + 64430 ккал.
При восстановлении железа вне окислительных зон тепло поглощается в количестве:
FeO + C ® Fe +СО - 36350 ккал.
Суммарный тепловой эффект равен тепловому эффекту неполного сгорания углерода
С + ½О2®CO + 28080 ккал.
Т. е. в горне происходит перемещение тепла и кислорода – кислород переходит из окислительной зоны в восстановительную, а тепло наоборот. Поскольку при нормальной работе печи перемещение тепла не приводит к снижению нагрева горна и продуктов плавки в восстановительной области горна, то процесс окисления составных частей чугуна нельзя считать вредным. Перемещение же кислорода в виде оксидов в восстановительную область горна считается полезным, так как этим усиливается окисление углерода горючего за пределами окислительной зоны, а значит и его расход в восстановительной области горна, что способствует ускорению движения материалов в осевой зоне печи. Однако чрезмерное развитие окислительной зоны, являющееся следствием ухудшения газопроницаемости или похолодания печи, может привести к нарушению оптимального соотношения в горне окислительных и восстановительных процессов, а следовательно, и к нарушению равномерности и плавности опускания материалов и получению некачественного чугуна. Поэтому в каждом конкретном случае доменной плавки должно быть обеспечено оптимальное соотношение окислительных и восстановительных областей в доменной печи.
Контрольные вопросы для самопроверки
1. Какие процессы протекают в горне доменной печи?
2. По каким реакциям происходит горение углерода у фурм?
3. Опишите строение зоны горения.
4. Как изменяются состав газов и температура по мере удаления от торца фурм?
5. Что такое фокус горения?
6. Как и где происходит окисление элементов чугуна и их повторное восстановление?
7. Почему окисление элементов чугуна положительно влияет на доменную плавку?
