Исследование и анализ восстановительных процессов в доменной плавке

Восстановительные процессы составляют основу доменной плавки и протекают практически во всем объёме доменной печи. Задача доменщика- технолога— организовать ход этих процессов так, чтобы железо и соответствующие примеси чугуна полностью восстанавливались из оксидов с минимальной затратой тепла и восстановителей (горючего). В качестве основных восстановителей в доменной печи используют С, СО, Н2.

Особенность восстановления в доменной печи состоит в сочетании двух процессов, значительно отличающихся друг от друга по затратам тепла и расходу восстановителей на единицу отнимаемого кислорода. В верхней половине печи, где температура не превышает 950-1000 ºС, идут процессы косвенного восстановления. В нижней половине печи при более высоких температурах протекают реакции прямого восстановления. Различие между этими процессами видно из сравнения их хода на заключительной стадии восстановления:

FeO + nCO = Fe + (n -1)CO + CO2 + 13,6 МДж (5.3)

FeO + C = Fe + CO—152,2 МДж (5.4)

Рисунок 5.3 – Зонд для проб газа и замера температуры в доменной печи

Рисунок 5.4 – Зонд для отбора проб шихтовых материалов и продуктов плавки на доменной печи

Затраты восстановителя в реакции (5.3)— процесс косвенного восстановления— составляют nСО (где n может достигать 2-3,5), при этом продуктом реакции является СО2, снижающий восстановительную способность газа в верхней половине печи. В течение реакции (5.4) на восстановление расходуется лишь одна единица С и выделяется газ СО, активно действующий как восстановитель в верхней половине печи. Сравнение затрат тепла на процесс показывает, что в случае косвенного восстановления реакция экзотермическая, т.е. для ее протекания не нужно подводить тепло. В случае же прямого восстановления реакция требует значительных затрат тепла.

Учитывая отмеченные характеристики обоих процессов, в реальных условиях доменной плавки оказывается всегда выгодным при прочих равных условиях развивать процессы косвенного восстановления, особенно когда газ- восстановитель образуется в печи из топливных добавок—природного или коксового газа, мазута. Если имеется возможность ввести в печь значительное количество тепла, например за счет более высокого нагрева дутья, то целесообразно допустить увеличение развития реакций прямого восстановления. Отмеченные особенности показывают, насколько важна в конкретных условиях доменной плавки задача оптимального сочетания процессов прямого и косвенного восстановления с позиций достижения минимального расхода кокса.

Развитие процессов прямого и косвенного восстановления в конкретных условиях доменной плавки может быть оценено по составу колошникового газа. С целью технологического контроля или более глубокого исследования восстановительных процессов в доменной печи отбирают пробы газа, шихтовых материалов, обработанных газами за время их движения к данному горизонту, и замеряют температуру. Для этого зондируют столб шихты. Зонд (рис. 5.4) изготовляют из набора труб по принципу, показанному на рис. 5.3. Отличие состоит лишь в том, что в головной части зонда имеется камера 2, запираемая металлической пробкой 3. Для передвижения пробки 3 служит шток с петлей 1. На горизонте отбора материалов зонд головной частью вводится до заданной точки радиуса, после чего с помощью штока 1 пробка 3 передвигается вперед, открывая полость камеры 2.

Обратным движением пробки материалы, заполняющие пространство перед камерой 2, загребаются во внутреннюю полость камеры и запираются пробкой. Т.к. камера охлаждается циркулирующей за стенкой водой, температура отобранных материалов быстро снижается, что предотвращает развитие вторичных реакций. После извлечения трубы из печи камера 2 вскрывается и содержимое переводится в специальный геометрический контейнер для отправки в лабораторию на анализ.

Описанная методика позволяет получить непосредственную информацию о ходе процессов в действующей доменной печи. Полные данные после их систематизации и анализа позволяют сделать заключения о ходе восстановительных процессов в любом объёме печи, фактическом состоянии процессов прямого и косвенного восстановления, уровня температуры в любой точке радиуса разных горизонтов печи, степени использования восстановительной способности газов и дать общую оценку оптимальности и эффективности хода восстановительных процессов.

К важнейшим аспектам проблемы дальнейшего совершенствования технологии доменной плавки относятся:

1. Полнота восстановления офлюсованных агломератов различной основности на разных горизонтах доменной печи.

2. Ход восстановления и изменения прочности окатышей различной основности по мере опускания шихты в горн.

3. Сравнение восстановительной способности СО и Н2 на различных горизонтах печи.

4. Развитие процессов прямого и косвенного восстановления и их оптимальное сочетание.

5. Достигаемая степень восстановления кремния, марганца и др. на различных горизонтах печи.

6. Ход восстановительных процессов и достигаемое приближение к равновесному составу газов в доменной печи.

7. Роль водорода в развитии реакции водяного газа на разной высоте в рабочем пространстве печи.

8. Полнота использования восстановительной способности СО и Н2 в процессе доменной плавки.

Главные цели исследований по перечисленным темам- повышение эффективности использования восстановителей, т.е. достижение минимального их расхода на единицу выплавляемого чугуна и обеспечение необходимой степени восстановления железа к моменту начала шлакообразования. При этих условиях возможно форсированное ведение доменной плавки, которое, в свою очередь, гарантирует предельное снижение удельного расхода кокса.