Оптимальная температура смешанного восстановления железа из оксидов, соответствующая предельно высокой степени использования монооксида углерода Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 669.162.263.232

С.К. Сибагатуллин, Р.Ф. Махмутов, А.С. Харченко

ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» М.А. Семенюк, В.А. Бегинюк, П.А. Полинов

ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат»

ОПТИМАЛЬНАЯ ТЕМПЕРАТУРА СМЕШАННОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗА ИЗ ОКСИДОВ, СООТВЕТСВУЮЩАЯ ПРЕДЕЛЬНО ВЫСОКОЙ СТЕПЕНИ ИСПОЛЬЗОВНИЯ МОНООКСИДА УГЛЕРОДА

Предельно высокой (равновесной) степени использования СО при восстановлении Ре из РеО соответствуют минимальные температуры, РеО из Ре3О4 - максимальные, а восстановление Ре из РеО углеродом одновременно обеспечивает получение СО для косвенного восстановления. Поэтому существует оптимальная температура смешанного восстановления железа из Ре3О4 и Ре2О3, соответствующая предельно высокой степени использования монооксида углерода [1, 2].

Такой оптимальной температуре восстановления соответствует последовательное снижение степени окисления Ре с последовательным использованием газа и образованием СО для косвенного восстановления путем проведения в необходимой степени прямого восстановления. При поступлении оксидов в виде Ре2О3 и Ре3О4 схема процесса имеет вид:

III III III

(1)

ЗБе 20 3 + СО - л ' ™

II

II

II

СО+ Ре,04 = СО, +ЗРеО

(2)

(3)

С + РеО = Ре + СО

(4)

В области повышенных температур остатка СО после завершения реакции (1) достаточно для проведения реакции (2), затем (3). Расход углерода на 1 т восстановленного железа (С, кг), выход газа без азота (V, м3), степень косвенного восстановления Ре на РеО (гсо ,%), степень использования газа (Псо,%) определяются из выражений:

600К + (2 Ее 2 + Ее 3 )(2К +1) 1500(К1 +1)

^со = 6(К1 +1) ' С = 7(2К1 +1) '

100К, К, +1

г =-- • V = 400—1-

со 2К1+1' 2К1 +1 '

где Ре2 и Ре3 - доля Ре, соответственно восстанавливаемого из Ре3О4 и Ре2О3%. К1 - константа равновесия реакции (1). Вычисление К-| по формуле [1]

381 -з

1БК1 = — - 2,111§Т + 0,395 • 10 Т + 5,357

в интервале температур 1 = Т - 273 = 870...1600°С дает: Псо = 60-77%, Гсо=16,6-24,7%, С = 161-179 кг; V = 301-334 м3 при восстановлении из Ре3О4 и п = 80-99,5% - из Ре2О3. С ростом 1 значения С и V увеличиваются, гсо и псо - снижаются.

При пониженных температурах для завершения реакции (2) необходимо получать СО по реакции (4) с некоторым избытком по отношению к (1). Показатели процесса определяются из выражений:

К2 (600+2Бе2)+Ре(2К2 +1) (300+Fe2 )(К2 +1)

71 со = (6+0,02Рё2)(К2+1) ' С = 1,4(2К2 +1) '

300К2 - Fe2 (К 2+1) (300+Fe2)(K2 +1)

г = -' V =-

со 3(2К2 +1) 0,75(2К2 +1) '

где К2 - константа равновесия реакции (2). Вычисление К2 по формуле [3]

1373 -3

1§К9 = - -=- - 0,3411§Т + 0,41 • 10 Т + 2,303 2 1

в интервале 1 = 740-870 °С дает: г|со= 67,5-77% ,гсо = 21,4-24,7%, С = 161-168 кг, V = 301-314 м3 при восстановлении из Ре304 и Псо= 90-99,5% - из Ре203. С ростом 1 значения псо и гсо увеличиваются, С и V - снижаются.

Связь степени косвенного восстановления с расходом углерода, выходом газа и степенью его использования имеет вид

6 г + 2 Рв 2 + Рв 3 _ со 23

ЛСО = 6(100-тсо )

1500 г. C = (1 -

7

_); V = 4(100 - Гсо ).

Минимальная температура осуществимости смешанного восстановления по рассматриваемой схеме удовлетворяет системе уравнений:

300^^2 ( ^ +1)

л =/-\-;

co (3+0,01Fe2 )( К2 +1)

< V=1+К.. 100 2р ]

('+* Г

К2={(1); К5 ={(I).

в которой первое уравнение представляет собой псо после завершения реакции (1), второе - псо для реакции С02+ С = 2СО, имеющей константу равновесия К5.

Вычисление К2 по вышеприведенной зависимости, К5 - по формуле [4]

1в К 5 =-

8916

Т

+ 9,113

для давления Р = 100, 200, 400 и 600 кПа, Ре3 = 100% дает значения этих температур 740, 770, 800, 822 °С соответственно.

При некоторой температуре остатка восстановительного газа после завершения реакции (1), минимальная потребность в СО для которой обеспечена реакцией (4), в точности достаточно для завершения реакции (2). Возможность проведения после этого еще и реакции (3) в соответствии с количеством поступающего Ре203 означает, что данная температура является оптимальной по условию обеспечения предельно высокой степени использования монооксида углерода и минимизации расхода углерода на восстановление Ре из оксидов. Она может быть установлена решением системы уравнений:

I 300(К2 -К!) - Ре2[К2 (2К+1)]+2К =Ре2; \ К1 =£(1); К2 =ВД.

Вычисление К и К2 по вышеприведенным формулам дает 1 = 870°С. Показатели процесса составляют: Псо = 77%, С = 161 кг, V = 301 м3, гсо= 24,7% при восстановлении из Ре304 и псо = 99,5% -из Ре203.

Использование упрощенных зависимостей К1 и К2 от 1, например [1]:

949 164

¡ЕК1 = - 1,14 е 1мК2 + 1,935,

дающих близкие к вышеприведенным результаты, позволяет получить выражения для определения показателей процесса при оптимальной температуре:

949^300-Р62 -6Г<° + 16451ёЮ0-2Гс° = 39;

Ре2 + 3Гоо Гоо

2,8С-300-Ре2 2,8С-300

9491^ 300+Ре2 -1,4С + 164518 ЗОе-МС = 39; 1,5У-300-Ре2 2У-400

94918 300+Ре2 -0,75У + 164518 "ЖУ = 30

9491 ПСо(6+0,02Ре2)-Ре3

94918 2(Ре2 + Ре3 +300)-(6+0,02Ре2) +

6^со -2Ре2-Ре3 + 164518 300+2Ре2+Ре3-3Псо = 456. Зависимости [5]

1190 1560

+ 2,00

- 1,26 е 1мК2 = - т

приводят к равенствам:

Ре ^3г г

119018 300-2Ре2 -6гСо + 15601ёТ00с2ГС7 = 414;

11901ё300 + Ре2 - 1,4С +156018300-1.4^ = 414; 2,8С-300-Ре2 2,8С-300

300+Ре2 -0,75У 400-У

119018 1,5У-300-Ре2 + 156018 ^УШ = 414;

2(Ре3 + Ре2 +300)--лсо(6+0,02Ре2)

119018 ^со^ +

300+2Ре2 + Ре3-3л

+ 156018-т-4—= 884.

Чсо-2Ре2-Ре3

Остатка СО после завершения реакции (2) достаточно для проведения восстановления по реакции (3) при Псо ^ 100%, а

. ^ 2Ре, + Бе, Г„ <150 - 2 3

12

В противном случае оптимальным является температурный интервал, нижняя граница (У которого соответствует

300+Ре2 1

К2 =---,

2 Ре3 2

а верхняя (1|) - константе

К1 = 300 1

2Ре2 + Ре3 2

Согласно последней паре формул по К1 и К2 для определения этих температур могут служить зависимости:

г =_1190__2731 1,26 +18600 - 2Ре2 - Ре3 '

2(2Ре2 + Без) 1560

„ , 600 - 2Ре, - Ре3

2-1я-2-3

2Ре3

- 273.

В этом интервале показатели процесса составляют: г|со = 77,8%, гсо = 25%, С = 160 кг, V = 300 м3, на выходе из зоны восстановления Ре304 до РеО и псо = 100% - из слоя.

Ниже температуры смешанного восстановления возможно последовательное косвенное восстановление с последовательным использованием газа по схеме:

12 =

(2)

(3)

Минимальная температура осуществимости процесса этой схеме может быть установлена решением уравнений:

по

^300(к2 - К) = Бе^!(к2 +1),

= Г (1); К 2 = Г (1)

Для K1 и K2, вычисленных по формулам Шенка, Бе2 = 100%, она получается равной 635°С. Ей соответствует степень использования СО 58,6% для исходного оксида в виде Ре304 и 65,9% - для Ре203 , минимальная потребность в газе-восстановителе 911 м3, для получения которого необходимо 488 кг углерода. Выход газа равен расходу СО. Показатели процесса соответствуют равенствам:

Псо =

КД600 + Бе2 + Без). с = 1500(К1 +1),у = 400 К +1

6(К1 +1)

7К

К,

Остатка СО после завершения реакции (1) достаточно для проведения реакции (2), а затем (3). На верхней температурной границе области косвенного восстановления С = 554 кг, V = 1034 м3, Псо = 51,6% для Ре304 и Псо = 58% для Ре203.

Выводы

Оптимальная температура смешанного восстановления железа из Ре203 и Ре304, соответствующая предельно высокой степени использования монооксида углерода, составляет около

870оС. Предельной является степень использования газа ~ 78% для исходного оксида в виде Fe3O4 и ~ 100% в виде Fe2O3.

При этом для получения Fe из Fe3O4 и Fe2O3 минимальная потребность в углероде составляет около 160 кг/т восстановленного железа. Достижение этого обеспечивается при развитии косвенного восстановления Fe из FeO ~ 25%, прямого ~ 75%. Выход газа без азота равен ~ 300 м3.

Список литературы

1. Теплообмен и повышение эффективности доменной плавки / H.A. Спирин, Ю.Н. Овчинников, B.C. Швыдкий, Ю.Г. Ярошенко. Свердловск: УГТУ, 1995. 243 с.

2. Сибагатуллин С.К. Оптимальная температурная граница, отделяющая зону превращения FeO в Fe от Fe3O4 в FeO при проти-воточном восстановлении железа из оксидов // Материалы международной конференции 1998 г. «С творческим наследием Б.Н. Китаева - в XXI век». Екатеренбург, 1998.

3. Вегман Е.Ф. Краткий справочник доменщика. М., 1981. 186 с.

4. Ростовцев С.И. Теория металлургических процессов. М., 1956. 263 с.

5. Металлургия чугуна / Вегман Е.Ф., Жеребин Б.Н., Похвиснев А.Н., Юсфин Ю.С. и др. М.: Академкнига, 2004. 774 с.

УДК 669.162.216

Э.М. Манашева, В.Г. Дружков, И.В. Макарова

ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

О ВЛИЯНИИ НИТРИДА КРЕМНИЯ НА СВОЙСТВА ЛЕТОЧНОЙ МАССЫ

Чугунная летка - одно из наиболее уязвимых мест доменной печи. Основными размерами, характеризующими ее, являются длина и диаметр канала. Увеличение стойкости канала летки и его сохранность во время выпуска - актуальная проблема с точки зрения процессов вторичной десульфурации, улучшения условий и безопасности работы персонала, увеличения срока эксплуатации печи и стабильности её работы в целом.