CC BY
60
УДК 669.181
ТВЕРДОФАЗНОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ ОКСИДОВ ЖЕЛЕЗА В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ Карпова Ксения Сергеевна, магистрант (e-mail: ks.shumilina@yandex.ru) Карпов Антон Владимирович, к.т.н., доцент (e-mail: antonkrpv@rambler.ru) Липецкий государственный технический университет, г.Липецк, Россия
В данной работе произведено исследование возможности реализации твердофазного восстановления оксидов железа в лабораторных условиях. Представлено подробное описание проведения и реализации эксперимента. Показаны полученные результаты степени восстановления агломерата и окатышей углеродом кокса.
Ключевые слова: доменная печь, железо, оксиды железа, восстановление железа, углерод, кокс.
Потребность мировой промышленности в стали остается на высоком уровне. Это вызывает необходимость добычи и восстановления в металлургических агрегатах больших количеств оксидов железа.
Известно, что железо, находящееся в недрах земли, представлено двухвалентными и трехвалентными оксидами. В зависимости от типа рудного минерала классифицируют большое количество железных руд:
- магнетитовые, минерал Fe3O4;
- полумартиты и мартиты, минерал Fe3O4 и Fe2O3;
- гематитовые железняки, минерал Fe2 O3;
- бурые железняки, минерал nFe2O3 mH 2 O;
- сидеритовые железняки, минерал FeCO3.
Исходя из содержания железа в каждом из этих минералов наиболее востребованными являются магнетит и гематит. Они являются основными железосодержащими компонентами агломерата и окатышей, используемых в современном металлургическом процессе.
Сам процесс восстановления оксидов железа в большей мере происходит в доменных печах, в меньшей - методами прямого получения железа, такими как Корекс, Мидрекс, Ромелт процессы [1].
В условиях доменной печи процесс восстановления идет как твердофазным способом, так и жидкофазным, при этом протекают следующие реакции [2-3]:
- восстановитель СО
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 + Q; Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 - Q FeO + CO = Fe + CO2 + Q
- восстановитель Н2
3Ев2О3 + И2 = 2 Ев3О4 + И2О + 0; Ев3О4 + И2 = 3ЕвО + И20 - 0 ЕвО + И2 = Ев + И20 - 0
восстановитель С
ЕвО + С = Ев + СО - 0
Проведем анализ возможности осуществления восстановления оксидов железа без их расплавления, путем взаимодействия с твердым углеродом. Системы с температурой ниже температуры плавления позволят предотвратить насыщение железа углеродом [4]. Исследование выполним в лабораторных условиях.
Для реализации поставленной задачи проведем расчет температуры начала протекания реакции ЕвО + С = Ев + СО по параметру энергии Гиббса:
АО = ЛИ - Т АБ, где ЛИ - энтальпия реакции, кДж;
Т - температура системы, К
А Б - энтропия реакции, Дж/к
По справочным данным определяем энтальпию и энтропию реакции.
ЛИ = 154,5 кДж;
АБ = 158,1 Дж/К.
Учитывая, что реакция ЕвО + С = Ев + СО начнет протекать при АО < 0, определим температуру для создания этого условия
^ АИ 154500
Т =-=-= 976 К или 703 оС.
АБ 158,1
Таким образом, для проведения исследования была принята температура, равная 900оС, что превышает температуру начала протекания изучаемой реакции.
Для анализа восстановимости были принят агломерат и окатыши. Пробы формировали в корундовых тиглях, железосодержащий материал перемешивался с коксом (рис. 1).
Подготовленные пробы загружались в муфельную печь и выдерживались 2, 4, 6 часов (рис. 2).
После выдержки на заданное время образцы подвергались магнитной сепарации, с целью разделения восстановленных материалов и остатка кокса (рис. 3).
Рисунок 1 - Внешний вид тиглей с шихтой
Рисунок 2 - Загрузка тиглей в печь
Рисунок 3 - Магнитная сепарация восстановленных материалов
По завершении процесса восстановления агломерат внешне значительным изменениям не подвергся. На поверхности окатышей в результате проведения эксперимента появились трещины. Это можно объяснить процессами перекристаллизации минералов во время протекания реакций и,
соответственно, повышения внутренних напряжений, приведших к образованию трещин (рис. 4).
Рисунок 4 - Внешний вид восстановленных материалов
Полученные результаты по изменению массы железорудных материалов приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Результаты восстановления агломерата и окатышей
Время Вес пробы, г Номер пробы
1 2 3 4 5
агломерат
2 часа до восстановления 71,69 71,47 73,93 82,02 -
после восстановления 69,9 69,7 72,2 80,1 -
до восстановления 50,97 51,26 50,27 51,04 52,9
после восстановления 49,5 49,81 48,85 49,56 51,37
4 часа до восстановления 52,1 50,63 50,43 49,26 -
после восстановления 49,76 48,4 48,21 47,05 -
до восстановления 51,87 51,58 51,33 53,21 55,3
после восстановления 49,41 49,22 48,83 50,76 52,61
6 часов до восстановления 44,56 47,29 40,79 44,83 43,87
после восстановления 42,18 44,8 38,62 42,47 41,53
окатыши
2 часа до восстановления 76 90,25 77 79,23 80,3
после восстановления 72,42 87,2 74,42 76,57 77,61
4 часа до восстановления 51,9 58,25 52,79 53,79 52,05
после восстановления 49,7 55,76 50,61 51,56 49,88
6 часов до восстановления 61,35 62,71 60,18 61,54 63,72
после восстановления 58,11 59,48 57,08 58,29 60,43
В ходе восстановления оксиды железа теряют кислород, за счет чего масса образца снижается. Исходя из величины изменения веса агломерата и окатышей мы имеем возможность определить степень их восстановления. Усредненные количественные показатели степени восстановления по каждому из образцов показаны на рисунке 5.
Рисунок 5 - График изменения потери массы образцов
Из графика видно, что твердофазное восстановление оксидов железа в условиях углерода кокса идет с низкой скоростью. При выдержке агломе-
о
рата длительностью 2 часа при температуре 900 С потеря массы составляет 2,74%, а степень восстановления - 4,4%; если данные условия буду длиться 6 часов, она составит 9,3%. Для окатышей степень восстановления составит 6,6 и 9,8% соответственно. Динамика восстановления по времени показана на рисунке 6. 12,0
щ 10,0
IX
к к I си Ч
0 м
1 то Е-и и
0 м л
1 <и
<и Е-
и
8,0
6,0
4,0
2,0
0,0
2,5
3,5 4 4,5
Время, часов
5,5
Агломерат
Окатыши
Рисунок 6 - График изменения степени восстановления оксидов железа
6
Таким образом видно, что твердофазное восстановление оксидов железа углеродом кокса неэффективно в связи с низкой интенсивностью протекания реакций. Нужно отметить, что окатыши восстанавливаются немногим
лучше, чем агломерат, за счет присутствия в них большего количества легко восстанавливаемого трехвалентного железа[5].
Список литературы
1. Крутилин А.Н. Твердофазное восстановление оксидов железа углеродом [текст] /
A.Н. Крутилин, М.Н. Кухарчук, О.А. Сычева // Литье и металлургия. 2012. № 2 (65). С. 11-16.
2. Коршиков Г.В. Влияние интенсивности доменной плавки на расход топлива и кинетику химических реакций восстановительного процесса / Г.В. Коршиков, В.Н. Титов,
B.Г. Михайлов, А.В. Карпов [текст] // Сталь. 2016. № 2. С. 9-15.
3. Коршиков Г.В. Влияние химических процессов на термодинамические параметры газового потока в доменной печи [текст] / Г.В. Коршиков, В.Н. Титов, В.Г. Михайлов,
A.В. Карпов // Сталь. 2016. № 6. С. 2-9.
4. Карпов А.В. Оценка тепловой неравномерности работы горна доменной печи [текст] / А.В. Карпов, К.С. Карпова // Прогрессивные технологии и процессы Сборник научных статей 4-й Международной молодежной научно-практической конференции. Ответственный редактор А. А. Горохов. 2017. С. 86-90.
5. Коршиков Г.В. Термодинамические и кинематические закономерности доменного процесса при высоких параметрах по интенсивности плавки [текст] / Г.В. Коршиков,
B.Н. Титов, В.Г. Михайлов [и др.] // Современная металлургия нового тысячелетия сборник научных трудов. 2015. С. 136-148.
UDC 669.181
Karpova Kseniya Sergeevna, undergraduate
(e-mail: ks.shumilina@yandex.ru)
Lipetsk State Technical University, Lipetsk, Russia
Karpov Anton Vladimirovich, Cand.Tech.Sci., associate professor
(e-mail: antonkrpv@rambler.ru)
Lipetsk State Technical University, Lipetsk, Russia
SOLID-PHASE RECOVERY OF IRON OXIDES UNDER LABORATORY CONDITIONS
Summary. This work conducts a research of feasibility of solid-phase recovery of iron oxides under laboratory conditions. The detailed description of carrying out and realization of an experiment has been submitted. The received results of sinter and pellets recovery rate by coke carbon are shown.
Keywords: blast furnace, iron, iron oxides, iron recovery, carbon, coke.
