Процессы твердофазного восстановления железа

Способы повышения содержания же­леза в железорудных материалах по­лучили название процессов металлизации. Получаемый продукт называ­ют металлизованным. Под степенью металлизации обычно понимают процентное содержание железа в продукте.

По назначению металлизованные продукты обычно делят на три группы в зависимости от степени металлиза­ции:

1) до 85% Fe —продукт исполь­зуют в качестве шихты доменной плавки;

2) 85—95 % Fe — продукт использу­ют в качестве шихты при выплавке стали;

3) >98 % Fe — продукт используют для производства железного порошка.

Процессы металлизации железо­рудных материалов осуществляются при температурах, не превышающих 1000—1200 °С, т. е. в условиях, когда и сырье (железная руда или железо­рудный концентрат), и продукт представляют собой твердую фазу, а также не происходит размягчения материалов, их слипания и налипа­ния на стенки агрегатов. Такие про­цессы прямого получения железа из руд получили название процессов твердофазного восстановления (ПТВ). Поскольку получаемый материал на­поминает пористую губку, его часто называют «губчатым железом». Основная масса получа­емых продуктов используется в каче­стве шихты сталеплавильных агрега­тов.

Для восстановления оксидов желе­за в качестве восстановителя обычно используют или уголь (твердый вос­становитель), или природный газ (га­зообразный восстановитель). При этом предпочтительно использование не «сырого» природного газа, а горя­чих восстановительных газов, так как при этом не затрачивается тепло на диссоциацию углеводородов, а приход тепла определяется нагревом восста­новительных газов.

Восстановительные газы получают конверсией газообразных углеводо­родов либо газификацией твердого топлива. Конверсия природного газа может быть:

кислородной (воздушной)

СН₄ + 1/2О₂ = СО + 2Н₂ + Q,

паровой

СН₄ + Н₂0 = СО + ЗН₂ – Q,

углекислотной

СН₄ + СО₂ = 2СО + 2Н₂ - Q,

В случае паровой и углекислотной конверсии для протекания реакции требуются затраты тепла. Конверсию осуществляют в специальных аппара­тах с использованием катализаторов.

Газификация твердого топлива осуществляется по следующим реак­циям:

С + 1/2О₂ = СО + Q,

С + Н₂О = СО + Н₂ - Q,

С + С0₂ = 2СО - Q,

В настоящее время в мире работает много установок прямого восстанов­ления, главным образом в странах, располагающих дешевым сырьем (Ин­дия, Мексика, Венесуэла, ЮАР).

Существует несколько типов про­цессов и установок (рис. 7.1). Наиболее распространенными являются способы Мидрекс (MIDREX, США) и ХиЛ (HyL, по названию фир­мы Hojalata-y-Lamina, Мексика). Спо­собом Мидрекс осуществляется при­мерно 2/3 всего мирового производ­ства железа прямого получения, способом ХиЛ — примерно ¼

¹ От лат. conversio — изменение, превра­щение

Рис. 7.1. Принципиальные схемы агрегатов

прямого восстановления, используемых в

процессах:

а-Мидрекс (MIDREX); 6-ХиЛ (HyL); е-Круп-па (Krypp-Rennverfahren). Обозначения: О—желе­зорудные окатыши; Р — руда; ГЖ— губчатое желе­зо; ВГ— восстановительный газ; ОТ— отходящий газ; Т— топливо; У— уголь

Главным отличием процесса Мид­рекс (рис. 7.2) является способ кон­версии природного газа, которая в этом процессе осуществляется диок­сидом углерода, содержащимся в отходящем из печи газе, по реакции СН₄ + СО₂ = 2СО + 2Н₂. Перед пода­чей отходящего газа в конверсионную установку он проходит очистку от пыли и Н₂О. Конвертированный газ, содержащий -35 % СО и ~65 % Н₂, подают в печь при температуре 750 "С. Кроме этого в нижнюю часть печи по­дают охлажденный оборотный газ. Ох­лажденные окатыши содержат ~95 % Fe и ~1 % С. Содержание углерода в губке при необходимости может быть повышено.

Металлизованные охлажденные окатыши непрерывно выгружаются в бункер емкостью 5 тыс. т, где хранятся в инертной атмосфере до плавки в ду­говых печах. Расход природного газа на процесс составляет около 350 м³ на 1 т продукта. Этот процесс осуществ­лен у нас на Оскольском электроме­таллургическом комбинате.

Рис. 7.2. Принципиальная схема процесса MIDREX:

Воздуходувка; 2-теплообменник; 3-смеситель газов; -/-конверсионная установка­м—компрессор; 6 —скруббер для колошникового газа; 7—шахтная печь; 8— скруббер-9— вибрационный грохот; 10— брикетный пресс

Процессы данного типа порождают группу задач, возникающие при построении математических моделей с учетом химических реакций, когда один из взаимодействующих компонентов находится в твердом агрегатном состоянии, а второй – жидком или газообразном.
Построение базовой модели было осуществлено относительно недавно. Основные предположения сводятся к следующему:

1.Твердая частица оксида железа правильной сферической формы радиуса R₀ помещается в пространство покоящегося восстановительного газа с температурой значительно превосходящей начальную температуру частицы.

2.При взаимодействии частицы с высокотемпературным газом происходит химическая реакция между материалом и веществами.

3.Фронт гетерогенной реакции продвигается с неизвестной переменной скоростью в виде сферической поверхности к центру шара.

4. В результате этого взаимодействия образуется чистое железо в губчатой форме и газообразные продукты химической реакции, дифференцирующиеся через образующуюся вокруг твердого ядра пористую оболочку с движущейся внутренней границей в окружающее пространство восстановительного газа.

5.Охлаждение окатыша после процесса металлизации путем теплообмена в охлаждающей камере.

Характерные состояния окатыша в процессе металлизации

Дано сферически твердое тело (шар) при температуре Т₀ . В начальный момент времени шар перемещается в неограниченную среду с температурой Т_с <T₀. Охлаждение шара происходит путем теплопроводности. Найти распределение температуры в любой момент времени.

Постановка задачи:

Дано сферически твердое тело (шар) при температуре Т₀ . В начальный момент времени шар перемещается в неограниченную среду с температурой Т_с <T₀. Охлаждение шара происходит путем теплопроводности. Найти распределение температуры в любой момент времени

Рис. 1 Построенная геометрия тела.

Под цифрой 1 – геометрия жидкости, под 2 – геометрия твердого тела.

Диаметр шара 25 мм, окружающая его сфера жидкости 100 мм.