Динамика восстановления окислов железа при термообработке топливоплавильных материалов

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА

Том 300

1977

ДИНАМИКА ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОКИСЛОВ ЖЕЛЕЗА ПРИ ТЕРМООБРАБОТКЕ ТОПЛИВОПЛАВИЛЬНЫХ

МАТЕРИАЛОВ

H. Г. АНТОНОВ, В. П. ЗАРЮТО, С. И. СМОЛЬЯНИНО,В, Г. Г. КРИНИЦЫН

Применение торфа как технологического топлива в процессах получения железа из руд имеет ряд отличительных особенностей. Важнейшей из них является выделение значительного количества газообразных и жидких продуктов пиролиза, которые являются хорошими восстановителями. При этом роль тех или иных продуктов распада на процесс восстановления не одинакова.

Нами проведено исследование процесса восстановления окиси железа в торфорудных формовках продуктами термического разложения торфа (Ас — 4,85%, Уг— .85,93%, О" 52.30%, № — 6,43%, д/г — 2,43%) при скорости нагревания равной 5°/мин и часовой выдержкой в конце интервала коксования. Содержание Ре203 в материалах равно 33,14% на сухое вещество.

Данные по динамике газовыделения получены на комплексной дериватографической установке, основными узлами которой являются дериватограф и два хроматографа — ОАСН-21 для анализа С02 и ХТ-2М для СН4, СО, Н2.

Определение фазового состава окислов железа проводилось химическим и рентгенографическим методами на установке ДРОН.1, анод-железный, напряжение на аноде 20 кв, 'анодный ток 15 ма..

Рассматривая данные восстановления Ре203 в ТПМ (рис. 3, 4), можно отметить три температурных интервала:

I. Интервал низких температур до 500—550°С. Скорость восстановительных процессов низка.

2. Интервал температур 500—650°С характеризуется непрерывным возрастанием скорости восстановительных процессов и его можно назвать переходным.

3. Интервал повышенных температур (выше 650°С)—интервал интенсивных восстановительных процессов.

Данные динамики газовыделения из торфяных и топливоплавиль-ных материалов (рис. 1, 2) указывают на то, что в каждом из этих интервалов температур восстановление окислов железа обусловлено различными продуктами термического распада органической массы торфа. Увеличенные скорости выделения СО, С02 и Н2 из торфорудно-го материала в первом температурном интервале указывают на то, что жидкие продукты и их радикалы активно взаимодействуют с окислами железа даже при сравнительно низких температурах 250—550°С. Если рассматривать долю участия жидких, газообразных и твердых продук-

i

. Ю

* I

I

IS

it

QS

04

tob пиролиза в [удалении кислорода из окислов (рис. 1—4). то нужно отметить, что в интервале выделения жидких (до 550°С) Fe^ восстанавливается до Fe304 и удаляется около 20% кислорода окиси железа. Из этих 20% большая часть должна уноситься окисью углерода, имеющей при пониженных температурах большее сродство к кислороду по

сравнению с водородом [1, 2, 6] и выделяющейся из смолы за счет взаимодействия РегОз с жидкими продуктами.

Кроме того, адсорбция водяных паров на окислах железа блокирует реакционную поверхность для водоро-да [1].

Относительно восстановления окислов железа метаном нужно сказать, что до 500°С он инертен и лишь выше этой температуры включается в восстановительные процессы.

В переходном интервале 500—650°С удаляется еще около 10% кислорода Fe203. Fe304 переходит в металлическое и закисное железо. Смола, СО, Н2 и углерод твердого остатка большого участия в этом не принимают, так как выделение жидких компонентов практически прекращается, СО и Н2 выделяется мало, а реакция газификации С + СОг = 2СО при этих температурах имеет очень низкие

Л

1» Г • !

1 I it

1 1 1 11 |\ IN

1 1 Ч \ t I •

\ \ / / I

/А 1 •2* l^7 и

5

!

•с

S 1

¡пеплератуАс;, °с

Рис. 1. Динамика выделения СО

1

1

«к

0,6

ол

о

а

<4 1

I

I

Г А 2 /\

\\ \4 Ii

/А г %

№ 300 500 700 темп ера тура,

900

*

0,01

I

I

о <§

V

//00

Рис. 2. Динамика выделения Н2

и торфа

скорости. Основным источником удаления кислорода, по-видимому, является метан. Скорость реакции взаимодействия СН4 с окислами в этом интервале температур довольно высока [4, 5] и одна его молекула может удалять из окислов 4 атома кислорода.

Интервал температур 650—900°С характеризуется интенсивным процессом накопления металлического железа. Здесь удаляется около 70% исходного кислорода окиси железа.

Метан и водород при этих температурах являются активными восстановителями, но их выделяется недостаточное количество. Поэтому основная роль должна принадлежать твердому углероду. Повышенная реакционная способность углерода твердого остатка и каталитическое влияние металлического железа на реакцию С -¡- С02 = 2СО [4, 5]

температура , 'с

Рис. 3. Динамика восстановления оки- Рис. 4. Степень восстановления окиси си железа в ТПМ железа при термообработке ТПМ

способствуют выделению больших количеств СО, который и восстанавливает окислы железа до металла.

Таким образом, при термообработке ТПМ при температурах выше 200ЭС окись железа начинает восстанавливаться и к 550°С переходит в Ре304. Следы металлического железа появляются при температурах выше 300°С. Восстановление окислоз железа происходит последовательно от высших к низшим.

Ие-А -> Ре304 ИеО -» Ре. Ре

Основная часть кислорода окислов удаляется за счет реакции газификации ¡углерода твердого остатка.

ЛИТЕРАТУРА

1. А. Д. Г о т л и б. Доменный процесс. М., Металлургия, 1966.

2. Н. А. Гольдштей н. Краткий курс теории металлургических процессов. М., Металлургиздат, 1961.

3. С. Г. Ростовцев, В. К. Симонов, О. А. Костелов. В сб.: «Механизм и кинетика восстановления металлов». М., «Наука», 1970, стр. 24—/31.

4. В. В. В е с е л о в, В. П. Д о р о х о в и ч. В сб.: «Механизм и кинетика восстановления металлов». М., «Наука», 1970, стр. 108—115.

5. О. Л. Костелов, С. Г. Ростовцев. Известия вузов, «Черная металлургия», 1966, № 9, стр. 14—19.

6. О. А. Есин, П. В. Гельд. Физическая химия пирометаллургических процессов. Ч. 1. Свердловск, Металлургиздат, 1962