Раціональні режими металізації залізорудних окатишів при газовому відновленні в умовах шару

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна металургійна академія України

УДК 662. 788.5:669.094.1.

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового степеня кандидата технічних наук

Раціональні режими металізації залізорудних окатишів при газовому відновленні в умовах шару

05.16.02 Металургія чорних і кольорових металів

та спеціальних сплавів

Колбін Микола Олексійович

Дніпропетровськ 2010

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:кандидат технічних наук КОСТЬОЛОВ ОЛЕГ ЛЕОНІДОВИЧ, Національна металургійна академія України Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ, професор кафедри теорії теорії металургійних процесів і фізичної хімії

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор КОВШОВ ВОЛОДИМИР МИКОЛАЙОВИЧ, Національна металургійна академія України Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ, професор кафедри теорії металургійних процесів і фізичної хімії

кандидат технічних наук МОЖАРЕНКО МИКОЛА МИХАЙЛОВИЧ, Інститут Чорної металургії ім. академіка З.І.Некрасова Національної Академії наук України, м. Дніпропетровськ, завідувач відділу металургії чавуну, м. Дніпропетровськ.

Захист дисертації відбудеться «__11_»____05_____2010 р. о _12³⁰___ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 при Національній металургійній академії України за адресою: НМетАУ, пр. Гагаріна, 4, м. Дніпропетровськ, 49600.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної металургійної академії України, пр. Гагаріна, 4, м. Дніпропетровськ, 49600.

Автореферат розісланий «__06_»____04_____2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03, доктор технічних наук, професорЛ.В. Камкіна

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Сучасна чорна металургія базується на двохступеневому способі отримання заліза з руди, розвитку якого приділяють велику увагу. Втім дорожнеча коксу та розвиток процесів збагачення руд ініціюють пошуки ефективних способів безпосереднього отримання металу з залізорудної сировини. Існує декілька напрямків використання кінцевого продукту позадоменного відновлювання. Один з них - виробництво металізованої сировини для переплаву у сталь. Цей напрямок визначається декількома факторами, зокрема значним підвищенням вимог до якості сталі. Досвід переконливо показує, що сталь, виплавлена з використанням металізованого матеріалу замість металобрухту, має кращі властивості. Основна причина поліпшення якості сталі - металізовані матеріали, на відміну від металобрухту, практично не мають шкідливих домішок. Для плавки в сталеплавильних пічах металізована сировина повинна мати ступінь металізації понад 80%. Це досягається шляхом газового відновлення залізорудної сировини у ретортах або шахтних пічах. Найголовнішими металургійними характеристиками залізорудної сировини є відновлюваність і міцність. Тому змінення цих характеристик при відновлювально-тепловій обробці в умовах шару має важливе значення.

Для розрахунку параметрів шахтної печі або реторти та забезпечення їх сталої роботи, необхідно уявляти структуру відновлювального процесу і його макрокінетику в умовах шару, а також знати параметри процесу відновлення.

У зв'язку з вищенаведеним дана дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науково-прикладної задачі - дослідженню закономірностей формування структури шару при газовому відновленні в залежності від температури та визначенню впливу на її параметри деяких технологічних факторів з метою розробки раціональних режимів металізації залізорудних окатишів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Вирішені в дисертації завдання повною мірою відповідають меті і завданням національної програми розвитку гірничо-металургійного комплексу України до 2010 р., проект якої розроблений відповідно до Постанови Верховної Ради України від 6 жовтня 1998р. № 166-XIY, одному з приорітетів «Концепції розвитку гірничо-металургійного комплексу України до 2005-2010р.р.», затвердженої Урядом України: «… здійснення технологічних, економічних і стаціонарних заходів щодо мінімізації витрат на виробництво», а також міжвузівській комплексній цільовій програмі «Метал» і регіональній комплексній цільовій науково-технічній програмі «Сталь», затвердженій Президією Національної Академії наук України. Виконання дисертації пов'язане з планами науково-дослідних робіт НМетАУ. Базовими для підготовки дисертації є науково-дослідні роботи, в яких автор був відповідальним виконавцем: «Розробка методів визначення критеріїв оцінки металургійних властивостей залізорудних матеріалів, що забезпечують оптимізацію процесу відновлення в металургійних агрегатах» (№ держ. реєстрації 80012964), «Дослідження відновности огрудкованих залізорудних матеріалів гірничо-збагачувальних комбінатів і аглофабрик криворізского басейну з метою встановлення впливу параметрів виробництва залізорудної сировини на цей показник» (№ держ. реєстрації 01840019416), «Порівняльна оцінка кінетичних закономірностей відновлення і властивостей залізорудних окатишів і агломератів підприємств МЧМ УРСР, для виявлення шляхів оптимального використання сировини» (№ держ. реєстрації 01823021820).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є дослідження процесів, що відбуваються при відновленні залізорудних матеріалів газоподібними відновлювачами в умовах шару, розробка математичної моделі відновлення, одержання даних про структуру процесу газового відновлення в умовах шару і впливу на її параметри температури та витрати газу-відновлювача.

У відповідності до цього були поставлені задачі дослідження:

- теоретично дослідити закономірності формування структури шару при відновленні газом;

- розробити математичну модель відновлення шару залізорудних матеріалів;

- розробити методику експериментальних досліджень для вивчення впливу умов відновлення на формування реакційних зон та їх параметри;

- експериментально дослідити вплив температури і витрати газу-відновлювача на формування, швидкість пересування і геометричні розміри зон реагування;

- визначити раціональні режими відновлення при шаровій організації процесів відновлення залізорудних матеріалів;

- дослідити змінювання міцности залізорудних окатишів при газовому відновленні в умовах шару.

Об'єкт дослідження. Процес одержання металізованого продукту заданого ступеню металізації шляхом газового відновлення залізорудних матеріалів в умовах шару.

Предмет дослідження. Вплив технологічних чинників (температури, витрати газу-відновлювача, фізико-хімічних властивостей окатишів) на фізико-хімічні та кінетичні закономірності формування зон реагування та їх параметри при відновленні в умовах шару.

Методи дослідження. Використані теоретичні та експериментальні методи. Теоретичні дослідження базуються на фундаментальних положеннях фізичної хімії, теорії металургійних процесів стосовно термодинаміки системи твердий оксид - газ та масообміну у гетерогенних системах. При експериментальному дослідженні використані як відомі методи дослідження кінетики відновлювальних процесів, так і розроблені автором нові методи, що дозволяють деталізувати процес відновлення в умовах шару.

Наукова новизна отриманих результатів: Наукову новизну мають наступні результати теоретичних та експериментальних досліджень, отриманих особисто автором:

1. Набули розвиток уявлення про теоретичні закономірності процесу відновлення залізорудних матеріалів в умовах шару. Встановлено, що в системі Fe-O-H структура відновлювального процесу залежіть від температури, та показано, що в інтервалі температур 500^оС - 1100^оС визначаються три області, що відрізняються типом і кількістю зон реагування та їх відносною швидкістю пересування вздовж шару. Змінення кількості реакційних зон в залежності від температури зумовлене швидкісними можливостями окремих переходів в системі Fe-O-H, тому при температурі вище 590^оС лімітуючою ланкою є перехід FeO>Fe, а при нижчій температурі - Fe₃О₄ >Fe.

2. Вперше з використанням моделі «лінійного реактору» уточнені дані щодо формування зон реагування, їх геометричних розмірів, швидкості пересування в залежності від температури та витрати газу-відновника при відновленні в умовах шару.

3. Вперше обґрунтована теоретично й підтверджена експериментально можливість використання методики «лінійного шару» для одержання інформації щодо поліпшення роботи агрегатів прямого отримання заліза в умовах нерухомого шару.

4. Вперше встановлено зв'язок міцності та ступеню відновлення воднем залізорудних окатишів по висоті шару, яка досягає мінімального значення на стадії перетворення гематит-вюстит, при якій змінюється тип кристалічної гратки та її щільність.

Практичне значення отриманих результатів:

Розроблена методика дослідження та аналізу газового відновлення залізорудних матеріалів в умовах шарової організації процесу отримання металізованого продукту.

Обгрунтовані раціональні співвідношення швидкості газового потоку, температурного режиму відновлення та швидкості сходу шихти для забезпечення зростання продуктивності та сталої роботи шахтного агрегату.

Розроблена математична модель газового відновлення шару залізорудних матеріалів, яка базується на закономірностях поліфронтальної моделі відновлення окатиша.

Одержані аналітичні рівняння для розрахунку параметрів зон реагування, які дозволяють прогнозувати поведінку матеріалів в шахтному агрегаті та визначати геометричні розміри агрегатів, та їх продуктивність.

Отримані в дисертації результати досліджень рекомендуються до використання при розробці заходів щодо підвищення продуктивності та забезпечення сталої роботи агрегатів для отримання металізованої сировини. Запропоновані в дисертації шляхи підвищення продуктивності та сталої роботи агрегатів виробництва металізованої сировини можуть бути впроваджені в цехах по виробництву металізованої сировини на підприємствах чорної металургії а також використані проектними установами та відділами підприємств для конструювання нових та реконструкції діючих шахтних агрегатів.

Ряд теоретичних узагальнень по термодинаміці, кінетиці відновлювальних процесів використовуються у учбовому процесі в НМетАУ при викладанні спеціальних дисциплін для студентів спеціальності «Металургія чорних металів», де викладаються фізико-хімічні та технологічні основи відновлювальних процесів одержання металів та сплавів, при підготовці випускних магістерських робіт та дипломуванні.

Особистий внесок здобувача. Особисто дисертантом сформульована постановка задач, розроблені методики розрахунків та методика проведення експериментів. Експериментальні дослідження, результати яких наведені в дисертаційній роботі, та розрахунки виконані безпосередньо автором при участі співробітників кафедри теорії металургійних процесів і фізичної хімії, що знайшло відображення у сумісних публікаціях. Обробка експериментальних даних, всі розрахункові дослідження, розробка методики розрахунку параметрів реакційних зон та розрахунок статичної міцності окатишів в умовах шару проведені автором самостійно.

У роботах, наведених в авторефераті і опублікованих із співавторами, автору дисертації належать: [6] - результати теоретичного визначення структури відновлювального процесу в залежності від температури; [3,5,8,9] - результати експериментального визначення структури відновлювального процесу в залежності від температури; [2,3,4] - методики, що використовувалися при проведенні досліджень; [5] - результати експериментального дослідження швидкості переміщення зон реагування; [1,2] - змінення об'єму та міцності окатишів та їх зв'язок зі ступенем відновлення; [3,7,10] - експериментальне та розрахункове визначення висоти зони реагування та вплив на її значення температури та швидкості потоку газу-відновника; [11] - розробка математичної моделі відновлення в умовах шару.

Апробація результатів дослідження. Основні положення і результати досліджень, узагальнені в дисертації, доповідалися, обговорювалися і одержали позитивну оцінку на міжнародних і регіональних науково-технічних конгресах, конференціях і симпозіумах: Всесоюзна конференція «Термодинаміка, кінетика і механізм газовуглецевотермічного відновлення в процесах отримання металів і сплавів та технологічні основи ціх процесів» (м. Дніпропетровськ, 1975), Республіканська науково-технічна конференція «Теоретичні основи і технологія підготовки металургійної сировини до доменної плавки» (м. Дніпропетровськ. 1980), 8^th International Symposium “Materials and Metallurgy” (Croatia, Sibenic, 2008), Міждержавна науково-методична конференція «Проблеми математичного моделювання» (Дніпродзержинськ, 2009)

Публикациї. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані у 7 статтях в спеціалізованих наукових журналах та збірках, у тому числі: 4 статті у виданнях, які входять до переліку ВАК України, у 4 тезах доповідей на міжнародних науково-технічних конференціях, конгресах, симпозіумах.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаних джерел з 134 найменувань. Викладена на 159 сторінках друкованого тексту, що включає 40 рисунків, 13 таблиць і додатки.

Робота виконана на кафедрі теорії металургійних процесів та фізичної хімії Національної металургійної академії України.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульована мета роботи і визначені основні задачі досліджень, розглянуті об'єкт, предмет і методи досліджень, визначені новизна і практична цінність отриманих результатів, відзначений особистий внесок здобувача, представлені відомості про публікації та апробацію основних результатів роботи.

У першому розділі "Аналітичний огляд" на підставі огляду науково-технічної літератури проведений аналіз сучасних уявлень щодо протікання процесу відновлення в умовах шару, розглянуті літературні дані про формування структури процесу газового відновлення й виділені ланки, що лімітують, розглянутий вплив основних технологічних факторів на процес відновлення в шарі, проаналізоване змінювання міцності залізорудних окатишів при газовому відновленні. Обґрунтовано актуальність, визначені мета й завдання дослідження.

У другому розділі «Теоретичний аналіз відновлення залізорудних матеріалів в умовах шару» проведено теоретичний аналіз відновлення шару залізорудних матеріалів воднем в системі Fe-O-H в умовах потоколімітуючого режиму. На основі термодинамічних даних за методикою, запропонованою Ристом і Боннівардом, розраховані питомі продуктивності основних реакцій відновлення. Питома продуктивність реакції визначається як відношення хімічного потенціалу газоподібного відновлювача до кількості кисню, що віднімається. Вихідні дані для розрахунків наведені в таблиці 1.

Таблиця 1. Розрахунок стехіометричних співвідношень реакцій в шару оксидів при відновленні воднем (розрахунок робиться на 1 моль кисню).

№ п/п	Реакція	xрi	xi	уi	уj	yi	V
1	FeO1,05 + H2 = Fe +H2O	хр1	хр1 - х0	1,05	0	1,05	хр1 - х0 1,05
2	FeO1,33 + H2 = FeO1,05 +H2O	хр2	хр2 - хр1	1,33	1,05	0,28	хр2- хр1 0,28
3	FeO1,5 + H2 = FeO1,33 +H2O	хр3	хр3 - хр2	1,5	1,33	0,17	хр3- хр2 0,17
4	FeO1,33 + H2 = Fe +H2O	хр4	хр4 - х0	1,33	0	1,33	хр4 - х0 1,33
5	FeO1,5 + H2 = FeO1,05 +H2O	хр5	хр5 - х0	1,5	1,05	0,45	хр5 - х0 0,45

х^р_i - рівноважна концентрація Н₂О_пара для i - тої реакції;

х_i - хімічний потенціал газу; у_i = О_i/Fe_i - ступінь окислення вихідного оксиду, (-);

у_j = О_j/Fe_j - ступінь окислення оксиду продукту, (-);Ду_i = i-j - кількість одиниць кисню у FeO_i; V - питома продуктивність реакції.

Результати розрахунків наведені на рис.1. При питомій продуктивності (V) для кожної наступної реакції, відповідно до принципу послідовних перетворень А.А. Байкова, яка менше попередньої (V1< V2 <V3), то в шарі будуть спостерігатися всі три зони реагування. При невиконанні цього співвідношення можливе злиття пари зон у загальну зону реагування, тобто з'являться зони, відповідні реакціям 4 і 5. Відповідно до отриманих розрахункових даних, досліджений температурний інтервал можна розбити на три області: 1 - Т<589^оС, 2 - 589<T<840^оС й 3 - Т>840^оС. Аналіз третьої області показує, що максимальну питому продуктивність має реакція 2, потім у порядку зменшення швидкостей реакції 3 і 1. Отже, фронт реакції 2 повинен просуватися вздовж шару з максимальною швидкістю, але це неможливо, оскільки вихідний матеріал для реакції 2 дає реакція 3, питома продуктивність якої набагато нижча. Внаслідок цього в шарі утворюється здвоєний фронт реакції Fe₂O₃ - Fe₃O₄ - FeO (крива 5), що рухається по шару повільніше, ніж фронт реакції 2, але швидше, ніж реакції 3. Крім того, у шарі присутній ще й фронт реакції 1, питома продуктивність якої істотно нижче, ніж у перших двох реакцій. Отже, при температурах вище 840 ^оС у шарі буде просуватися два реакційних фронти: гематит - вюстит і вюстит - залізо.

реакція 2 і після неї реакція 1. Отже, в інтервалі температур 589 - 840^оС у шару буде три реакційних фронти: гематит - магнетит, магнетит - вюстит і вюстит - залізо. І, нарешті, у першій температурній області (нижче 589С) шар за аналогією із третьою областю складається із двох реакційних зон: гематит - магнетит і магнетит - залізо. Іващенко В.П. із співробітниками приводять аналітичний вираз для розрахунку гранично можливої швидкості:

q_щ = х·[1- %Н_2р/%Н_2о·16/1, (1)

де q_щ - гранично можлива швидкість видалення кисню оксидної фази, О/с; х - швидкість внутрішньо дифузійного перенесення, моль Н₂/с; %Н_2р, %Н_2о - рівноважна й вихідна концентрація водню, %.

Швидкість дифузійного перенесення визначається як:

х = D_e S ДC/X, (2)

де D_e - ефективний коефіцієнт дифузії (вільної або кнудсеновської); S - площа поверхні, через яку переноситься газ; ДC - різниця концентрацій газу у зовнішньої поверхні твердого тіла й у реакційній зоні; Х -товщина дифузійного шару.

Розрахунки, проведені за рівнянням (1), наведені в таблиці 2.

Таблиця 2. Гранично можлива швидкість видалення кисню оксидної фази, моль/с

Температура, оС	Реакційна зона
	Fe2O3 - Fе3O4	Fе3O4 - FeO
700	5,45·10-4	0,95·10-4
840	3,50·10-4	3,44·10-4
900	2,46·10-4	4,04·10-4

Порівняння цих розрахунків з даними, що наведені на рис. 1, показує, що якісно вони збігаються. З підвищенням температури швидкість видалення кисню на ступеню Fe₂O₃ - Fе₃O₄ падає, а на ступеню Fе₃O₄ - FeO росте. При 840^оС ці швидкості приблизно рівні. Тобто при температурі 900^оС буде відбуватися накладення 1 й 2 ступенів. Таким чином, розрахункові дані, отримані по двох методиках, збігаються, що дає можливість судити про вірогідність отриманих результатів щодо формування структури процесу відновлення в умовах шару.

В третьому розділі «Визначення параметрів зони реагування при відновленні шару залізорудних окатишів воднем» експериментальним шляхом визначалися: структура процесу відновлення в умовах шару, параметри зон реагування та вплив на їх значення температури та витрати газу.

Основним методом, що використовувався при проведенні дослідження був метод лінійного шару. Аналіз літературних даних показав, якщо скласти шар з 30 і більше зразків, і при цьому співвідношення між діаметром реакційної трубки й зразка дорівнюватиме 1,1 -1,4, то гідродинамічні умови в такому реакторі будуть близькі до реального шару.

Схема експериментальної установки наведена на рис. 2. Експерименти проводили кілька разів при одній температурі й витраті газу-відновлювача, при цьому тривалість витримки була різною. Ступінь відновлення визначали для кожного окатиша за втратою маси. На рис.3 представлені експериментальні дані щодо впливу температури на формування структури шару у вигляді залежності "ступінь відновлення - висота шару", з яких видно, що якісна картина процесів, які відбуваються в шарі повністю збігається з теоретичними розрахунками. Так, наприклад дані, отримані на рис.3.а, відносяться до першої температурної області, в якій присутні й просуваються по шару із часом дві зони реагування: Fe₂O₃ - Fe₃O₄ и Fe₃O₄ - Fe, розділені інертною зоною Fe₃O₄. Зона Fe₂O₃ - Fe₃O₄ простирається з 27 по 30 окатиш, зона Fe₃O₄ - Fe з 1 по 3 окатиш, а з 4 по 26 окатиш розташовується інертна зона Fe₃O₄. На рис. 3.б наведені дані, що відносяться до другої температурної області, у якій відповідно до розрахунків повинні бути присутні три зони реагування. Дійсно у шару присутні й просуваються по ньому наступні зони: Fe₂O₃ - Fe₃O₄ (з 21 по 30 окатиш), Fe₃O₄ - Fe(з 10 по 15 окатиш) і FeО- Fe (з 1 по 4 окатиш), розділені інертними зонами Fe₃O₄ та FeО. І, нарешті, на рис. 3.в. представлені дані, що відносяться до третьої температурної області, в якій, як і у першій, повинні бути дві зони реагування. Тут ми маємо зони Fe₂O₃ - FeО(з 14 по 21 окатиш) і FeО- Fe (з 1 по 4 окатиш), розділені інертною зоною FeО. Наявність хімічно інертних зон у шарі виникає тому, що зони реагування просуваються по шару з різними швидкостями. Газ, вичерпавши свій відновлювальний потенціал у найповільніший зоні й набувши рівноважне значення для неї, змушений доганяти більш швидку зону, що як продукт залишає матеріал, рівноважний для цього складу газу. Як витікає з експериментальних даних, процеси, що відбуваються в зоні FeО - Fe для другої і третьої температурних областей й у зоні Fe₃O₄ - Fe для першої температурної області, будуть лімітуючими по відношенню до відновлення шару.

Виходячи з отриманих експериментальних даних процеси, що відбуваються в шарі можна розбити на 3 етапи: 1 - формування зон реагування; 2 - переміщення зон реагування вздовж шару; 3 - закінчення процесу (вихід зон реагування із шару). Знання параметрів зон реагування (тобто висоти й швидкості їх пересування) і вплив на них таких важливих технологічних факторів, як швидкість газового потоку й температура, мають практичне значення при спільному вирішенні питання про ступінь використання газу і швидкості протікання процесу. Змінюючи ці параметри можливо збільшити або зменшити реакційну зону. Для сталої роботи агрегату необхідно, щоб швидкість опускання відновлюваного матеріалу дорівнювала швидкості просування найбільш повільної реакційної зони. Знання висоти реакційної зони дозволяє оцінити висоту робочої зони відновлювального агрегату. На рис.4 наведена схема розвитку процесу відновлення на ступені вюстит-залізо.

Газ, що підходить на висоті h₁, має максимальний відновлювальний потенціал для досліджуваної зони реагування. Газ, що відходить на висоті h₂, має нульовий потенціал для цієї зони. Через деякий час “ф” висота h₁ займе місце h₂, а вона у свою чергу переміститься вище. Отже, за час “ф” реакційна зона переміститься на величину h₂ - h₁ =S. Таким чином за час “ф” відновляться "n" окатишів між висотами h₂ й h₁, які містять "m" молів кисню, для відновлення якого потрібно "2m" молів водню. З огляду на те, що не весь водень витрачається на відновлення, а лише той, котрий визначається рівновагою конкретної реакції, кількість водню, необхідна на відновлення "n" окатишів, дорівнює

N = ,(3)

де m - кількість молів кисню, в "n" окатишах зони реагування;

Дх_i - різниця рівноважних концентрацій газу для двох послідовних реакцій,(-).

Витрата водню у моль/с, дорівнює Q, звідси час, необхідний для відновлення "n" окатишів, дорівнює

ф = N/Q(4)

Комбінуючи рівняня (3) та (4) та враховуючи кількість окатишів в зоні реагування одержуємо вираз для визначення швидкості руху реакційної зони уздовж шару:

(5)

Якщо у вираз (5) підставимо кількість молів кисню, що є в одному окатиші, то остаточно одержимо вираз для визначення швидкості руху реакційної зони:

(6)

Хімічний потенціал газу-відновлювача (Дх_i) розраховується як різниця між рівноважними значеннями складу газової фази двох реакцій відповідно до принципу послідовних перетворень А.А. Байкова. У таблиці 3 наведені розрахункові значення швидкості пересування по шару простих зон реагування у порівнянні з експериментом (в дужках), з якої видно, що з ростом температури швидкість пересування зон вюстит-залізо й магнетит- вюстит зростає, а зони гематит-магнетит зменшується. Крім того, при певних значеннях температури швидкість руху зони Fe₃O₄-FeO перевищує таку для зони Fe₂O₃-Fe₃O₄, що перебуває в повній відповідності з розрахунками.

На рис.5 наведені дані щодо впливу витрати газового потоку на швидкість пересування зони активного реагування, з якого видно, що швидкість просування зон реагування збільшується з ростом швидкості підводу відновлювача.

пересування шаровий залізорудний окатиш

Таблиця 3. Розрахункові значення швидкості пересування реакційних зон при витраті газу-відновлювача 5л/год(5,77 • 10^-5моль/с)

Температура, оС	Швидкість пересування реакційних зон, ок/хв.
	Реакційна зона
	FeО - Fe	Fe3O4 - FeO	Fe2O3 - Fe3O4
600	0,097(0,1)	0,1(0,16)	1,72(1,5)
700	0,12(0,11)	0,35(0,24)	1,13(1,0)
800	0,14(0,16)	0,54(0,55)	0,71(0,7)
900	0,154(0,14)	0,64	0,44
1000	0,167(0,12)	0,68	0,27
1100	0,17(0,25)		0,18

Для порівняння на цьому ж рисунку надані розрахункові дані відповідно до рівняння(6). Як бачимо, при витраті газу-відновлювача до 20л на годину, спостерігається добра збіжність експериментальних і розрахункових даних; вище за 20л на годину отримані експериментально значення швидкостей пересування зон реагування нижче, ніж розрахункові. При виведенні виразу для розрахунку швидкості пересування зон ґрунтувалися на припущенні, що в процесі відновлення на кожному етапі досягається рівновага. Розбіжність експериментальних і розрахункових даних при високих витратах свідчить про те, що в таких умовах частина газу пробігає зону реагування, не беручи участі у процесі відновлення. Отримані дані щодо складу газової фази на виході з шару свідчать, що в умовах високих витрат газу його склад відрізняється від рівноважного на 5-8%.

На рис.6 й 7 показаний вплив температури й витрати газу на висоту зони реагування. З ростом температури висота зони зменшується для всіх розглянутих реакцій. Максимальну висоту зони реагування має перетворення Fe₂O₃-Fe₃O₄ для І й ІІ температурної зони, для ІІІ температурної зони перетворення на стадії Fe₂O₃-FeО. Мінімальну висоту зони має стадія переходу вищого оксиду в залізо. При розгляді впливу температури на висоту зони реагування необхідно враховувати те, що з підйомом температури збільшується швидкість хімічної реакції, а це призводить до того,що водень, який поступає у шар швидше губить свій відновлювальний потенціал, тобто на меншій висоті шару досягається рівновага. Таким чином, з ростом температури висота зони реагування зменшується, що й підтверджують експериментальні дані.

На рис.7 наведена залежність висоти зони реагування від витрати газу- відновлювача. Видно, що висота зони практично лінійно залежить від витрати водню. Збільшення висоти зони реагування вказує на те, що склад газової фази на більшій відстані зберігає свій відновлювальний потенціал. Останній визначається швидкістю хімічної реакції та швидкістю дифузійного масообміну як внутрішнього, так і зовнішнього. З ростом швидкості газового потоку зменшується товщина наведеної газової плівки навколо окатиша, внаслідок чого збільшується коефіцієнт зовнішнього масопереносу до межі розділу газ - тверде. Зі збільшенням k_f зростає і кількість водню на реакцію та кількість водяної пари у газовій фазі після протікання реакції, яка знижує відновний потенціал газу. Тому в умовах потоколімітуючої області висота реакційної зони повинна збільшуватися пропорційно k_f. Розрахунки за виразом (7) показують,

е k_f = 0,357 ( ) ( ),(7)

показують, де k_f - коефіцієнт масопереносу; с - щільність газу; G - масова витрата газу; е - порозність шару; N_Re- критерій Рейнольдса; N_Sc - критерій Шмідта.

що це дійсно так. З табл.4 видно, що витрата газу-відновлювача збільшується при переході від 5 до 100л/год. відповідно в 4, 10 й 20 разів, у той час як число окатишів у зоні FeO-Fe відповідно в 2; 3,5; і 6 разів. Збільшення k_f відбувається відповідно в 2,4; 4,4 й 6,8 рази. Таким чином, зростання висоти зони реагування, виражене через кількість окатишів, які знаходяться в цій зоні, відповідає збільшенню коефіцієнта масопереносу.

Таблиця 4. Розрахунок коефіцієнта зовнішнього масопереносу для різних витрат газу-відновлювача

Витрата, л/год	Порозність	Температура, С	NSc	NRe	kf	Кількість окатишів в зоні FeO-Fe
1	0,53	1000	1,133	0,116	4,59
5	0,53	1000	1,133	0,579	12,9	2
20	0,53	1000	1,133	3,32	31,4	4
50	0,53	1000	1,133	5,79	56,4	7
100	0,53	1000	1,133	11,58	88,1	12

Шар можна уявити як статичний об'єкт, через який фільтрується газ. Причому рух газу через вертикальний шар нерухомого або рухомого матеріалу, відбувається в режимі ідеального витіснення. Характерною рисою реакторів витіснення є те, що з міру переміщення реакційної маси вздовж шару ступінь її перетворення зростає, тобто склад рухомої реакційної маси змінюється з переходом від шару до шару по висоті. Тоді для сталих умов можна записати.

с_в r dz = -G_m dY,(8)

де с_в -насипна щільність окатишів, кг/м³; Y-мольна частка реагенту в потоці, (-); r - швидкість реакції в нескінченно малому обґємі, кмоль/(с кг); z-координата деякої точки шару, м;G_m -мольна швидкість, моль/(м² с).

Характер каналів у шарі досить складний, тому доводиться використовувати напівемпіричні кореляції для обробки результатів зовнішнього масопереносу. Ці дані за звичай виражають через коефіцієнт массообміну k_G у рівнянні (9)

N = k_G (p_o - p_s),(9)

де N - питомий дифузійний потік Н₂ до окатиша, моль/(м² с); p_o , p_s - парціальні тиски компонента в ядрі газового потоку й на поверхні окатиша, Н/м²; k_G - коефіцієнт масообміну, моль/с Н.

Якщо швидкість реакції визначається масопередачою то рівняння, (9) набуває наступного вигляду

с_в r = k_G а (p_o - p_s) = k_G а Y (p_o - p_s),(10)

де а - питома поверхня гранул, м²/м³

Комбінуючи рівняння 8 і 10, після інтегрування одержимо

Z = (11)

При сталому режимі, потоки внутрішньої й зовнішньої масопередачі рівні, між собою, тобто

= k_G (p_o - p_s),(12)

де Dе - ефективний коефіцієнт дифузії, м²/с; Т - температура, К, R - універсальна газова постійна; х_о - товщина дифузійного шару, м, р* - рівноважний парціальний тиск реагенту.

З рівняння 12 знаходимо p_s і підставляя його у рівняння 11 та враховуючи рекомендації Петровича і Тодоса щодо кореляції даних по масопередачі одержуємо остаточний вираз для розрахунку висоти реакційної зони

(13)

У таблиці 6 наведені вихідні дані для розрахунку висоти реакційної зони на етапі вюстит-залізо, а в таблиці 7 і на рис. 8, 9 наведені розрахункові дані по визначенню висоти реакційної зони у порівняні з експериментальними.

Таблиця 6. Вихідні дані для розрахунку висоти реакційної зони

Т, оС	, г/см3, ·10-3	, г/см·с ·10-6	, см2/с	Dm, см2/хв	Pr	De, см2/с	а, м2/м3
800	0,0229	209	9,126	500	1,095	0,4	750
900	0,0209	222	10,622	575	1,108	1,57	750
1000	0,0193	240	12,435	660	1,130	2,88	750
1100	0,0179	256	14,302	745	1,152	4,37	750

З рис.8 видно, що експериментальні значення по визначенню висоти зони реагування вище, ніж розрахункові, при цьому характер залежностей однаковий. Тобто з ростом температури висота зони зменшується. Це пояснюється збільшенням як швидкості хімічної реакції, так і дифузійного масоперенесення, у зв'язку з чим швидше досягається рівновага, тобто на меншій висоті. На рис.9 наведене порівняння розрахункових й експериментальних даних залежно від витрати газу-відновлювача. Як бачимо, спостерігається практично повний збіг розрахункових та експериментальних даних, особливо в межах витрат газу, більших за 5 л/год. Звідсі можна зробити висновок, що одержаний вираз задовільно описує експериментальні дані в області високих витрат газу-відновлювача. При низьких витратах вочевидь необхідно вносити поправку на подовжнє перемішування та на протидифузію продуктів реакції.

Таблиця 7. Розрахункове визначення висоти зони реагування

Т, оС	W, л/год	V,см/с вільний перетин	Re0,359	Pr2/3	G,кмоль/м3·с ·10-5	jD	lnY	Zр	Zэ
800	5	16,88	1,103	1,062	97,1	0,6346	0,416	3,63	4
900	5	18,45	1,173	1,07	97,1	0,597	0,479	1,78	2,5
1000	5	20,03	1,049	1,085	97,1	0,667	0,529	0,82	2
1100	5	21,6	1,117	1,099	97,1	0,627	0,555	0,54	1
1000	1	3,91	0,589	1,085	19,42	1,188	0,529	0,279	1,5
1000	20	78,2	1,727	1,085	388,4	0,405	0,529	2,78	3
1000	50	195,95	2,399	1,085	971	0,292	0,529	6,2	6,5
1000	100	391,9	3,077	1,085	1942	0,227	0,529	12,45	11,52

Крім того в даному розділі виведена математична модель відновлення шару залізорудних окатишів, яка базується на використанні поліфронтальної моделі відновлення поодиноких окатишів з урахуванням швидкостей пересування трьох зон реагування та даних внутрішньо- та зовнішньодіфузійного масопереносу. Спостерігається добрий збіг експериментальних даних з даними отриманими з використанням математичної моделі.

В четвертому розділі «Змінення об'єму та міцності окатишів при газовому відновленні» експериментальним шляхом визначалося змінювання об'єму та міцності окатишів при газовому відновленні в умовах шару. Міцність визначалася шляхом роздавлювання окатишів. Визначення об'єму проводилося методом зважування в ртуті. З рис.10 видно, що зміна об'єму окатишів в процесі відновлення є дзеркальним відбиттям зміни міцності. Отже, зміна міцнісних характеристик окатишів перебуває в прямій залежності від об'єму. Ймовірно, що значну роль в цьому відіграє відновлення гематиту. Кристалохімічне перетворення гематиту в магнетит протікає через проміжне з'єднання - маггеміт - та супроводжується знакозмінним змінюванням об'єму. Результати дослідження зміни об'єму і міцності при відновленні воднем поодиноких залізорудних окатишів показали, що максимальне зменшенні міцності спостерігається в діапазоні ступенів відновлення 20-40%, а з появою металевого заліза відбувається його спікання, тому зменшується об'єм і, збільшується міцність окатишів. Залізорудні окатиші в процесі металізації в установках прямого відновлення або в доменній печі піддаються одночасному впливу високих температур, динамічним і статичним навантаженням, і тому повинні мати необхідну суму властивостей, що протидіють зазначеним впливам. Аналіз статичних навантажень для шахтної печі ВНІІМТ діаметром 2м і висотою 7,7м для кубічного та гексагонального укладання показав, що максимальні статичні навантаження невеликі. Для окатишів з діаметром 10мм максимальне навантаження на нижній окатиш відповідно для кубічної й гексагональної схем упакування дорівнює 1,65 й 2,3кг/ок. Розрахунки показали, що зі зменшенням діаметру падає навантаження на один окатиш. Розмір окатиша необхідно оптимізувати, оскільки при зменшенні розміру збільшується підпір і погіршується гідродинамічний режим роботи печі. При гексагональному укладанні окатишів навантаження зростають в 1,4 рази. Абсолютні значення статичних навантажень невеликі; навіть для нижнього окатиша при діаметрі 20мм і висоті реактора 7,7м вони не перевищують 10кг/ок.

Діаметр реактора не впливає на статичне навантаження, а із збільшенням висоти реактора воно прямо пропорційно зростає. Так, при висоті реактора 20м і діаметрі окатишів 10мм навантаження на нижній окатиш складе 4,29кг у випадку кубічного укладання. Таким чином статичні навантаження в шарі незначні і утворення дрібних фракцій матеріалу при відновно-тепловій обробці більшою мірою пов'язане з динамічними навантаженнями, тобто стиранням, а також процесами, що відбуваються при відновленні залізорудних окатишів. У дослідах з поодинокими окатишами було встановлено, що міцність перебуває в прямій залежності від зміни об'єму окатишів. Така ж картина повинна бути й при відновленні в шарі. На рис.11 представлені експериментальні дані щодо зміні ступеня відновлення й об'єму окатишів при їхньому відновленні в лінійному шарі. Видно, що максимальне збільшення об'єму відбувається на завершенні переходу Fe₂O₃ - FeО; надалі йде зменшення об'єму за рахунок спікання металевого заліза. Максимальне збільшення об'єму спостерігається для температури 1050^оС - 35%. З отриманих даних витікає, що різке падіння міцності повинне відбуватися при переході Fe₂O₃ в FeО.

Відповідно до теоретичних розрахунків і експериментальних даних, шар у сталому режимі при температурах, вище 840⁰С складається з двох зон активного реагування: FeО-Fe й Fe₂O₃- FeО, а також зон постійного складу Fe₂O₃, FeО й Fe. З огляду на це, а також результати досліджень з визначення міцності й зміни об'єму, можна привести наступну фізико-хімічну модель спікання окатишів при відновленні в умовах шару (розташування зверху вниз):

- спікання гематиту;

- збільшення об'єму за рахунок перетворення гематит-вюстит;

- спікання вюститу;

- спікання за рахунок появи металевого заліза;

- спікання металевого заліза.

Встановлено, що при відновлювально-тепловій обробці збільшення об'єму окатишів і зменшення їх міцності, відбувається в одній реакційній зоні: гематит - вюстит. В інших зонах відбуваються процеси, що сприяють зміцненню залізорудних окатишів. При виборі способу організації процесу відновлення в умовах шару необхідно, щоб зона знеміцнення розташовувалася у верхніх обріях печі. У цих умовах на знеміцнений внаслідок хімічного перетворення окатиш будуть впливати мінімальні статичні й динамічні навантаження. Це досягається узгодженням температурного режиму, масової витрати газу-відновника, що впливають на швидкість пересування реакційних зон, зі швидкістю розвантаження металізованих окатишів у відновному агрегаті.

Висновки

1. Проведений теоретичний аналіз процесу відновлення в умовах шару, на підставі термодинамічних даних системи Fe-O-H показав, що в залежності від температури в шарі формуються різні зони реагування. Визначено, що в температурному діапазоні 500-1100^оС присутні три температурні області: 1 - Т < 590^оС; 2 - 590^оС < Т < 840^оС; 3 - Т > 840^оС, які відрізняються типом та якістю зон реагування. У перший області їх дві: гематит-магнетит та магнетит-залізо, у другій - три зони: гематит-магнетит, магнетит-вюстит та вюстит-залізо і у третій - дві зони: гематит-вюстит та вюстит-залізо.

2. Вперше розроблена оригінальна методика дослідження процесів в умовах шару. Це так званий метод «лінійного шару», котрий дозволяє прослідкувати процеси, що набувають розвитку в середині шару, і відрізняється від інших простотою обладнання та економічністю при проведенні експерименту. Цій метод дозволяє деталізувати процеси, що відбуваються в середині шару при відновленні. Отримані за цією методикою експериментальні дані співпадають з теоретичнимі розрахунками.

3. Експериментальним та розрахунковим шляхом визначена швидкість пересування зон реагування уздовж шару в залежності від температури та витрати газу-відновника. З підйомом температури швидкість пересування зон реагування магнетит-вюстит и вюстит-залізо зростає, а зони гематит-магнетит зменшується. Показано, що лімітуючою ланкою є зона реагування вюстит - залізо, як найповільніша. Визначено, що швидкість пересування зон реагування прямо-пропорційна швидкості підведення газу-відновника. Спостерігається добрий збіг експериментальних и розрахункових даних.

4. Експериментально визначена висота зони реагування в залежності від температури і витрати газу-відновника. Виведено аналітичній вираз для визначення висоти реакційної зони. Порівняння експериментальних та розрахункових даних по цьому виразу для визначення висоти реакційної зони показало, що експериментальні й розрахункові дані співпадають для області великих витрат газу. Для малих витрат вбачається деяка розбіжність, але характер залежності подібний.

5. Виконані розрахунки статичних навантажень у шарі, які показали, що незалежно від типу укладання сферичних зразків навантаження на нижній шар приблизно однакові. Розрахунок залежності навантаження від діаметру окатишу показує наступне: не зважаючи на те , що навантаження на нижній шар для усіх діаметрів однакове, але за рахунок різної кількості окатишів в одному шарі, навантаження на один окатиш нижнього шару різне. Чім менший діаметр окатиша тим менше навантаження. При випаленні окатишів малого діаметру створюються більш сприятливі умови, вони більш міцні, але втрата напору газу в разі їх використання у відновному процесі більша. Тобто розмір окатишів треба оптимізувати.

6. Відзначене різке падіння міцності окатишів при переході гематиту у магнетит, а мінімальне її значення спостерігалося на ступені відновлення 20-40%. У зв'язку з цим більш вигідно використовувати магнетитові, а не окислені окатиші, так як у цьому випадку при їх відновленні відсутній перехід гематит - магнетит. Зв'язок міцності окатишів зі ступенем відновлення, при газовому відновленні в умовах шару відбувається в повній відповідності з положенням і розмірами реакційної зони гематит-вюстит.

7. При відновленні в умовах шару треба організовувати процес таким чином, щоб швидкість розвантаження агрегату дорівнювала швидкості пересування найповільнішої зони реагування; при цьому висота робочої зони повинна дорівнювати висоті цієї ж реакційної зони.

Основний зміст дисертації опублікований в наступних наукових роботах

1. Колбин Н.А. Закономерности изменения объема железорудных окатышей при газовом восстановлении в слоевых условиях / Н.А. Колбин, Л.В. Камкина // Системні технології : регіональний міжвузівський збірник наукових праць. - 2009. - №4(63). - С. 62-67.

2. Костелов О.Л. Исследование изменения объема и прочности окатышей при газовом восстановлении / О.Л. Костелов, А.Д. Рожков, Н.А., Колбин Н.А. [и др.] // Металлургия и коксохимия: Республиканский межведомственный научно-технический сборник. -К.: Техніка, 1980. - №70. - С. 27-29.

3. Костелов О.Л. Скорость восстановления окатышей в линейном слое / О.Л Костелов, Н.А. Колбин // Физико-химические исследования процессов восстановления окисных систем: сб. науч. трудов. - М. : Металлургия, 1983. - № 149. - С. 36-40.

4. Костелов О.Л. Восстановление слоя дробленных окатышей метаном / О.Л.Костелов, О.А. Степанов, Н.А. Колбин [и др.] // Прямое получение железа и порошковая металлургия: тематический отраслевой сборник. - М. : Металлургия, 1976. - №2. - С. 41-47.

5. Костелов О.Л. Исследование кинетики восстановления слоя железорудных материалов газами / О.Л. Костелов, О.А. Степанов, Н.А. Колбин [и др.] // Физикохимия прямого получения железа: сб. материалов Всесоюзной научной конференции. - М. :Наука, 1977. - С. 123-128.

6. Колбин Н.А. Формирование реакционных зон при восстановлении слоя железорудных окатышей водородом / Н.А.Колбин, Л.В. Камкина, О.Л. Костелов [и др.] // XY Miedzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna “PRODUKCJA I ZARZADZANIE W HUTNICTWIE”, czesc 1, Zakopane, 27-30 czerwca 2007r. CZESTOCHOWA 2007.- Р. 74-79.

7. Колбин Николай. Влияние температуры на формирование и параметры реакционных зон в слое / Николай Колбин, Олег Костелов, Руслан Анкудинов [и др.] // Nove technologie i osiagniecia w metalurgii i inzynerii materialowej: сб.научн. тр. -Chstochowa : Politecnikiej, 2008. -p.209-213.-ISBN 978-83-7193-372-1.

8. Костелов О.Л. Исследование кинетики восстановления слоя железорудных материалов / О.Л. Костелов, С.Т. Ростовцев, Н.А. Колбин Н.А. [и др.]: Тезисы докладов Всесоюзной конференции «Термодинамика, кинетика и механизм газоуглетермического восстановления в процессе получения металлов и сплавов и технологические основы этих процессов». - Днепропетровск. 1975. - С.57.

9. Костелов О.Л. Исследование кинетики восстановления железорудных окатышей в слое / О.Л. Костелов, Н.А. Колбин :тезисы докладов на республиканской научно-технической конференции «Теоретические основы и технология подготовки металлургического сырья к доменной плавке».- Днепропетровск, 1980. - С.120.

10. Kolbin N.A. Influence of gas stream speed on the height of reactionary zone / N.A. Kolbin, O.L. Kostiolov, R.V. Ankudinov. // 8^th International Symposium of Croatian Metallurgical Society ”Materials and Metallurgy” - Metallurgija. - Zagreb (Horvatija)/ - 2008. - vol.47. - br.3. - S.260.

11. Костелов О.Л. Использование сложных моделей для анализа процесса восстановления в слоевом режиме / О.Л. Костелов, Н.А. Колбин : тези доповідей міждержавної науково-методичної конференції «Проблеми математичного моделювання. - Дніпродзержинськ, 2009. - С. 63-65.

Анотація

Колбін М.О. Раціональні режими металізації залізорудних окатишів при газовому відновленні в умовах шару. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.16.02 «Металургія чорних і кольорових металів та спеціальних сплавів» - Національна металургійна академія України, м. Дніпропетровськ, 2010.

Дисертація присвячена дослідженню процесів, що відбуваються при газовому відновленні залізорудних окатишів в умовах шару. На підставі термодинамічних розрахунків визначена структура процесу відновлення в шарі. Виявлені реакційні зони, що виникають в шарі при відновленні воднем, і визначені три температурні області в інтервалі 500-1100^оС, які відрізняються кількістю і типом зон реагування, визначена ланка, що лімітує процес відновлення в шарі. Розроблено методику вивчення процесів, що відбуваються у шарі при газовому відновленні, яка дозволяє деталізувати процес відновлення по висоті шару. Отримано експериментальні дані, які підтверджують правильність теоретичних розрахунків. Проведено експерименти по вивченню впливу технологічних факторів на параметри зон реагування. Встановлено, що швидкість просування зон реагування по висоті шару для одного типу залізорудних окатишів однозначно визначається швидкістю підведення та рівноважними характеристиками газу-відновлювача. Виведено рівняння, яке дозволяє розраховувати швидкість просування зони реагування. Проведені дослідження впливу витрати газу-відновлювача і температури на розміри зони реагування. Одержано аналітичний вираз, що дозволяє розраховувати розмір зони реагування. Дані отримані з використанням математичної моделі, яка створена на базі ПФМ, співпадають з експериментальними даними. Проведено серію експериментів, що дозволяє оцінити зміну міцності залізорудних окатишів по висоті шару при відновленні. Встановлено, що зміна міцності й об'єму окатишів перебувають у антібатній залежності. Показано зв'язок змінення об'єму й ступеню відновлення окатишів. Розрахунками доведено, що залежно від типу укладання окатишів в умовах шару існують різні за величиною статичні навантаження. Визначено залежність статичного навантаження від висоти шару. Статичні навантаження, що виникають у шарі невеликі, і міцність окатишів визначається не їх вихідною міцністю, а процесами, що відбуваються з ними при відновленні.