Билет №12

1. Восстановление кремния

Кремний попадает в доменную печь с шихтой в виде SiO₂, который является трудновосстановимым оксидом с высокой теплотой диссоциации:

SiO₂ = Si + O₂ – 872.63 МДж

В связи с этим восстановление кремния протекает при высоких температурах и сопровождается значительным расходом тепла. Водород и монооксид углерода кремнезем не восстанавливают, т.е.

SiO₂ + 2CO = Si + 2CO₂

lgKp = (-16520/T) – 0.65lgT + 2.34

при Т=1500 К Kp = 10^-11

Таким образом, восстановить кремний можно только с затратами твердого углерода:

SiO₂ + 2C = Si + 2CO – 636.76 МДж

Эксперментально показано, что восстановление кремния в доменной печи начинается около 1400°С. полагают, что восстановление кремния происходит с образованием промежуточного соединения – монооксида кремния (SiO):

SiO2 + C = SiO + CO

SiO + C = Si + CO

-----------------------

SiO2 + 2C = Si + 2CO

…

Кремний может образовывать силициды железа, например Fe + Si = FeSi + 83.64 МДж или

SiO2 + 2C + Fe = FeSi + 2CO

На восстановление кремния определенное влияние оказывает давление в печи: чем оно выше, тем в меньшей степени и позднее восстанавливается кремний.

по данным В.М. Щедрина, температура начала восстановления кремния

T_Si = 17942/(9.91 - lgp_CO)

Содержание кремния в чугуне (в %) можно определять из соотношения

[Si] = k/pⁿ_д

где p_д – давление дутья, Па; k и n – константы.

Предельное содержание кремния в ферросплаве (ферросилиции) можно рассчитать по реакции Fe + Si = FeSi, где [Si]_пред = 28/84 ~33%

В реальных условиях в доменный ферросилиций переходит не выше 10-14% Si. Выплавка кремнистых чугунов (литейного чугуна, ферросилиция) требует высоких температур в печи, больших затрат тепла, что обуславливает, как и в случае выплавки ферромарганца, значительный перерасход кокса. Улучшению восстановления кремния способствует плавка на кислых шлаках.

2. Обогащение дутья кислородом

Эффективность использования кислорода в печи определяется суммарным воздействием ряда факторов.

1. Основным результатом обогащения дутья кислородом является интенсификация горения углерода у фурм, вызванная тем, что в еди­ницу времени в печь вводят больше массовых единиц кислорода. Это в свою очередь означает увеличение количества углерода, сгорающе­го в единицу времени у фурм, т. е. рост производительности доменной печи. Но поскольку перепад давлений между горном и колошником печи снижается, то, не повышая давления газа, количество сжигаемо­го в единицу времени углерода можно увеличить.

2. Уменьшение выхода газа в горне приводит к существенному пе­рераспределению тепла в печи. Увеличение вызывает сниже­ние величины нижней зоны теплообмена и значительное увеличение размера верхней ступени теплообмена. Таким образом, в горне и ниж­ней части заплечиков сосредоточивается большое количество тепла, а в вышележащих горизонтах приток тепла становится меньше и темпе­ратура ниже. Это аналогично перераспределению температур при по­вышении нагрева дутья, но сказывается значительно резче. Увеличе­ние отношения . вызывает рост, т. е. разность начальных и конечных температур газов стремится к разности конеч­ных и начальных температур шихты, а это, в свою очередь, означает снижение температуры колошникового газа и потерь тепла с колош­никовым газом. Однако наряду с этим положительным фактором пе­рераспределение температурных зон в печи имеет и отрицательные последствия.

Понижение температур в шахте печи вызывает запаздывание не­прямого восстановления, после чего степень использования восста­новительной способности газа-восстановителя и общая степень непрямого восстановления могут снизиться с отрицательными послед­ствиями для расхода горючего.

Перераспределение температур в печи может нарушить сход мате­риалов; так, при понижении горизонта шлакообразования в верхнюю часть заплечиков приходят твердые и слаборазмягченные массы. При этом возможны заклинивание материалов и неровный ход печи, подвисания, тугой ход, ход с осадками.

3. Снижение количества дутья на единицу углерода, а следователь­но и чугуна, вызывает уменьшение прихода тепла с дутьем. Это связа­но с выводом из дутья нагретого азота, который основную часть сво­его тепла оставляет в печи. При определенных условиях снижение прихода тепла с азотом более не перекрывается относительным сни­жением потерь тепла через колошник и стенки печи. Таким образом, доменная печь получит меньше тепла, что потребует дальнейшего ро­ста температуры дутья или перерасхода кокса.

4. Рост содержания кислорода в дутье и вывод из него азота озна­чает значительный рост доли газа-восстановителя в печном газе. На рис. 4.106 приведен график изменения состава и количества газа в доменной печи при изменении содержания кислорода в дутье. Так, если при атмосферном дутье доля оксида углерода в горновом газе составляет -35% , то при 25% О₂ она равна 40, а при 40% О₂ в дутье — 57%. Увеличение доли восстановителя должно привести к улучшению усло­вий и величин непрямого восстанов­ления.

5. Увеличение производительно­сти печи приводит к снижению удельных тепловых потерь.

6. Уменьшение количества газа в горне при неизменном приходе теп­ла должно вызывать повышение тем­пературы в горне печи.

3. Формирование токсичных выбросов в аглодоменном производстве

????????????????????????????????????????????????????????????????????

4. Горение топлива у фурм доменной печи.

Главные функции горна.

1. От горения кокса на горизонте фурм зависит скорость опускания материалов, загружаемых на колошнике доменной печи.

2. Далее при горении топлива образуется восстановительный газ, обработывающий загруженные в печь материалы.

3. В горне выделяется све или почти все тепло, необходимое для нормального протекания доменного процесса. Здесь же находится область наиболее высокой температуры, создающей условия для протекания эндотермических реакций.

4. Горн выполняет функции металлоприемника.

Образовавшийся в результате горения топлива монооксид углерода играет роль восстановителя окислов железа в верхних горизонтах доменной печи. Продукты горения, нагретые до высоких температур, поднимаются между кусками материалов, отдавая тепло шихте. Процесс горения топлива преимущественно протекает на границе твердой и газообразной фаз и имеет гетерогенный характер. Кислород дутья, адсорбируясь на поверхности кокса образует сложные комплексы, которые потом расрпадаются до . В условиях фурменного очага, в которой с высокой скоростью постоянно поступает оксилитель, нагретый до 1100 – 1250 С, а в самом фурменном очаге температура газа не менее 1600 – 1800С, скорость горения лимитируется поступлением окислителя к поверхности реакции и скоростью поступления углерода кокса в струю газа окислителя. Так же, кроме основного топлива (кокса) в фурменных зонах горит «дополнительное топливо», вдуваемое через воздушные фурмы газообразное, жидко и измельченое твердое – пылеугольное топливо ПУТ(в различных сочетаниях, иногда все вместе). В этих условиях выходит газ состоящий только из.

Процесс горения топлива в фурменном очаге протекает в 3 стадии:

1. В присутствии избытка кислорода вблизи фурмы, идет полное окисление углерода

.

Углеводороды дополнительных топлив в фурменной зоне по мере смешивания со строуей горячего дутся и нагрева до температуры воспламенения так же окисляются до

По этой же схеме окисляется, который может находится во вдуваемом топливе

2. В результате уменьшения концентрации и количества кислорода в фурменной зоне происходит неполное окисление углерода кокса и углеводородов

3. При дефиците кислорода и затем при его полном исчезновение углерод кокса в фурменной зоне восстанавливает диоксид углерода и пары воды до

Границы фурменной зоны определяются содержанием окислительных компонентов газа в ней. Пространство фурменной зоны ограниченно поверхностью, на которой содержание равно 2% -- эта зона называется окислительной зоной. Внутри окислительной зоны располагается пространство ограниченное поверхностью на которой содержание кислорода равно 1% и называемое кислородной зоной.

Размеры фурменной зоны зависят от: расход, температура и влажность дутья, содержание кислорода в дутье, расход и вид вдуваемого топлива, давление газа в печи, число и диаметр воздушных фурм.

Газ который образуется из кокса в результате сжигания у фурм печи: - ВСЕГДА. Все доменные печи работают в циркуляционном режиме, т.е. куски кокса вращаются в ДП, что приводит к увеличению производительности труда.

5. Твердофазные химические реакции

Реакции, протекающие в твердых фазах имеют некоторые особенности.

1. В твердой фазе идут только экзотермические реакции. Выход продуктов определяется главным образом числом контактов реагирующих частиц. Химическое сродство играет второстепенную роль.

2. Важное значение имеет природа твердого продукта реакции. Располагаясь на контакте реагирующих веществ, продукт реакции может существенно тормозить реакцию, создавая препятствие для диффузии реагентов.

3. Независимо от массы вступающих в реакцию веществ, первым продуктом реакции оказывается вещество с наиболее простой кристаллической решеткой или с решеткой, легко сопрягающейся с решетками реагентов. Так в смеси СаО и SiO₂ , взятых в соотношении 3:1, 1:1, 1:3 (по массе) сначала образуется Са₂SiO₄ и лишь через 4-8 чассов в первой смеси появляется Са₃SiO₅ а во второй и третьей СаSiO₃ . При спекании офлюсованной шихты в твердой фазе преимущественно развиваются реакции образования ферритов кальция. Хотя химическое сродство СаО к SiO₂ почти в два раза выше, чем к гематиту, число контактов частиц в первом случае во много раз выше, чем во втором.

Схема вертикального разреза зоны горения твердого топлива (без учета образования расплава в этой зоне). Черное – топливные частицы, белое – рудные частицы и флюсы. Стрелки – направление движения струй воздуха 1-9