Сравнение прямого и косвенного восстановления

При восстановлении окислов железа за счет окиси углерода с образованием углекислоты (косвенное восстановление), как уже указывалось, реакции восстановления сопровождаются положительным тепловым эффектом, хотя и незначительным по абсолютной величине. Прямое восстановление окислов железа, т. е. восстановление, идущее без образования в конечных продуктах углекислоты, сопровождается отрицательным тепловым эффектом, значительным по абсолютной величине.
Исходя из этих соображений, известный французский металлург Грюнер, опубликовавший в конце XIX в. ряд ценных работ по металлургии, предложил считать идеальным такой ход доменной печи, при котором восстановление окислов железа будет происходить только косвенным путем, т. е. с образованием углекислоты, полагая, что в этом случае расход горючего будет наиболее экономным. Так как Грюнер пользовался среди металлургов того времени большим авторитетом, выдвинутое им понятие об идеальном ходе было воспринято без должной критики и названо «принципом Грюнера». Этим принципом металлурги руководствовались в течение многих лет, а большинство иностранных металлургов продолжает пользоваться и поныне, несмотря на то, что ошибочность этого принципа была доказана М.А. Павловым свыше 50 лет тому назад.
Приводим расчет, при помощи которого М.А. Павлов доказывает неправильность «принципа Грюнера».
Кривые диаграммы равновесия показывают, что восстановление закиси железа при 685° С (наинизшей, при которой возможно восстановление закиси железа в условиях равновесия) требует, чтобы в газовой смеси отношение CO2:CO было не более 0,72.
Исходя из этого, реакцию восстановления закиси железа посредством окиси углерода с образованием углекислоты надо писать со следующими коэффициентами:

Такое соотношение в газовой смеси между CO2 и CO является максимальным; если содержание углекислоты будет более высоким, она будет окислять продукт восстановления — металлическое железо.
В продуктах восстановления реакции (2) отношение CO2 : CO = 1,26, что ниже равновесного (1,5) и обеспечивает возможность протекания реакции в правую сторону. По реакции (1) на 1 атом железа нужно иметь в газе 43 : 18=2,39 атома углерода, или в пересчете на килограммы

или на 1 кг чугуна, содержащего 93% Fe и 4% С:

или горючего с содержанием 85% С:

Так как известняк, разлагаясь в доменной печи, обогащает газ углекислотой, необходимо для нейтрализации ее затратить добавочное количество углерода для образования окиси углерода.
Принимая расход флюса 0,5 на тонну чугуна (для условий работы наших южных доменных печей), получаем, что флюс внесет углерода в виде углекислоты:

(принято, что вследствие загрязнения примесями известняк содержит 43% CO2); потребуется внести углерода в виде окиси углерода:

Тогда наименьший теоретический возможный расход углерода при идеальном ходе составит:

или горючего, содержащего 85% С,

Однако в практике работы доменных печей известны многие случаи, когда расход горючего на выплавку чугуна составляет величину, которая меньше полученной выше расчетом и определяющей минимальный расход кокса для обеспечения восстановления окислов железа и науглероживания чугуна.
Из этого может быть сделан единственный вывод: наинизший расход кокса на выплавку чугуна будет получен только в том случае, когда восстановление окислов железа будет происходить как косвенным, так и прямым путем. Ошибка Грюнера заключается в том, что он, формулируя свое положение об идеальном ходе доменной печи, принимал во внимание только тепловой эффект реакции косвенного восстановления и совсем не учитывал того обстоятельства, что косвенное восстановление требует большого расхода углерода для обеспечения надлежащего избытка окиси углерода в газах доменной печи.
Между тем при прямом восстановлении расходуется очень мало углерода, а именно:

Поэтому прямое восстановление, требующее большой затраты тепла, в отношении расхода углерода является весьма экономичным.
Было бы, однако, неправильно вдаваться в другую крайность и стремиться к тому, чтобы весь кислород отнимался от окислов железа только за счет прямого восстановления. При восстановлении окислов железа только за счет прямого восстановления расход углерода был бы гораздо выше (0,321 вместо 0,214) и затрата тепла на реакции восстановления достигла бы весьма большой величины (53500 ккал на 56 кг Fe).
Кроме того, необходимо учитывать, что высокая степень развития косвенного восстановления в доменной печи неизбежно совмещается с хорошим использованием физического тепла отходящих газов. Например, основным условием для высокого развития косвенного восстановления является обеспечение тесного контакта доменного газа с рудной сыпью. Ho это же условие является обязательным и для хорошего использования физического тепла отходящих газов. Низкая степень развития косвенного восстановления бывает обычно при недостаточном контакте газа с шихтовыми материалами; при таких условиях физическое тепло отходящих газов используется совершенно недостаточно, газы выходят из печи с высокой температурой. Поэтому наиболее экономный расход кокса может быть получен лишь в том случае, когда восстановление окислов железа будет происходить как прямым, так и косвенным путем. При этом косвенное восстановление должно иметь весьма широкое развитие; за счет косвенного восстановления должен отбираться не только весь кислород до закиси железа, но и значительная часть кислорода закиси. Только при этом условии можно достигнуть низкого расхода горючего.
Наивыгоднейшая степень развития прямого восстановления не является постоянной величиной и зависит от нагрева дутья. Как будет показано ниже, она может быть тем выше, чем выше нагрев дутья. Прежде чем говорить о численном значении этой величины, необходимо указать, что степень прямого восстановления может выражаться следующими тремя способами:
1) количеством кислорода, отнятым окисью углерода (в процентах к общему содержанию кислорода в руде);
2) количеством углерода, доходящего до фурм (в процентах от общего количества его, переходящего в газ);
3) относительным количеством железа, восстанавливаемого из закиси за счет твердого углерода.
Последний способ предложен М.А. Павловым и широко применяется советскими металлургами.
При определении степени прямого восстановления по способу М.А. Павлова условно принимают, что при помощи твердого углерода восстанавливается только закись железа. Таким образом, показатель степени прямого восстановления по способу М.А. Павлова представляет собой отношение железа закиси, восстановленного твердым углеродом, ко всему восстановленному железу.
Степень прямого восстановления, определенная по способу М.А. Павлова, является условным показателем, так как не учитывает следующих обстоятельств:
1) в доменной печи часть магнитной окиси также может восстанавливаться за счет твердого углерода;
2) часть углекислоты флюса может восстанавливаться за счет твердого углерода;
3) часть окиси углерода при низких температурах может распадаться по реакции 2СО = CO2 + С.
Тем не менее, пользуясь методом М.А. Павлова и располагая более или менее точным материальным балансом, можно получить правильное представление о восстановительной работе газов.
Расчеты показывают, что при существующих условиях работы доменных печей степень прямого восстановления, определяемая по способу М. А. Павлова, колеблется в пределах от 0,4 до 0,7 (т. е. из закиси железа за счет твердого углерода восстанавливается от 40 до 70% Fe).
Рассмотрим, является такое положение оптимальным или нет.
Очевидно, что наивыгоднейшая степень развития прямого восстановления должна отвечать наиболее низкому расходу углерода на выплавку одной весовой единицы чугуна. Эта оптимальная степень развития прямого восстановления может быть определена расчетом. Такие расчеты были проделаны М.М. Лейбовичем и Л.Н. Раммом. Мы воспользуемся расчетом М.М. Лейбовича как более точным.
Исходя из равновесного состава газовой фазы и задавшись для непрямого восстановления магнитной окиси температурой 550—570° С и для закиси железа 685° С, М.М. Лейбович определяет теоретический расход углерода на восстановление при различной степени прямого восстановления. Полученные им данные представлены в табл. 22. Графически эти данные изображены на рис. 59.
Как видно из приведенных данных, с повышением степени прямого восстановления общий расход углерода на восстановление сокращается и достигает минимума при степени прямого восстановления 0,89, после чего расход углерода на восстановление начинает возрастать.
Таким образом, наименьший теоретический расход углерода на восстановление составляет 0,89 кг/атом С на 1 кг/атом Fe.

Однако в доменной печи углерод не только расходуется на восстановление, но и служит источником тепла, необходимого для протекания процесса выплавки чугуна. Поэтому для определения общего расхода углерода необходимо рассмотреть вопрос также с точки зрения расхода и прихода тепла. С этой целью М.М. Лейбович определяет количество тепла, получающегося от сжигания углерода и нагретого дутья (в калориях на 1 кг Fe) в зависимости от степени прямого восстановления при теоретическом количестве восстановителя. Полученные им данные представлены в табл. 23.

Как видно из приведенных данных, развитие степени прямого восстановления вызывает уменьшение общего прихода тепла.
Далее М.М. Лейбович, задаваясь определенным количеством требуемого для процесса тепла при нагреве дутья 700° С, определяет расход углерода как источника тепла при различных степенях прямого восстановления. Полученные им сводные данные представлены на диаграмме рис. 60.

Нисходящая линия а показывает расход углерода на восстановление в зависимости от степени прямого восстановления. Она получена на основе данных табл. 22.
Линии 1, 2, 3, 4, 5 показывают расход углерода, обеспечивающий получение тепла, потребного для покрытия всех расходных статей процесса. Это количество может быть больше или меньше, в зависимости от относительного количества шлака, потерь тепла и т. д.
Расход тепла 3600—2800 ккал/кг железа отвечает расходу в обычных условиях реальной практики при выплавке различных сортов чугуна; расход тепла в 2400 ккал/кг отвечает наименьшему расходу горючего, достигнутому на практике при выплавке передельного чугуна; расход тепла в 2100 ккал/кг отвечает теоретическому пределу расхода тепла, получаемому при условии расхода тепла только на восстановление, теплосодержание продуктов плавки и на покрытие потерь тепла.
Поскольку с повышением степени прямого восстановления, как уже указывалось (см. табл. 23), количество тепла, получающегося от сжигания углерода, понижается, потребность в углероде как источнике тепла с увеличением степени прямого восстановления возрастает.
Очевидно, что наименьший расход углерода будет иметь место в точке пересечения обеих линий, когда обеспечивается и потребность в углероде для восстановления и получение при сжигании углерода количества тепла, достаточного для процесса.
Этой точке пересечения отвечает определенная степень прямого восстановления, которая является оптимальной. Как превышение, так и понижение этой степени будет вызывать увеличение расхода кокса. Например, если степень прямого восстановления меньше той, которая отвечает точке пересечения, расход углерода будет увеличиваться вследствие увеличения количества углерода, необходимого для восстановления. Если степень прямого восстановления превышает оптимальную величину, расход углерода будет возрастать вследствие ухудшения использования его в качестве источника тепла.
Из диаграммы следует, что оптимальная степень прямого восстановления не остается постоянной: она тем выше, чем ниже потребное для процесса количество тепла. Кроме того, как следует из всего вышеизложенного, оптимальная степень прямого восстановления будет тем выше, чем больше тепла может быть внесено помимо углерода, т. е. чем выше нагрев дутья.
Для больших современных, хорошо работающих доменных печей расход тепла составляет 3000—3200 ккал/кг; в этих условиях оптимальная степень прямого восстановления при нагреве дутья 600—700° С составляет 0,2—0,26.
Таким образом, в современных условиях степень развития прямого восстановления превышает оптимальный уровень. Это объясняется тем, что контакт газа-восстановителя с рудой в условиях доменной плавки недостаточен и руда не успевает в должной степени восстановиться в области умеренных температур, где протекает косвенное восстановление.
Следствием повышения степени прямого восстановления против оптимального уровня является увеличение расхода горючего. Поэтому одна из основных задач доменных техников — снижение степени прямого восстановления до оптимального уровня. Для этого необходимо обеспечить правильное распределение материалов на колошнике при их загрузке в печь. Данный вопрос будет подробно рассмотрен в дальнейшем.