Математическое описание процессов

Математическое описание процессов восстановления изолированных кусков окислов: К числу первых работ такого рода можно отнести исследование Стальхано. Автор исходит из следующей упрощенной модели процесса: одноступенчатое восстановление твердого окисла окисью углерода; протекание реакции только на перемещающейся в глубь куска плоской поверхности, на всех точках которой в каждый момент времени устанавливается одинаковый состав газа; первый порядок реакции по концентрации реагирующих газов; строгая последовательность протекания химической реакции на поверхности и диффузии газов через восстановленный слой.

Эти результаты не приложимы, к реакциям, протекающим на пористом или порошкообразном материале. Теоретические основы гетерогенных реакций на пористом катализаторе разработаны Я. Б. Зельдовичем. В рассматриваемой им схеме газ диффундирует внутрь плоского твердого тела по разветвленным порам, на поверхности которых он одновременно расходуется на химическую реакцию.

Ее называют эффективной глубиной зоны реакции в пористом теле. Для тела конечных размеров получается более сложное выражение, чем равенство, но и там ведущая роль принадлежит величине L. Эффективная глубина зоны реакции L определяется соотношением величин k и Д.Если значения k увеличиваются быстрее значений Д, например при повышении температуры, то глубина зоны реакции сокращается, т.е. сокращается объем работающей части поверхности пор.

Это значительно превышает долю кислорода, отнимаемую от твердых окислов железа при непрямом восстановлении в доменной печи. Если принять, что при этом в первую очередь реагируют свободные окислы, то их количество всегда обеспечивает с большим избытком развитие непрямого восстановления.

Таким образом, следует считать, что .кинетическая восстановимость агломератов, найденная в условиях, обеспечивающих степень восстановления не свыше 50 60%, обусловлена не количеством свободных окислов, как это вытекает из фаялитовой теории, а прежде всего их состоянием их адсорбционно-химической активностью и доступностью взаимодействия с газами. Эти свойства определяются характером пористости материалов, степенью дисперсности - кристаллов окислов, соотношением между количеством гематита и магнетита, характером распределения и количеством трудно-восстановимой шлаковой составляющей и т. п.

Иногда улучшение восстановимое при переходе от не офлюсованного к офлюсованному агломерату объясняют образованием вместо фаялита значительно более восстановимых ферритов кальция. Однако наиболее существенное улучшение восстановимое наблюдается именно при "небольшой степени офлюсования, когда в структуре агломератов ферриты отсутствуют. И при более высоких показателях основности (до ~ 2) по-прежнему доминирующее положение принадлежит свободным окислам железа. В некоторых работах последнего времени по существу отвергается фаялитовая теория.

В них, как и в работах автора, улучшение восстановимое при офлюсовании не связывают с увеличением количества свободных окислов железа, а объясняют улучшением восстановимое шлаковой связки, содержащей ферриты, при восстановлении которых облегчается доступ газов к свободным окислам. С такой трактовкой можно согласиться лишь - по отношению к агломератам, в цементирующей связке которых в ощутимых количествах присутствуют ферриты кальция, и при условии, что связка достаточно полно обволакивает значительную часть зерен кристаллов свободных окислов.

Для более "кислых" материалов, а в особенности для богатых агломератов и окатышей, цементирующей составляющей которых может служить каркас из свободных окислов железа, причина улучшения восстановимое , очевидно, мало связана с изменением минералогического состава шлаковой составляющей. Итак, в большинстве случаев восстановимость железорудных материалов определяется прежде всего состоянием доминирующих фаз, свободных окислов железа, зависящим от многих технологических факторов.

Среди последних при обычной агломерации первостепенная роль принадлежит температурно-тепловому уровню процесса, определяемому главным образом содержанием в спекаемой шихте углерода, и условиям охлаждения; а при способах спекания или упрочняющего обжига с применением комбинированного или только газообразного топлива еще и поддающемуся регулированию составу газовой фазы. Доступность свободных окислов железа для взаимодействия с газами, а следовательно, восстановимость, в значительной мере зависит от характера пористости материала.

В ряде работ предпринимались попытки определения величины пористой поверхности железорудных материалов. Однако ни один из известных методов не позволяет достаточно надежно и всесторонне оценивать пористость. Наилучшие результаты дает, пожалуй, метод ртутной порометрии, примененный при исследовании агломератов К. К. Шкодиным, который пришел к следующим выводам: Крупность пор в агломератах меняется в весьма широких пределах и основная доля поверхности приходится на мелкие поры радиусом менее длины свободного пробега молекул газа.

Минимальный радиус пор, доступный для воздействия восстановительных газов, изменяется в зависимости от температуры, давления, состава и расхода газа и для окиси углерода при 850°С оценивается величиной 150 200 А. Между величиной поверхности пор, доступных воздействию восстановительных газов, и восстановимостью агломератов существует тесная корреляция. Метод ртутной порометрии не лишен ряда недостатков. Например, определение эффективного радиуса нор и расчет величины их поверхности основаны на довольно грубом допущении каждая пора по длине имеет постоянное сечение.

Тем не менее он заслуживает самого серьезного внимания. Им пользуются и другие исследователи. Можно спорить о надежности измерения абсолютных величин эффективных радиусов и распределения по ним объема и поверхности пор, о точности абсолютных значений минимальных радиусов, доступных воздействию газов и т. д. Несомненно, однако, что с помощью этого метода значительно расширены представления о структуре агломератов и кинетике их восстановления.

    Пока нет новостей