МОДЕЛЬ ГАЗОВОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗООКСИДНЫХ ОКАТЫШЕЙ С ЭФФЕКТОМ ТОРМОЖЕНИЯ НА ЗАВЕРШАЮЩЕЙ СТАДИИ
Завершающая стадия газового восстановления железорудных материалов иногда протекает с резким замедлением скорости, снижающей производительность восстановительных агрегатов. Одной из причин этого является образование трудновосстановимых соединений типа фаялита или оливинов. Для оценки влияния таких соединений на кинетику проц есса разработана математическая модель.Наблюдаемое при газовом восстановлении железорудных материалов резкое замедление процесса при степенях w > 8090 % объясняют спеканием и рекристаллизацией железа, вызывающего образование плотного слоя металла, замедляющего или прекращающего диффузионный газообмен с заблокированными объемаш! вюс тита [1, 2]. В окатышах всегда присутствует определенное количество примесей и связки, способствующих стабилизации исходных размеров образца и появлению пористости. При этом появляется еще одна из возможных причин наблюдаемого явления. Ею может быть до восстановление железа из трудновосстановимых соединений железа (ТВС), имеющихся в исходном материале или образующихся в процессе восстановления, например фаялит или оливины, требующие более высокого восстановительного потенциала газа, чем вюстит.
Для проверки влияния присутствия и количества ТВС в составе окатыша их термодинамических и кинетических параметров на скорость восстановления была разработана математическая модель на базе луковичной модели газового восстановления железооксидного окатыша[3]. При этом окатыш условно делится на шаровые слои равной толщины, в каждом из которых протекает реакция взаимодействия оксидов железа с восстановительным газом. Распределение концентраций газа в объеме окатыша в ходе процесса определяется соотношением скоростных возможностей диффузионного газообмена между слоями и химических реакций восстановления оксидов железа в каждом слое. В результате восстановления в слоях изменяется соотношенине оксидных фаз железа и ТВС, их объем, а следовательно, и пористость самого слоя. Восстановление оксидов в каждом локальном участке слоя происходит в зависимости от величины отклонения состава газа в этом слое от равновесного для каждой ступени восстановления железа и ТВС. Количество ТВС задается как доля от общего содержания включений и связки. При этом полагают, что они распределяются равномерно.
где j индекс образующегося оксида железа при восстановлении; А — общее количество включений; L индекс ТВС; р0, pL плотность ^ по кислороду в исходных фазах; Су, CL “ текущая в iом слое и равновесная концентрация газа; е0, eL начальная пористость фаз; kSJ, kStL константы скоростей химических реакций; Kh KL константы равновесия реакций; — доля ТВС в А. Начальные и граничные условия:
Система дифференциальных уравнений преобразуется в алгебраические в конечных разностях. На каждом шаге времени с интервалом Ат находим скорость восстановления всех оксидов железа и ТВС в каждом из п слоев по уравнениям:
Распределенние концентраций газа находится методом прогонки по граничным условиям и скорости химических взаимодействий в слоях.
Степени восстановления каждой из фаз для всего окатыша и общую степень восстановления на каждом шаге по времени находим численным интегрированием по методу Симпсона. По ходу расчета в соответствии с задаваемыми интервалами времени выдается информация о степенях восстановления фаз и окатыша в целом, а также представляется цветная фазовая диаграмма окатыша.
Работа модели продемонстрирована на примере восстановления водородом окисленных окатышей, содержащих ТВС в составе примесеи (А) и без них при температурах 973—1373К (см.рисунок). Восстановление ТВС начинается после почти полного восстановления вюстита. В присутствии ТВС четко проявляется эффект резкого торможения процесса на конечной стадии.
Детерминированная математическая модель газового восстановления железорудных материалов, содержащих ТВС железа, позволяет варьировать параметры процесса и системы для создания различных режимов процесса.
Присутствие ТВС приводит к появлению на кинетической кривой участка резко замедленной скорости восстановления на его завершающей стадии.
СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 2, Москва 1994
