ЛР №3

РАБОТА 3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОССТАНОВИМОСТИ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ
МАТЕРИАЛОВ
(4 часа)
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучение методики определения восстановимости железорудных материалов
методом непрерывного взвешивания, получение практических навыков в области
определения металлургических свойств железорудного сырья.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ
Восстановимость железорудного материала – способность отдавать связанный с
железом кислород восстановителю. Восстановимость является важной металлургической
характеристикой пригодности железорудного материала к доменной плавке.
Процесс восстановления – сложный физико-химический процесс, скорость
которого зависит от температуры, давления, состава и расхода газа-восстановителя, а
также от физической структуры и минералогического состава рудного материала.
Скорость процесса восстановления есть функция скоростей нескольких процессов:
химической реакции, диффузии в твёрдой и газообразной фазе, адсорбции-десорбции.
Механизм восстановления куска руды связан с диффузией газа-восстановителя
через окружающий кусок пограничный слой газа (газообразные продукты реакции) с
последующей диффузией газа-восстановителя в крупных и мелких порах куска,
адсорбцией молекул газа на поверхность пор, химической реакцией и десорбцией
газообразных продуктов реакции по порам к периферии куска. Одновременно в твёрдой
фазе идёт диффузия железа, обусловленная появлением градиента концентрации железа в
разных зонах восстанавливаемого куска.
При одних условиях процесс восстановления будет ограничиваться скоростью
химической диффузии. В начальный период восстановления куска образуется слой
продуктов, от физической характеристики которого зависит дальнейший ход процесса.
При образовании пористого слоя продуктов подвод газа-восстановителя к месту реакции и
отвод газообразных продуктов реакции идёт по порам, при наличии плотного слоя
процесс восстановления связан с диффузией в твёрдой фазе.
Если процесс восстановления лимитируется диффузией в твёрдой фазе, то толщина
слоя ξ продукта растёт пропорционально корню квадратному из времени.
При режиме восстановления, лимитируемом скоростью химической реакции,
зависимость степени восстановления R от времени чаще всего описывают выражением:
В железорудных материалах при умеренных температурах (до 1000-1100°С) газом
(Н2 или СО) восстанавливаются практически лишь оксиды железа.
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
В настоящей работе используется весовой метод определения восстановимости,
впервые предложенный А.Н. Похвисневым. В качестве восстановителя могут быть
использованы водород, оксид углерода, а также их смеси с парами воды, диоксидом
углерода и нейтральными газами, в данной работе газом-восстановителем является
водород.
Определение восстановимости проводят на установке непрерывного взвешивания,
представленной на рисунке 3.1.
Рис. 3.1. Установка для определения восстановимости железорудных материалов
1 – силитовая печь; 2 – корзинка; 3 – вентилятор охлаждения столика; 4 – электронные
весы; 5 – нагреватели; 6 – подставка; 7 – регулировочные винты; 8 – термопара; 9 –
образец; 10 – заглушка; 11 – штуцер; 12 – крышка
ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ
Нагретую до заданной температуры печь продувают азотом, затем подвешивают
образец и выдерживают его до постоянной массы. Пускают в печь водород и перекрывают
азот. Эти действия необходимы для того, чтобы вытеснить кислород воздуха из печи во
избежание образования гремучей смеси при подаче водорода в печь.
Убыль массы образца фиксируют с помощью аналитических весов: первые 5 минут
через каждую минуту, последующие 35 минут – через каждые три.
После окончания опыта печь продуть азотом, отключить водород и извлечь
образец. Извлекаемый образец имеет температуру 600 – 700 °С, поэтому во избежание
ожогов необходимо пользоваться рукавицами и тигельными щипцами. Исходные данные
и результаты эксперимента занести соответственно в таблицы 3.1 и 3.2.
Таблица 3.1 – исходные данные эксперимента
п/п
Исходные данные
1
Химический состав образца, %
2
Масса корзиночки, г
3
Масса образца с корзиночкой, г
4
Масса образца Р0, г
5
Температура опыта, °С
6
Состав газа-восстановителя, %
7
Расход газа-восстановителя, л/мин
Feобщ =
FeO =
Таблица 3.2 – Результаты эксперимента и расчётные данные по определению
восстановимости
Время,
Масса образца с
Убыль массы
Степень
мин
корзиночкой,
образца, Р,
восстановления, Р,
г
г
%
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА
Введём обозначения:
Feобщ, FeO – содержание железа и оксида железа в исходном образце по данным
химического анализа, %;
Fe/общ, FeO/ – количество железа и оксида железа в исходном образце, г;
Fe2+, Fe3+ – количество двух- и трёхвалентного железа в исходном образце, г;
О
Fe2+, ОFe3+ – количество кислорода, связанного с двух- и трёхвалентным железом в
исходном образце, г;
Ообщ – количество кислорода, входящего в оксиды железа в исходном образце, г;
Р – масса образца, г;
∆Р – убыль массы образца, г;
R – степень восстановления, %.
Для расчёта степень восстановления образца необходимо вычислить количество
кислорода, связанного с железом в данном образце.
1. Fe/общ = 0,01∙Feобщ∙Р;
2. FeO/ = 0,01∙FeO∙Р;
3. Fe2+ = FeO/∙56/72;
4. ОFe2+ = FeO/ – Fe2+;
5. Fe3+ = Feобщ – Fe2+;
6. ОFe3+ = Fe3+∙48/112;
7. Ообщ = ОFe2+ + ОFe3+.
Степень восстановления вычисляется как отношение убыли массы образца к общей
массе кислорода, связанного с железом в исследуемом образце:
По результатам расчётов строится кинетическая кривая восстановления образцов в
координатах «степень восстановления – время».
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что такое восстановимость железорудных материалов?
2. Что такое степень восстановления
3. Что является восстановителем в доменной печи при умеренных температурах?
4. Для чего в эксперименте используют азот
5. Какой механизм восстановления будет наблюдаться при образовании плотного
слоя продуктов?
6. Какой механизм восстановления будет наблюдаться при образовании пористого
слоя продуктов?
7. Почему восстановимость окатышей выше, чем восстановимость агломерата?
ЛИТЕРАТУРА
1) Металлургия чугуна. /Вегман Е.Ф., Жеребин Б.Н., Похвиснев А.Н., Юсфин Ю.С.
– М.: Металлургия, 2004, с. 219 – 256.