Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Доменщики-практики давно отличали легковосстановимые руды от трудновосстановимых и знали, что, например, магнитные железняки восстанавливаются труднее, чем бурые или красные. Из этого делались практические выводы: магнитные железняки требуют более мелкого дробления, чем красные, а для получения одинаковых результатов плавки необходимо более длительное время пребывания магнитного железняка в печах. Это были характеристики качественные.
Первые исследования восстановимости проводились с образцами руд, помещенными в продырявленную железную коробку, опускавшуюся в небольшую древесноугольную доменную печь на цепях. Такие исследования не проводились в больших масштабах и поэтому не давали возможности обеспечить во всех случаях идентичные условия восстановления. Все последующие исследования проводились в лабораторных условиях, где определялся не только результат суммарного действия ряда факторов, но и изучалось влияние каждого фактора в отдельности при прочих неизменных условиях.
Во всех лабораторных исследованиях определенная навеска руды, помещенная в огнеупорную лодочку или в корзинку, или в другой сосуд, подвергается действию газа-восстановителя или твердого топлива при определенной температуре в данный отрезок времени или до достижения равновесия. Количество отнятого в единицу времени кислорода или восстановленного железа определяется по изменению веса образца, либо по анализу его до и после восстановления. Иногда скорость восстановления определяется по содержанию H2O и CO2 в газообразных продуктах восстановления.
Лабораторные методы без измерения скорости восстановления во времени и без улавливания газообразных продуктов восстановления заключаются в том, что степень восстановления определяется по весу или анализу сырой и обожженной пробы (Б.П. Селиванов, И.А. Соколов). Способ этот прост и удобен, дает возможность накопить обширный экспериментальный материал. Недостатком его является получение усредненных данных за определенное время. Изменение скорости восстановления в течение заданного отрезка времени остается неизвестным.
Лабораторные методы с определением скорости восстановления дают возможность обнаружить те или иные особенности различных стадий восстановления, например, изменение скорости восстановления во времени, что очень важно для характеристики всего процесса. Среди этих методов следует различать две группы:
1. Измерения проточного типа: о скорости восстановления судят непрерывно или периодически (через каждые 1—5 мин.) по взвешиванию образца (А.И. Похвиснев и М.С. Гончаревский) либо сосуда с поглотителем (С.Т. Ростовцев, Л.М. Цылев, А.П. Любан и В.Г. Манчинский). После этого строятся кинетические кривые, как на рис. 65, 74, 75. При непрерывном взвешивании руда или агломерат подвешиваются в корзинке на нити из жароупорного сплава, прикрепленной к чашке весов. Корзинка висит в вертикальной цилиндрической печи, по которой снизу вверх движется газ-восстановитель (рис. 87). Потеря веса фиксируется либо взвешиванием, либо записывается на ленте пером, или зайчиком, пишущим на светочувствительной бумаге. (М.Р. Мойсик). Перо или зайчик связаны с чашкой весов (например пружиной). В некоторых разновидностях этого метода (В.С. Абрамов, В.И. Кармазин) скорость восстановления определяется наблюдением за изменением объема реакционноспособного газа во время восстановительного процесса.
2. Измерения в вакууме являются наиболее точным методом определения скорости восстановления по уменьшению давления реакционноспособного газа в замкнутой системе. Газообразный продукт восстановления вымораживается в ловушке, погруженной в жидкий кислород (Г.И. Чуфаров, В.А. Ройтер, А.П. Ем). На рис. 88 приведены четыре схемы устройств приборов для определения восстановимости.
Схема I. Окислы железа восстанавливаются в горизонтальной трубе; в ней помещается лодочка с тонко измельченной пробой, омываемой газом-восстановителем.
Схема II. Проба помещается в вертикальную трубчатую печь, а газ фильтруется через нее. В этом случае восстановительная способность газа используется лучше, чем при первой схеме.
Схема III. Проба находится в корзинке, помещенной в вертикальную трубчатую печь. Корзинка подвешена к одному плечу весов. Газ-восстановитель проходит через пробу в корзинке и между корзинкой и стенкой печи. О ходе восстановления можно судить по потере веса или по составу или весу твердого остатка. Показание весов можно снимать автоматической записью или фиксацией веса пробы через определенные равные промежутки времени.
Схема IV. Проба в вертикальной трубке подвешена к плечу весов. Таким образом, газ-восстановитель фильтруется через пробу и хорошо используется, а периодическое разъединение трубки от патрубка, подающего газ, дает возможность часто взвешивать пробу.
В некоторых случаях определение восстановимости проводилось до достижения равновесия между восстановителем и рудой (Клердинг, Кребер, Бон). Распространения этот метод не получил не только потому, что требуется длительное время для опыта (45—120 час.), но и потому, что в доменной печи равновесие никогда не достигается.
В иных случаях исследования восстановимости производились в условиях, весьма близких к производственным. Зигель, Дипшлаг и Фельдман пытались воспроизвести процесс восстановления в доменной печи, изменяя состав газа, температуры, давления и скорости. Такие исследования весьма сложны. Они тоже не получили распространения, тем более, что реальные условия в печах весьма разнообразны, и нет возможности их воспроизвести достаточно точно.
Советские ученые, проведшие большие исследовательские работы на действующих печах (И.З. Козлович, А.П. Любан Л.М. Цылев и др.), забирая пробы материалов из разных мест шахты, определяли степень восстановления руд и агломератов на разных горизонтах и, следовательно, составляли представление о скорости восстановления железа в разных условиях. Этим были как бы продолжены исследования, начатые в прошлом веке Беллом, Бунзенем, Соколовым, Эбельманом и др., но на более совершенной научно-технической базе. Однако и эти исследования, подтвердившие качественную сравнительную характеристику восстановимости разных руд, полученную на основе лабораторных данных, не смогли уловить изменений скорости восстановления в разные моменты и не могут быть использованы для суждения о влиянии разных факторов на восстановимость.
В последнее время снова появилось стремление исследовать восстановимость в лабораторных условиях, близких к реальным. Воспроизводятся не только характерные для доменной печи изменения температур и состава газа-восстановителя, но и обеспечивается противоток руды и газа. Методики эти весьма интересны, применение их способствовало выяснению ряда теоретических и фактических вопросов, но широкого распространения они не получили.
При разработке методики исследования восстановимости весьма важно также решение вопроса о месте расположения горячего спая термопары относительно испытуемой пробы. Как показали В.Г. Манчинский и А.П. Любан, расположение термопар должно быть разно при разных кинетических типах восстановительного процесса. Оказывается, что противоречия в выводах разных исследователей при изучении влияния отдельных факторов на скорость восстановления могут быть объяснены тем, что в опытах различных экспериментаторов процесс происходил в разных кинетических областях, подчинялся различным закономерностям, а это должно было учитываться при разработке методики эксперимента.
Существуют различные точки зрения на то, какой газ следует применять в качестве восстановителя. Соколов, Дипшлаг, Цылев, Стальгано и др. применяли окись углерода, полагая, что этим приближаются к условиям доменной печи. Серьезным препятствием применению этого газа является разложение CO на CO2 и С.
Этих неудобств нет при применении водорода. Последний еще удобен тем, что, будучи более энергичным восстановителем, чем окись углерода, дает возможность быстрее проводить исследования. Кроме того, водород не опасен для персонала, в то время как окись углерода ядовита; однако водород более взрывоопасен, чем окись углерода.
Бюст, А.Н. Похвиснев и М.С. Гончаревский использовали в качестве восстановителя водород. То обстоятельство, что в условиях доменной печи водорода мало, не играет существенной роли, поскольку исследования восстановимости имеют целью установить сравнительную характеристику руд разных типов при разных условиях, меняющихся при исследованиях. При необходимости же найти абсолютную характеристику восстановимости, т. е. определить, в какой степени будет восстановлена данная руда (или агломерат) в определенной зоне печи, приходится восстановление производить реальным газом (смесью CO, CO2, N2, H2), меняя температуру, давление и состав соответственно реальным условиям и придавая потоку газа скорости, близкие к реальным. Ввиду больших трудностей при постановке такого эксперимента М.С. Гончаревский, а позже Н.С. Снаговская проводили параллельные исследования восстановления водородом, окисью углерода и реальным газом, дающие возможность определить поправочные коэффициенты для перехода от количественных показателей восстановления одним газом к показателям при газе другого состава. Это дает возможность, используя водород, рассчитать фактическую степень восстановления в доменной печи на разных горизонтах и, наконец, степень непрямого восстановления железа для каждой руды в реальных производственных условиях.
В связи с определениями восстановимости руд представляет интерес методика определения пористости, поверхности пор, газопроницаемости. Пористость рассчитывается путем сравнения кажущегося и истинного удельного веса материала. Кажущийся вес определяется погружением в воду куска пористого материала, предварительно покрытого парафином. Истинный удельный вес определяется в пикнометре со спиртом после тонкого измельчения того же образца, причем в процессе измельчения все поры исчезают, а материал уплотняется. Разница кажущегося и истинного веса дает возможность определить объем пор.
Поверхность открытых пор может быть определена под микроскопом (Дипшлаг) со специальным счетным устройством для определения протяженности пор. При этом нужно особо позаботиться о том, чтобы образец, поверхность пор которого определяется, удовлетворительно характеризовал всю массу руды или агломерата, которые он представляет. Другой способ определения поверхности пор — адсорбция газов или жидкости. Предполагая, что адсорбирующееся на поверхности пор вещество, например, метиленовая синь, располагается слоем в одну молекулу, можно по количеству адсорбированного вещества рассчитать поверхность, на которой оно адсорбировалось (А.Н. Похвиснев и Г.А. Воловик, И.И. Горштейн). Оба способа вызывают возражения и сомнения.
Газопроницаемость кусковых материалов определяется продуванием воздуха через кусок материала определенных размеров, герметично закрепленный в сосуде, так что воздух может пройти только через образец. При заданном давлении воздуха определяется количество его, прошедшее через образец в единицу времени и отнесенное к единице сечения образца.
Заканчивая рассмотрение способов определения восстановимости руд и агломератов, отметим, что эта характеристика сама по себе, независимо от условий работы печи, еще не определяет степени непрямого и прямого восстановления железа в печи. Можно представить, что при неправильном распределении материалов и газов в печи даже легковосстановимая руда не обеспечивает высокой степени непрямого восстановления. Ho при рациональном распределении и хорошем использовании газового потока степень непрямого восстановления легковосстановимой руды больше, чем трудновосстановимой. Именно поэтому на Магнитогорском заводе, где шихта хорошо подготовлена, а регулированию газовых потоков уделяется большое внимание, оказалось столь важным повышение восстановимости агломерата, и оправдал себя контроль за этой его характеристикой. Между тем, на Юге при неподготовленной шихте и плохом использовании газа еще недавно даже при легковосстановимых криворожских рудах степень прямого восстановления была очень высока.
Особый интерес представляет методика исследования скорости восстановления железа твердым углеродом. Такие исследования производились реже, чем при восстановлении газом, и поэтому они не типизировались. В некоторых случаях составляется смесь восстанавливаемой руды с углеродом в известной пропорции и подвергается нагреву в разных условиях. О степени восстановления судят по составу окончательного продукта. В других случаях руда не перемешивается с твердым горючим, причем оба вещества укладываются в лодочке рядом. Восстановление ведется в потоке окиси углерода или азота. При этом как бы имитируются реальные условия доменной печи, где руда и кокс только соприкасаются, но не смешиваются тесно. Восстановление же при высоких температурах ведется твердым углеродом, но не непосредственно, а через газовую фазу. Таким способом, повышая температуры до 1200°, А.М. Зайцев, исследовал влияние вида твердого восстановителя и минералогического типа руды на скорость восстановления железа твердым восстановителем.