6. CƠ SỞ NHIỆT LỰC HỌC CỦA HOÀN NGUYÊN QUẶNG SẮT
6.2.2. Hoàn nguyên trực tiếp
- Dùng C rắn làm chất hoàn nguyên, phản ứng hoàn nguyên có
sản phẩm sinh ra cuối cùng là CO gọi là hoàn nguyên trực tiếp.
- Do trong lò cao tồn tại một lượng lớn than kốc, oxit các cấp của
Fe ngoài việc bị CO hoàn nguyên ra, còn bị C rắn hoàn nguyên,
phương trình phản ứng của nó như sau :
• Khi nhiệt độ cao hơn 5700
C
3Fe2O3 + C = 2Fe3O4 - 128638 KJ (5.10) Fe3O4 + C = 3FeO + CO - 186654 KJ (5.11)
FeO + C = Fe + CO - 1152161 KJ (5-12) • Khi nhiệt độ thấp hơn 5700
C
3Fe2O3 + C = 2Fe3O4 + CO - 128638 KJ Fe3O4 + 4C = 3Fe + 4CO - 64590 KJ (5-13)
- Than cốc và quặng ở trong lò cao đều là vật thể dạng cục, trước khi quặng nóng chảy, diện tích tiễp xúc giữa chúng rất nhỏ trên
Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi thực tế phản ứng xẩy ra là rất khó khăn, lúc đó hoàn nguyên trực
tiếp chủ yếu là thực hiện qua 3 hình thức sau đây :
• Một hình thức chủ yếu nhất của hoàn nguyên trực tiếp là cùng xẩy ra với phản ứng khí hoá của than, tức là hoàn nguyên trực
tiếp thực hiện qua 2 bước sau:
+ FeO +CO = Fe + CO2 + 13604 KJ
CO2 + Ccốc = 2CO - 165766 KJ (5-14) FeO + Ccốc = Fe + CO - 152161 KJ
◦Có thể thấy CO vẫn trực tiếp phản ứng với oxit sắt, chỉ có điều kết quả cuối cùng của phản ứng là đã tiêu hao C, CO chỉ
có tác dụng là chất mang oxy. Có thể nói rằng hoàn nguyên trực tiếp của hình thức này hoàn toàn quyết định bởi phản ứng
khí hoá cuả C. Do tốc độ p hản ứng khí hoá ở nhiệt độ thấp
của C rất thấp, vì vậy ở nhiệt độ thấp dùng C rắn hoàn nguyên
tực tiếp oxýt Fe là rất khó khăn. Thực nghiệm chỉ ra rằng,
phản ứng khí hoá cuả C muốn đạt lên cân bằng, ở 650o
C cần
12h, ở 800o
C cũng cần 9h; còn ở nhiệt độ đó, tốc độ hoàn
nguyên FeO khi dùng CO lớn hơn trên 100 lần so với phản ứng khí hóa. Trong lò cao, khu vực nhiệt độ thấp ở phần trên
nhiệt độ nhỏ hơn 800o
C chỉ là khu vực có hoàn nguyên gián
tiếp. Còn khi liệu đi vào khu vực nhiệt độ cao phần dưới,
nhiệt độ lớn hơn 1000oC, tốc độ phản ứng khí hoá xẩy ra
nhanh, nồng độ CO 2 trong pha khí rất nhỏ, CO 2 do hoàn nguyên sinh ra, có thể phản ứng với C tạo thành CO, còn tốc độ hoàn nguyên quặng sắt giảm thấp do mức độ lỗ hở của bộ
phận biến mềm thu nhỏ. Tốc độ phản ứng phân giải của CO2
Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi khu vực nhiệt độ lớn hơn 10000
C chỉ là khu vực xẩy ra phản ứng hoàn nguyên trực tiếp. Còn trong khu vực 800-10000C thì tốc độ sinh ra CO2 do oxit sắt bị hoàn nguyên và tốc độ CO2
phân giải tương đương; chỉ có một phần CO2 phân giải, vì thế
khu vực này là khu vực hoàn nguyên trực tiếp và hoàn nguyên
gián tiếp cùng tồn tại. Do thế oxy của Fe2O3 và Fe3O4 rất cao, nên tương đối dễ hoàn nguyên, nói chung thì trước khi đạt đến 8000
C , liệu lò có Fe2O3 và Fe3O4 đều bị CO hoàn nguyên
hết, tức là hai loại oxit đó chỉ có hoàn nguyên gián tiếp, còn
FeO thì một phần hoàn nguyên gián tiếp, phần còn lại đi vào
khu vực nhiệt độ cao hoàn nguyên trực tiếp. Vì thế oxit các
cấp của Fe ở trong phản ứng bị C hoàn nguyên trực tiếp, chỉ
có riêng phản ứng (5-12) là có ý nghĩa thực tế.
• Hình thức thứ hai hoàn nguyên trực tiếp là xẩy ra giữa FeO
trong xỉ lò ỏ trạng thái lỏng ở khu vực nhiệt độ cao với C cốc.
(FeO)lỏng +Ccốc = Fe + CO
◦Sau khi liệu lò đi vào vùng nóng chảy mềm, phần lớn hợp
chất có dung điểm thấp bị chảy lỏng mà tạo ra xỉ đầu. trong xỉ đầu lượng FeO cao chảy qua bề mặt của than cốc rắn, điều
kiện tiếp xúc rất lớn, rồi xẩy ra phản ứng nêu trên.
• FeO trong xỉ lò lỏng, còn phản ứng hoàn nguyên trực tiếp với
C thấ m vào trong nước gang, tạo nên phương thức hoàn
nguyên trực tiếp loại 3.
(FeO)lỏng + [Fe3C]lỏng = 4Fe + CO
- Nói chung thì, ôxyt Fe của quặng sắt trong liệu lò, sau khi bị
Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi nửa bị CO hoàn nguyên, phần còn lại tan vào trong xỉ, theo phương thức trên bị hoàn nguyên ra. Hàm lượng FeO trong xỉ
cuối, thường không quá 0,5 - 0,6% nếu cao đến trên 1%, thì đã
có biểu hiện lò cao không bình thường.