6. CƠ SỞ NHIỆT LỰC HỌC CỦA HOÀN NGUYÊN QUẶNG SẮT
6.2.3. So sánh hoàn nguyên gián tiếp và hoàn nguyên trực tiếp
a).Khái quát
- Vì phản ứng khí hoá của than tiến hành với tốc độ khác nhau, lò
cao chia ra khu vực hoàn nguyên trực tiếp và khu vực hoàn
nguyên gián tiếp, tức là khu vực phần trên nhiệt độ nhỏ hơn
800oC là khu vực hoàn nguyên gián tiếp, ở khu vực phần dưới
lớn hơn 1000o
C là khu vực hoàn nguyên trực tiếp. Khu vực ở
giữa 800 ÷ 10000
C là khu vực song song tồn tại của hoàn
nguyên gián tiếp và hoàn nguyên trực tiếp.
- Trên thực tế, tốc độ phản ứng hoá của C còn do tính chất của
bản thân than cốc và các điều kiện nấu luyện khác mà có biến đổi, vì thế khu vực nhiệt độ này rất khó phân rõ ranh giới, chỉ đưa ra 1 phạm vi đại thể.
- Mức độ xẩy ra hoàn nguyên trực tiếp và hoàn nguyên gián tiếp
dùng mức độ hoàn nguyên trực tiếp và độ hoàn nguyên gián tiếp để biểu thị. Có mấy cách định nghĩa mức độ hoàn nguyên gián
tiếp và hoàn nguyên trực tiếp được dùng. Trong thực tế thường
dùng mức độ hoàn nguyên trực tiếp để biểu thị. Giả định, phản ứng hoàn nguyên từ oxýt sắt cấp cao của Fe đến oxýt sắt cấp
thấp (FeO) toàn bộ là hoàn nguyên gián tiếp, còn tỷ lệ Fe được
Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi hoàn nguyên từ trong các oxýt Fe được gọi là mức độ hoàn nguyên trực tiếp của Fe
𝑟𝑟𝑑𝑑 = 𝐹𝐹𝐹𝐹𝑇𝑇𝑟𝑟ự𝐾𝐾𝑡𝑡𝑡𝑡ế𝑝𝑝
𝐹𝐹𝐹𝐹𝐺𝐺𝐶𝐶𝐺𝐺𝑙𝑙 − 𝐹𝐹𝐹𝐹𝐿𝐿𝑡𝑡ệ𝑢𝑢 (5−15)
• Trong công thức:
◦Fetrực tiếp là Fe hoàn nguyên trực tiếp trong FeO ◦Feganglà lượng Fe trong gang
◦Feliệu là lượng Fe trong gang phế cho vào trong liệu lò.
- Có 3 phương pháp có thể tính r d, ở đây chỉ giới thiệu phương pháp tínhtheo lượng C đã tiêu hao để hoàn nguyên trực tiếp Fe.
- Điểm chính của phương pháp này là, trước tiên thông qua phép cân bằng cacbon ni tơ (C - N) để tìm ra lượng gió Vgió, cần cho
mỗi tấn gang, sau đó căn cứ vào lượng gió tính toán ra lượng
cacbon Cgió đã cháy trước mắt gió, rồi từ lượng C vào lò toàn bộ
trừ đi lượng C cháy trước mắt gió, và tiêu hao C khác ngoài việc
hoàn nguyên trực tiếp Fe, thì có thể tìm ra lượng C đã tiêu hao cho hoàn nguyên trực tiếp Fe, cuối cùng tính đổi nó thành lượng
C của hoàn nguyên trực tiếp. Dùng công thức 5 - 15 tìm ra rd. - Cụ thể các bước như sau:
• Căn cứ vào sự cân bằng than để tính ra lượng khí than đỉnh lò
Vkhi than (m3/tgang ).
lieu phu gang bui khí than 2 4 C + C +C - C V = 12 (CO + CO + CH ) 22,4× (5-16)
Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi ( ) ( ) 2 22, 4 ( ) 12 1 1
khi than lieu phun gio V N N N V ω φ − × − + × = − × − (5-17)
• Căn cứ vào lượng gió tính ra lượng C cháy trước mắt gió Cgió. (Kg/ tgang) (1 ) 0, 5 11, 2 12 gio gio V C × − × +φ ω φ = (5-18)
• Tính toán ra lượng C đã tiêu hao để hoàn nguyên trực tiếp sắt
CdFe ( Kg/ tgang).(5-19)
CdFe = Cliệu + Cphun −Cgang −Cbụi −Cgió − CdSi ,Mn ,P,S −1,5Cnóngch ảy −CH2O −CCH4 −Cbốc cốc
• Tính toán ra lượng Fe hoàn nguyên trực tiếp và độ hoàn
nguyên trực tiếp Fetrực tiếp = CdFe x 56/12 ( Kg/ tgang) (5-20) _ Truc tiep d gang lieu Fe r Fe Fe = − • Trong cáccông thức:
◦Cliệu,Cphun là lượng C trong liệu lò và trong chất phun thổi,
Kg/tgang ;
◦CO, CH4, N2 là hàm lượng phần trăm thể tích của chúng trong
khí than đỉnh lò %.
◦ Nphun là lượng nitơ mang theo khi phun nhiên liệu cho nấu
luyện 1 tgang Kg/tgang.
◦Nliệulà lượng ni-tơ liệu lò mang vàoKg/tgang ◦Φlà độ ẩm của gió %
Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi
◦CdSi,Mn,P,Slà lượng C đã tiêu hao để hoàn nguyên Si, Mn, P và
khử S cho 1tgang,Kg/tgang.
◦Cganglà hàm lượng C của gang Kg/tgang ◦Cbụi là lượng C bụi lò mang theo Kg/tgang
◦CH2O là lượng C đã tiêu hao để hoàn nguyên nước kết tinh
trong liệu lò Kg/tgang
◦Ctrợ dung là lượng C trong chất trợ dung, Kg/tgang ◦CCH4 là lượng C trong khí mêtan sinh ra, Kg/tgang
◦ Ccốcbốc là lượng cacbon trong chất bốc của than kốc, Kg/tgang
- Cơ sở tính toán của phương pháp này là dựa vào phương pháp
cân bằng của C-N để tính ra lượng gió. Vì thế khi phân tích khí than đỉnh lò không chuẩn xác, sẽ sinh ra sai số tương đối lớn.
- Giới thiệu khái niệm độ hoàn nguyên trực tiếp và phương pháp
tính toán nhằm mục đích là muốn tìm ra hoàn nguyên trực tiếp
phát triển đến mức độ nào thì có lợi cho nấu luyện lò cao.
- Việc cung cấp năng lượng của than trong lò cao có hai tác dụng,
nó vừa là chất hoàn nguyên cung cấp năng lượng hoá học và toả
nhiệt cấp nhiệt năng, điều mấu chốt để giảm tiêu hao cốc trong
lò cao là nâng cao hệ số lợi dụng hoá năng và nhiệt năng. Hoàn
nguyên trực tiếp và hoàn nguyên gián tiếp ảnh hưởng đối với hoá năng và nhiệt năng là không như nhau. Hoàn nguyên gián
tiếp là phản ứng toả nhiệt, vì thế ở góc độ nâng cao hệ số lợi
dụng nhiệt năng của lò cao, mong muốn cho hoàn nguyên gián
tiếp phát triển tương đối lớn. Nhưng từ góc độ lợi dụng hoá năng
mà nói, thì hoàn nguyên gián tiếp là phản ứng thuận nghịch, CO
Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi học của phản ứng, CO phải có bội số quá mức nhất định vì thế
việc phát triển quá mức hoàn nguyên gián tiếp, sẽ bất lợi đối với
lợi dụng hoá năng. Hoàn nguyên trực tiếp ngược lại với hoàn
nguyên gián tiếp, CO do phản ứng sinh ra, theo khí than đi ra bề
mặt phản ứng, có C rắn là chất phản ứng trong lò cao luôn là dư
thừa, vì thế có thể xẩy ra hoàn nguyên trực tiếp là phản ứng
không thuận nghịch, không cần chất hoàn nguyên quá mức dùng
một mol C là có thể hoàn nguyên ra một mol sắt, vì vậy sự phát
triển của hoàn nguyên trực tiếp có lợi cho việc nâng cao việc lợi
dụng hoá năng của C. Nhưng từ góc độ lợi dụng nhiệt năng của
than, thì do hoàn nguyên trực tiếp là phản ứng thu nhiệt, việc
phát triển hoàn nguyên trực tiếp sẽ dẫn đến ra tăng tiêu hao
nhiệt, do đó hoàn nguyên trực tiếp bất lợi cho việc nâng cao hệ
số lợi dụng nhiệt năng.
- Vì thế thấy rằng hoàn nguyên trực tiếp hay hoàn nguyên gián
tiếp chỉ với điều kiện mức dộ phát triển thích hợp, tiêu hao than
mới có thể giảm; hoàn nguyên trực tiếp riêng lẻ hoặc hoàn
nguyên gián tiếp riêng lẻ, đối với việc giảm thấp tiêu hao than đều là bất lợi.
- Dưới đây sẽ là lần lượt phân tích theo góc độ than tiêu hao của
chất hoàn nguyên và than tiêu hao nhiệt năng.
b).Tiêu hao C hoàn nguyên trực tiếp và hoàn nguyên gián tiếp.
- Lấy 1 tấn gang làm đơn vị, lượng C tiêu hao cho hoàn nguyên trực tiếp (biểu thị là Cd).
FeO + C = Fe + CO
Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi - Hoàn nguyên gián tiếp, Fe2O3 + CO → Fe3O4 + CO2, có thể thấy
là phản ứng không thuận nghịch, ở điều kiện của lò cao, điều
kiện của phản ứng đều được thoả mãn, vì vậy không cần thiết bàn đến.
- Khi than từ phần dưới của lò cao đi lên, phải hoàn thành theo
thứ tự hai phản ứng thuận nghịch sau : FeO + nCO → Fe + CO2 + (n-1)CO, Khí than của hoàn nguyên sinh ra CO 2 + (n-1) CO trong quá trình đi lên phải đảm bảo hoàn nguyên Fe 3O4
thành FeO tức là : 1/3 Fe 3O4 + CO2 + (n-1)CO → FeO +
4/3CO2 + (n-4/3)CO. Khi khí than đồng thời đảm bảo hai phản ứng thuận nghịch, trị số n phải có, có thể tính toán được từ Kp,
phương pháp cụ thể như sau :
FeO + nCO = Fe + CO2 + (n-1)CO 𝐾𝐾𝑝𝑝 = 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶2 = 𝐺𝐺 −1 1 𝐺𝐺 = 1 +𝐾𝐾1 𝑝𝑝 = 1 +𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 2 = 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶+𝐶𝐶𝐶𝐶2 2 = %100𝐶𝐶𝐶𝐶 2
- Như khi ở nhiệt độ 6000C , đo được CO2 = 47,2% được n=2,12. Tương tự có thể tìm được trị số n ở các điều kiện nhiệt độ khác.
- Đối với phản ứng 1/3Fe3O4 + CO2 + (n-1)CO = FeO + 4/3CO2 + (n-4/3)CO, có thể tìm được trị số n như thế. Trị số n tìm được từ hai phương trình phản ứng kê ra ở bảng 5-1 Phương trình HNGT Nhiệt độ 0 C 600 700 800 900 1000 1100 1200 Trị số n FeO𝐶𝐶𝐶𝐶 ��Fe 2,12 2,5 2,88 3,17 3,52 3,82 4,12 1/3Fe3O4 𝐶𝐶𝐶𝐶 ��Fe 2,42 2,06 1,85 1,72 1,62 1,55 1,50
Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi - So sánh 2 phương pháp có thể thấy : Phản ứng hoàn nguyên
FeO, vì là phản ứng toả nhiệt, vì vậy nhiệt độ tăng n tăng theo,
còn phản ứng hoàn nguyên Fe3O4, vì là phản ứng thu nhiệt, v ì vậy sự tăng lên của nhiệt độ n giảm xuống. Với tiền đề đồng thời đảm bảo cho 2 phản ứng, n lấy trị số lớn trong 2 phản ứng. Lượng tiêu hao trong trường hợp trị số n của 2 phản ứng bằng
nhau, thì lượng tiêu hao chất hoàn nguyên là nhỏ nhất. Trong
các trường hợp khác. Tiêu hao chất hoàn nguyên, đều lớn hơn trị
số đó, như thế mới đảm bảo 2 phản ứng đều được hoàn thành.
Nhiệt độ khi trị số n bằng nhau ở 6400C, lúc đó n≈ 2,33 nên
lượng tiêu hao chất hoàn nguyên gián tiếp nhỏ nhất là (ký hiệu
Ci)
𝐶𝐶𝑡𝑡 = 2,33 × 1256× (1− 𝑟𝑟𝑑𝑑) × [𝐹𝐹𝐹𝐹]
= 0,4986 × (1− 𝑟𝑟𝑑𝑑) × [𝐹𝐹𝐹𝐹] (𝑘𝑘𝑙𝑙) (5−22)
c).Lượng than tiêu hao của chất phát nhiệt của hoàn nguyên trực
tiếp và hoàn nguyên gián tiếp
- Từ phương trình hoàn nguyên trực tiếp 5-12
FeO +C =Fe +CO - 152161 KJ
• Hoàn nguyên trực tiếp 1kg Fe thu nhiệt 152161/56 = 2717 KJ
- Từ phương trình hoàn nguyên gián tiếp 5-17
FeO + CO = Fe +CO2 +13604 KJ
• Hoàn nguyên gián tiếp 1KgFe toả nhiệt 13604/56= 243KJ
- Có thể thấy nhiệt tiêu hao hoàn nguyên trực tiếp phải lớn hơn
Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi biểu thị nhiệt tiêu hao của các nhân tố khác, thì tổng nhiệt lượng
chất phát nhiệt cung cấp là :
Q = 2717×rd× [Fe] -243× (1 - rd) × [Fe] + q
= (2960×rd - 243) × [Fe] + q (5-23)
d).So sánh tổng hợp lượng than tiêu hao của hoàn nguyên trực tiếp
với hoàn nguyên gián tiếp:
- Để thấy rõ vấn đề, chúng ta sẽ vẽ lượng C tiêu hao của chất hoàn
nguyên trên cùng một đồ thị với lượng than tiêu hao của chất
phát nhiệt (6-2), trục hoành của đồ thị là độ hoàn nguyên trực
tiếp của sắt rd, trục tung của đồ thị là lượng tiêu hao than của
mỗi tấn gang, như thế trục tung của hai đầu đại biểu cho hành
trình hoàn nguyên gián tiếp hoàn toàn và hành trình hoàn nguyên trực tiếp hoàn toàn.
- Hình 6-2 Quan hệ 3 lượng than tiêu hao với rd.
• 1 - lượng than tiêu hao hoàn nguyên gián tiếp.
0,8 0,2 0,4 0,6 0,2 0,4 0,6 0,8 Lư ợ ng t iêu hao t han Mức độ hoàn nguyên trực tiếp Rd A D B 3 2 C 1
Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi • 2- Lượng than tiêu hao hoàn nguyên trực tiếp.
• 3- Lượng than tiêu hao của chất phát nhiệt.
- Từ đồ thị trên, có thể phân tích ra mấy điểm sau:
• Trừ chất hoàn nguyên, phải xem xét; khi một trị số nào đó của
rd như tại điểm D, lượng than tiêu hao cho hoàn nguyên trực
tiếp về trị số bằng CD, lượng than tiêu hao cho hoàn nguyên
gián tiếpvề trị số bằng BD, thế thì lượng tiêu hao chất hoàn nguyên ở tình hình đó của lò cao là bao nhiêu? Là tổng của 2
trị số, hay là lấy trị số lớn nhất? phải lấy trị số BD, tức là số lớn
trong 2 số mà không phải là tổng của 2 trị số, nguyên nhân CO là hoàn nguyên trực tiếp của phần dưới lò cao sinh ra, trong quá trình đi lên vẫn có thể dùng để hoàn nguyên gián tiếp ở
phần trên của lò cao. Vì vậy, xem xét tiêu hao chất hoàn
nguyên, thì lượng tiêu hao chất hoàn nguyên thấp nhất rd ở tại đó, để đảm bảo tiêu hao nhiệt lượng. Mỗi số lượng than cháy
trước mắt gió tương đương với AC, thì tiêu hao cốc cần thiết
cho lò cao phải là trị số AD đã xác định, mà không phải là tổng
của AC và AD; nguyên nhân của nó là, để thoả mãn nhiệt lượng Q, C phải cháy trước mắt gió, sinh ra nhiệt lượng. Còn
CO của sự cháy sinh ra, trong quá trình đi lên, có thể tiếp tục
dùng cho hoàn nguyên gián tiếp, vì vậy lượng th an tiêu hao tổng phải là AD. Ở đây CD là hao nguyên trực tiếp, AC là tiêu
hao nhiệt lượng cháy trước mắt gió. Kết quả của 2 trị số đó đều
sinh ra CO, còn hoàn nguyên gián tiếp chỉ dùng CO của phần
BD. Từ đó có thể thấy, hành trình lý tưởngcủa lò cao không
Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi nguyên gián tiếp hoàn toàn, mà là cả hai theo tỷ lệ nhất định
khi xem xét tiêu hao nhiệt lượng, thì rd thích hợp nhất là từ chỗ
rd1 chuyển đến chỗ rd2.
• Khi nấu luyện lò cao ở điểm D, l ượng than tiêu hao hoàn nguyên trực tiếp bằng CD,lượng than tiêu hao do tiêu hao nhiệt lượng trước mắt gó bằng AC, C hoàn nguyên trực tiếp và tiêu
hao cho nhiệt lượng đều sinh ra CO, trong đó CO của phần BD
dùng cho hoàn nguyên gián tiếp, còn CO của phần AB thì ra
khỏi lò cao, nó là bộ phận hoá năng chưa được lợi dụng trong khí than trong lò cao, bộ phận này là tiềm l ực tại chỗ có thể
khai thác thông qua phương pháp thao tác.... Cần phải nói rõ là,
trị số AB, không phải bằng trị số CO trong khí than của đỉnh
lò, vì trong BD còn bao gồm 1 bộ phận CO quá mức, cần thiết
cho cân bằng phản ứng thuận nghịch, bộ phận CO này cộng
với CO của đoạn AB, rồi trừ đi CO đã tiêu hao của các oxýt
cấp cao của Fe, Mn... để hoàn nguyên đến FeO, MnO, mới là
tổng lượng CO cuối cùng ra khỏi đỉnh lò.
• Thực tế lò cao rd > rd2, nếu tiêu hao cốc của lò cao chủ yếu
quyết định bởi tiêu hao nhiệt lượng, nói một cách chặt chẽ là quyết định bởi tổng C của than dùng cho tiêu hao nhiệt lượng
với C đã tiêu hao cho hoàn nguyên trực tiếp, mà không quyết định bởi lượng tiêu hao C của hoàn nguyên gián tiếp, nó là tỷ lệ
tiêu hao cốc của lò cao, tính toán theo lý thuyết cân bằng nhiệt.
Từ đoạn này, tất cả các biện pháp để gảm tiêu hao nhiệt lượng, đều có thể làm giảm tỷ lệ than cốc, Hiện nay thực tế lò cao rd >
Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi