TÁC DỤNG HOÀN NGUYÊN CỦA HY DR O:

6. CƠ SỞ NHIỆT LỰC HỌC CỦA HOÀN NGUYÊN QUẶNG SẮT

6.3. TÁC DỤNG HOÀN NGUYÊN CỦA HY DR O:

6.3.1. Đặc điểm của oxýt sắt hoàn nguyên hydro.

- Chất hoàn nguyên của lò cao ngoài CO và C rắn còn có hydro

của H2 trong chất bốc của nhiệt liệu và H2 có từ phân giải gió ẩm và H2 có từ chất phun thổi mang vào. Thứ tự các oxýt các cấp

của sắt bị H2 hoàn nguyên hoàn toàn giống với CO.

- Khi nhiệt độ cao hơn 570oc

3Fe2O3 + H2 = 2Fe3O4 +H2O +21809 KJ (5-24) Fe3O4+ H2 = 3FeO + H2O - 63585 KJ (5-25)

FeO +H2O =Fe +H2O - 27711 KJ (5-26) - Khi nhiệt độ thấp hơn 570oc

3Fe2 O3 + H2 = 2Fe3O4 +H2O + 21809 KJ Fe3O4 + 4H2 = 3Fe +4H2 O - 148100 KJ (5-27) - Quan hệ cân bằng thành phần pha khí với nhiệt độ, đồ thị 6–3

Hình 6 - 3 Quan hệ cân bằng thành phần pha khí với

nhiệt độ khi dùng H2 hoàn nguyên oxýt sắt.

- Ngoài phản ứng 5 - 24 ra, còn lại đều là phản ứng thuận nghịch

mỗi 1 nhiệt độ đều có 1 cân bằng thành phần pha khí xác định tương ứng. Đặc điểm của H2 hoàn nguyên oxýt Fe là: Ngoài phản ứng 5-24 ra các phản ứng khác đều là phản ứng thu nhiệt,

nhiệt độ càng cao, năng lực hoàn nguyên càng mạnh, H2O trong cân bằng pha khí càng nhiều. Điểm này không giống với CO. So

sánh về năng lực hoàn nguyên và thành phần pha khí cân bằng

giữa H2 và CO ở các nhiệt độ khác nhau như biểu thị ở hình 6-4. - Từ đồ thị có thể thấy được năng lực hoàn nguyên của H2 tăng lên

khi nhiệt độ tăng lên. Khi nhiệt độ thấp hơn 8100c, năng lực

80 % 20 40 60 0 C 400 800 1200 1400 Hà m lư ợ n g H2 t rong h ỗ n h ợ p H2 + H2 O Nhiệt độ

8100c, thì năng lực hoàn nguyên H2 mạnh hơn CO, đó là vì nhiệt độ cao lực tương hỗ của H2với oxýt lớn hơn so với CO và oxýt.

- Một đặc điểm khác về sự tham gia hoàn nguyên của H2 trong lò cao là có thể tăng cường tác dụng hoàn nguyên của CO và C

- H2O do H2 hoàn nguyên sinh ra tác dụng với CO

+ FeO + HH 2 = Fe + H2O - 27711 KJ

2O + CO = CO2 +H2 + 41316 KJ (5-28) FeO + C = Fe + CO + 13604 KJ

- H2O do H2 hoàn nguyên sinh ra tác dụng với C

+ FeO + HH 2 = Fe H2O - 27711 KJ

2O + C = CO +H2 - 124450 KJ (5-29) FeO + C = Fe + CO - 152161 KJ

◦Hình 6-4 so sánh năng lựu hoàn nguyên và cân bằng thành

phần pha, khi ở nhiệt độ khác nhau giữa H2 với CO . 1 - Nồng

80 % 20 40 60 0C 400 800 1200 1400 Hà m lư ợ ng C O t ron g h ỗ n h ợ p C O + C O2 Hà m lư ợ n g H2 t rong h ỗ n h ợ p H 2 + H2 O Nhiệt độ 1 2 3 4 4

độ % của H2 2-Nồng độ % của CO 3- Nồng độ % của CO2 4- Nồng độ %của H2O

- Tác dụng của H2 ở đây là chuyển đổi oxýt, nó chiếm lấy oxy trong các oxy để chuyển cho CO và C, từ đó làm tăng nhanh tốc độ hoàn nguyên của CO và C.

- Trong quá trình nấu luyện chỉ có 1 phần H2 được lợi dụng . Căn

cứ vào kết quả thống kê của thực tiến sản xuất, có khoảng 30 - 50% H2 tham gia hoàn nguyên. H2 tham gia hoàn nguyên có hơn

80% thay thế C tham gia hòan nguyên trực tiếp ở khu vực nhiệt độ cao, một phần nhỏ thay thế CO tham gia hoàn nguyên gián

tiếp ở thân lò

- Từ phương trình H2 tham gia phản ứng hoàn nguyên, có thể thấy

1 mol của H2 có thể thay thế 1 mol của C, tức là 1 Kg H2 tham gia hoàn nguyên có thể giảm 6Kg C, đồng thời hoàn nguyên

1Kg Fe tiết kiệm nhiệt lượng là: (152161- 27711)/56 = 2222 ( KJ) Vì thế H 2 tham gia hoàn nguyên có lợi để giảm tỷ lệ cốc.

Sau khi lò cao phun thổi nhiên liệu , hàm lượng H 2 trong khí than sẽ tăng lên khá nhiều .

6.3.2. Quan hệ giữa hệ số lợi dụng H2 với hệ số lợi dụng CO.

- Hệ số lợi dụng H2 dùng công thức sau biểu thị.

2 hoàn nguyên Toan bo 100% H O H H η = × _ 4 _ _ 2 _ 2 _ 2 _ 2 2 22, 4 1 100%

khi than khi than khi than

gio phun coc

V H CH H H H    × +      = − × + +      

2 _ 2 _ _

khi than

khi gio khi than

H O

H O H

+ (5-30)

- Tức là tỷ lệ giữa lượng H2 tham gia hoàn nguyên trong lò cao với tổng lượng H2 trong lò gọi là hệ số lợi dụng H2 .

- Hệ số lợi dụng CO dùng công thức sau biểu thị :

2 2 _ _ _ _ khi than co

khi than khi than

CO CO

η =

+ (5-31)

- Tức là tỷ lệ giữa lượng CO tham gia hoàn nguyên trong lò cao với tổng lượng CO sinh ra trong lò (Tổng của CO sinh ra khi cháy than cốc trước mắt gió và CO sinh ra do hoàn nguyên trực

tiếp ) gọi là hệ số lợi dụng CO.

- Trong các công thức trên, CO2 khí than, COkhí than, CH4 khí than, H2

khí than, H2Okhí than lần lượt là hàm lượng % của chúng trong khí

than đỉnh lò, Vkhí than là lượng khí than đỉnh lò của nấu luyện 1T

gang, đơn vị m3

/tgang, H2 gió, H2 phun, H2 cốc lần lượt là lượng H2

trong gió, chất phun thổi và than cốc để nấu luyện 1Tgang, đơn vị

Kg/tgang. Trong đó H2 khí than không bao gồm nước của liệu lò

mang vào, CO2 khí than cũng không bao gồm CO2 của chất trợ

dung của liệu lò mang vào.

- Hệ số lợi dụng của H2 trong lò cao, nói chung theo sự tăng lên

của nồng độ H2 mà cũng tăng lên, nhưng sau khi đạt đến một

mức độ nhất định sẽ không có sự biến đổi rõ nét nữa. Hệ số lợi

dụng của H2 trong lò cao hạn chế trong một phạm vi nhất định. Đó là vì một mặt ở điều kiện lò cao, phản ứng hoàn nguyên của

dụng H2 bị hạn chế của hệ số lợi dụng của CO.

- Trong khí than của lò cao gồm các thành phần CO, H 2, CO2, H2O. Trong đó CO2, H2O là sảm vật của CO, H2 tham gia phản ứng hoàn nguyên còn giữa các chất đó lại xẩy ra phản ứng khí

nước.

H2O + CO = CO2 + H2 + 41316 Kj

- Vì thế hệ số lợi dụng H2 và hệ số lợi dụng CO có quan hệ mật

thiết thông qua phả ứng nước - khí than . Trị số Kp hằng số cân

bằng của phản ứng đó ở nhiệt độ khác nhau như ở bảng 5 - 2 biểu thị ( Bảng 6 - 2 hệ số KP của phản ứng nước - Khí than ở

nhiệt độ khác nhau ).

Nhiệt độ o

C 700 800 900 1000 1100 Kp 9,26 4,17 2,36 1,35 1,00

- Ôxýt Fe là chất xúc tác của phản ứng nước-khí than, vì thế có

thể cho rằng phản ứng đó ở điều kiện lò cao là gần cân bằng, tức

là.

𝑃𝑃𝐻𝐻2𝐶𝐶 𝑃𝑃𝐻𝐻2 =

𝑃𝑃𝐶𝐶𝐶𝐶2 𝑃𝑃𝐶𝐶𝐶𝐶

6.4. ĐIỀU KIỆN TĂNG NHANH TỐC ĐỘ HOÀN NGUYÊN SẮT

6.4.1. Khái quát

- Muốn tăng nhanh tốc độ hoàn nguyên quặng sắt, thì phải cần

thiết điều kiện tiếp xúc của các phân tử chất hoàn nguyên trong

khí than và các phân tử oxýt Fe trong quặng, tăng cơ hội tiếp xúc

giữa các phân tử oxýt với các phân tử chất hoàn nguyên trong

một đơn vị thời gian và không gian, khái quát lại, có thể bắt đầu

từ 2 mặt, một là qua việc cải thiện tính năng của khí than ( thành phần, nhiệt độ , áp lực, lưu tốc ... của khí than) để cải thiện điều

kiện tiếp xúc giữa chất hoàn nguyên với các oxýt, từ đó rút ngắn

thời gian phản ứng, là qua việc cải thiện tính năng hoàn nguyên

của quặng (như thu nhỏ cỡ hạt quặng, tăng tốc độ lỗ hổng, cải

thiện cấu tạo của khoáng vật để tăng thời gian phản ứng; để tăng

nhanh hoàn nguyên quặng sắt, phải kết hợp tốt hai nhân tố đó.)

- Điều cần chỉ ra là việc tăng nhanh tốc độ hoàn nguyên quặng

sắt, nói ở đây là chỉ tăng nhanh tốc độ hoàn nguyên quặng sắt

khi dùng CO và H2 trong phạm vi nhiệt độ từ 8000

C - 10000C, còn ở nhiệt độ cao hơn thì tốc độ hoàn nguyên của bất cứ loại

quặng nào đều rất nhanh.

6.4.2. Nâng cao nồng độ của CO và H2 trong khí than .

- Nâng cao nồng độ của CO và H 2 trong khí than đối với việc

nâng cao tốc độ k huếch tán hay đối với việc nâng cao tốc độ

phản ứng hoá học đều là có lợi. Nhiều kết quả thử nghiệm đều đã chứng minh, tốc độ hoàn nguyên quặng tăng lên theo sự tăng

nguyên giảm.

- Dùng lý thuyết động lực học để phân tích, kết quả này là t ất nhiên. Nồng độ của CO và H2 trong khí than tăng lên, tất nhiên

sẽ làm cơ hội tiếp xúc giữa chúng với oxýt rắn tăng lên, từ đó làm tăng nhanh tốc độ khuếch tán trong, ngoài và tốc độ phản ứng hoá học bề mặt làm tăng tốc độ hoàn nguyên quặng sắt -

ngược lại, nồng độ CO2 và H2O tăng lên, không chỉ làm cho

nồng độ chất hoàn nguyên trong khí than bị pha loãng, mà còn nhiều xúc tác việc xẩy ra phản ứng nghịch, từ đó ngăn trở quá

trình hoàn nguyên, giảm nhỏ tốc độ hoàn nguyên. Từ điều kiện

nhiệt lực học mà nói, nồng độ CO và H2 phải cao hơn nồng độ

pha khí cân bằng tương ứng ở nhiệt độ hoàn nguyên, có như thế

hoàn nguyên mới được thực hiện. Còn nồng độ CO và H2 càng

cao, năng lực hoàn nguyên khí than càng mạnh, càng có khả năng tăng tốc độ hoàn nguyên.

- Việc tăng nồng độ H2 trong khí than, đối với việc tăng tốc độ

hoàn nguyên quặng sắt càng mạnh, vì H2 bán hính nhỏ, mật độ

nhỏ cỡ hạt nhỏ, năng lực khuếch tán trong lớp sản vật hoàn

nguyên rắn và năng lực hấp phụ trên bề mặt của oxýt đều tương đối mạnh. Năng lực khuếch tán của sản vật hoàn nguyên khí thể

H2O cũng mạnh hơn CO2 - Căn cứ và thuyết chuyển động của

phân tử khí, tốc độ chuyển động của phân tử khí tỷ lệ nghịch với căn bậc 2 của phân tử lượng của nó, vì thế tốc độ khuếch tán của

H2 bằng 3,74 lần tốc độ khuếch tán của CO, tốc độ khuếch tán

Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi khác, H2 có thể đi qua các lỗ hổng tế vi đi đến tâm của hạt quặng nhanh hơn, sản vật H2O cũng dễ khuếch tán đi.

- Lượng N2 trong khí than tăng lên, sẽ làm cho tốc độ hoàn

nguyên quặng sắt giảm xuống, đó là vì N2 tăng lên làm loãng nồng độ của CO và H2 trong khí than, vì thế áp dụng biện pháp

gió giầu oxy, có thể giảm thiểu hàm lượng N2 trong gió, có lợi

cho việc tăng nhanh tốc độ hoàn nguyên quặng.

6.4.3. Bảo đảm nhiệt độ khí than tương đối cao.

- Tốc độ phản ứng ở nhiệt độ cao rất nhanh, vì thế đảm bảo nhiệt độ khí than tương đối cao, đặc biệt là mở rộng khu vực hoàn

nguyên gián tiếp trong phạm vi nhiệt độ 800 - 10000C là khâu mấu chốt để tăng nhanh quá trình hoàn nguyên của lò cao.

- Tốc độ của phản ứng hoá học và tốc độ khuếch tán đều tăng

nhanh cùng với nhiệt độ tăng lên. Vì thế, nhiệt độ cao có lợi cho

việc tăng nhanh tốc độ hoàn nguyên quặng sắt - Xem xét từ góc độ của thuyết vận động phân tử, ở nhiệt độ cao phân tử vận động

mãnh liệt khiến cho cỡ hạt va đập giữa phân tử oxýt với phân tử hoàn nguyên tăng lên, đồng thời cũng làm cho số phân tử hoạt

hoá ở nhiệt độ cao tăng lên, như vậy có thể xúc tiến phản ứng

hoàn nguyên xẩy ra - Kết quả thực nghiệm của phòng thí nghiệm đã xác định quan hệ đó.

- Tác dụng của việc nâng cao nhiệt độ để cải thiện hoàn nguyên

còn rõ nét hơn tác dụng của việc nâng cao nồng độ H2 - Tóm lại,

nhiệt độ nâng cao tốc độ hoàn nguyên tăng nhanh - Tuy nhiên, tác dụng đó không là liên tục, cá biệt do giai đoạn do tồn tại sự

Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi tiếp xúc và điều kiện khuếch tán xấu đi mà có hiện tượng phản ứng hoàn nguyên chậm lại.

- Ở thân lò phun thổi khí hoàn nguyên nhiệt độ cao, tức là gia tăng

nồng độ của CO và H2 trong khí than, lại nâng cao nhiệt độ khu

vực hoàn nguyên gián tiếp - Vì thế rất có lợi đối với việc tăng

tốc độ hoàn nguyên quặng sắt.

6.4.4. Khống chế lưu tốc khí than.

- Khi phản ứng ở phạm vi tốc độ khuếch tán bên ngoài, nâng cao lưu tốc khí than là rất hữu hiệu đối với việc tăng nhanh tốc độ hoàn nguyên, đó là vì việc nâng cao lưu tốc khí than có lợi cho

việc làm vỡ các màng mỏng khí thể xung quanh các oxýt rắn ngăn trở chất hoàn nguyên khuếch tán, làm cho chất hoàn

nguyên trực tiếp đến được bề mặt của oxýt. Nhưng sau khi lưu

tốc của khí than đạt đến mức độ nhất định, lớp màng mỏng khí

bị phá vỡ hoàn toàn thì tốc độ hoàn nguyên bị hạn chế bởi sự

khuếch tán trong lớp sản vật hoàn nguyên rắn hoặc phản ứng

mặt tinh giới, lúc đó vẫn nâng cao lưu tốc của khí than thì không

thể tăng nhanh tốc độ hoàn mguyên - ngược lại, lưu tốc của khí

than quá nhanh, sẽ dẫn đến hệ số lợi dụng của khí xấu đi.

- Bất cứ biện pháp nào cải thiện điều kiện khuếch tán bên trong

quặng và tốc độ hoàn nguyên, đều có thể dấn đến nâng cao tốc độ giới hạn, từ đó có lợi cho việc cường hoá nấu luyện.

- Lưu tốc của khí than trực tiếp ảnh hưởng đến mức độ lợi dụng

của khí than - Khi lưu tốc của khí than rất thấp, khí than tiếp cận

với cơ cấu cân bằng của phản ứng hoàn nguyên, lúc đó hệ số lợi

QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH GANG

QUÁ TRÌNH TẠO XỈ TRONG LÒ CAO