МЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА – Часть 43

При малых значениях и (например, при использовании трудновосстановимых оксидов, при низких температурах или высокой объемной скорости газа) процесс приближается к условно называемому кинетическому типу, означающему, что восстановление одновременно протекает во всем объеме слоя материалов при очень малом накоплении в газе продуктов реакции.

При большой величине и (например, при малом относи­тельном расходе газа) процесс приближается к потоколими – тируемому типу: в значительной части слоя состав газа близок к равновесному и в пределе (ц —»¦<») восстановле­ние локализуется в плоскости сечения слоя, которая по­стоянно перемещается снизу вверх. 94

В шахтных печах средняя температура материалов и газов в верхних и нижних частях слоя падает по ходу движения газа относительно быстро, в промежуточной части — слабо. В связи с этим рассмотрим характер изменения N’ при по­стоянной и переменной температуре по высоте слоя. В по­следнем случае следует учитывать знак теплового эффекта реакции восстановления.

1. Температура и, как следствие,

Равновесная концентрация по

(124)

Высоте слоя постоянны. При таком условии интегрирование выражения (112) дает

N’ = N„[1 – ехр(—и*)].

Таким образом, величина фактической концентрации N’ асимптотически приближается к значению равновесной (рис. 18). Положение кривой для N’ и ее конечное значение зависит от величины критерия и. При малом его значении газовая смесь не достигает равновесия по всей высоте слоя и на выходе N’«Np. В результате восстановление возможно по всей высоте реактора. При большой величине критерия и состав газа быстро достигает равновесного значения, по­этому восстановление протекает в ограниченном объеме, в котором быстро накапливаются продукты восстановления.

2. Температура в слое переменна, характер реакции экзотермичес­

(125)

Кий. Рассмотрим восстановление вюстита оксидом углеро­да. Равновесная концентрация Np возрастает с понижением температуры. Если принять, что Np связана с х линейно, т. е.

Np = а + <рх,

Где <р — коэффициент пропорциональности, и проинтегриро­вать выражение (122) с учетом (125) для начальных условий * = 0 и Np = а, получим

JL

И

Кривые N’ (рис. 19) имеют асимптоты, соответствующие уравнению

Nac = <рх + а – (<\р/и), ‘ – . (127)

Параллельные равновесной кривой 3, и их положение опреде­ляется величиной критерия и. С его ростом асимптоты приб­лижаются к равновесной линии, но всегда располагаются ни­же последней. В начале происходит интенсивное накопление CO2 в газовом потоке по кривой, вид которой зависит от величины и. На некотором расстоянии х кривая фактически сливается с соответствующей асимптотой, и дальнейшее на­копление CO2 идет линейно, т. е.

ACO2 = N‘p N я (<р/и). (128)

Смещение процесса в сторону потоколимитируемого режима (увеличение и) ведет к уменьшению ACO2, и наоборот. Но всегда фактическая концентрация CO2 ниже равновесной (ACO2 > 0), и газ на всем пути его движения сохраняет определенную восстановительную способностью. Таким обра­зом, в неизотермических условиях восстановления FeO восходящим потоком СО может идти по всей высоте слоя.

3. Неизотермические условия

Для эндотермической реакции (напри­мер, восстановление FeO водородом). С понижением темпера­туры равновесная концентрация H2O N^ падает. Такхсе пред­полагаем линейный закон изменения Np.

N‘p = а — <рх. ‘ (129)

После интегрирования выражения (122) с учетом (129) N’ = -(а + -^-)ехр(-их) – <рх + а + . (130)

Кривые 1 и 2 (рис. 20) имеют экстремальный характер – Уравнение асимптот

Nac = – <рх + а + (<р/и). 96

Р«с. 19. Изменение концентрации CO2 для неизотермических условий и экзотер­мического процесса:

1 — при малой величине и; 2 — при большом значении и; 3 — равновесие; 4 — асимптоты