Гришин Олександр Михайлович. Інтенсифікація та механізм твердофазного відновлення оксидів заліза в умовах хіміко-каталітичної дії

brief description

Гришин Олександр Михайлович. Інтенсифікація та механізм твердофазного відновлення оксидів заліза в умовах хіміко-каталітичної дії: дис... канд. техн. наук: 05.16.02 / Національна металургійна академія України. - Д., 2004

Гришин О.М. Інтенсифікація і механізм твердофазного відновлення оксидів заліза в умовах хіміко-каталітичної дії. Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.16.02 «Металургія чорних металів». Національна металургійна академія України.
Дніпропетровськ. 2004 р.
Дисертаційна робота присвячена експериментальному і теоретичному дослідженню можливостей інтенсифікації твердофазного відновлення заліза з рудних матеріалів газами і вуглецем роздільно і у комплексі шляхом хіміко-каталітичної дії на реагуючу систему. Розглянуті питання розробки механізму адсорбційно-хімічних взаємодій реакційноспроможних газів з оксидною і вуглецевою фазами і механізму впливу каталізаторів на розвиток цих взаємодій.
Вперше виконано комплекс досліджень різних видів адсорбції СО, СО2, Н2, Н2О на поверхні Fe2O3і Fe3O4; визначена швидкість поверхневих реакцій відновлення їх СО і Н2. Встановлено характер електронних взаємодій адсорбованих газових молекул з оксидними фазами.
Вивчені інтенсифікуючі можливості малих добавок у шихту солей лужних металів при відновленні оксидів заліза газами. Вперше визначений вплив цих каталітичних добавок на різні види адсорбції газоподібних учасників процесу на поверхні Fe2O3і Fe3O4і на швидкість поверхневих реакцій відновлення. Розвинені уявлення про механізм каталітичної дії солей лужних металів у реакціях газового відновлення оксидів заліза. Запропоновані схеми впливу добавок на структурну дефектність і електронний стан оксидних фаз.
Вивчена кінетика газифікації різних форм вуглецю СО2і Н2О у відсутності каталітичних добавок і в разі їх введення в шихту. Вперше виміряні різні види адсорбції СО2і Н2О на поверхні зразків Ств.. Поглиблені уявлення про механізм інтенсифікуючої дії каталізаторів у процесі окислювальної газифікації вуглецю.
Досліджена кінетика відновлення оксидів заліза вуглецем самостійно і у комплексі з газами без участі каталітичних добавок і в присутності їх. Встановлена інтенсифікуюча дія випробуваних добавок, а також металевого заліза, що з'являється. Показані значні швидкісні переваги комплексного відновлення в потоці газів, багатих Н2.
На основі виконаних досліджень розроблені рекомендації по вдосконаленню технології отримання залізного порошку методом комплексного відновлення. Запропоновані рекомендації пройшли успішні промислові випробування в умовах Казенного заводу порошкової металургії м. Бровари.

1. Відновлення залізорудних матеріалів при помірних температурах, що виключають розплавлювання шихти, забезпечує можливість створення енергозберігаючих технологій, але одночасно вимагає вживання заходів по інтенсифікації процесу. Ефективним способом такої інтенсифікації можуть служити хіміко-каталітичні впливи на реагуючу систему. В умовах твердофазного відновлення оксидів заліза провідна роль належить гетерогенним реакціям, швидкість яких у великій мері визначається розвитком адсорбційно-хімічних взаємодій у системі «тверде тіло газ». Однак ці взаємодії вивчені недостатньо, а про розвиток їх у присутності каталізаторів відомості в технічній літературі взагалі відсутні.
2. З застосуванням методів газової хроматографії в роботі вперше здійснений комплекс досліджень різних видів адсорбції (сумарної, оборотної і необоротної) моно- і диоксида вуглецю, водню і водяної пари на поверхні гематиту і магнетиту. Імпульсним хроматографічним методом визначена швидкість поверхневих реакцій відновлення оксидів заліза монооксидом вуглецю і воднем. Шляхом виміру електропровідності в атмосфері аргону і реакційноздатних газів встановлено характер електронних взаємодій адсорбованих газових молекул з оксидними фазами.
3. Поглиблено уявлення про роль адсорбційно-хімічних процесів і причинах розходжень у співвідношенні швидкостей відновлення оксидів заліза Н2і СО в області низьких і підвищених температур, що спираються на сучасну дифузійно-хімічну теорію твердофазного відновлення оксидів металів газами.
4. Здійснено інтенсифікацію відновлення оксидів заліза шляхом введення в шихту малих добавок солей лужних металів. Уперше встановлений вплив цих каталітичних добавок на різні види адсорбції всіх газоподібних учасників відновлення на поверхні Fe2O3і Fe3O4і швидкість поверхневих реакцій відновлення. Дослідження показали, що випробувані каталізатори підсилюють донорну адсорбцію Н2, СО і знижують акцепторну адсорбцію Н2О, СО2на поверхні обох оксидних фаз.
5. Одержали подальший розвиток уявлення про механізм каталітичної дії солей лужних металів у гетерогенних реакціях газового відновлення залізорудних матеріалів, які засновані на сучасних уявленнях фізики твердого тіла, теорії адсорбції і каталізу на оксидах-напівпровідниках, до числа яких належать оксиди заліза. Запропоновано оригінальні схеми впливу інтенсифікуючих добавок на електронний стан і структурну дефектність оксидних фаз.
6. Досліджено кінетичні закономірності вуглецевотермічного відновлення оксидів заліза й особливості розвитку ланки газифікації твердого вуглецю на різних етапах процесу. Виявлено каталітичний ефект появи металевого заліза при взаємодії СО2як з низько-, так і з високореакційними формами Ств. Поглиблено існуючі уявлення про механізм каталітичної дії металевої фази, яка зв'язана з розчиненням атомів Fe у кристалічних ґратках вуглецю, а також з переносом атомів кисню с поверхні Feметна поверхню Ствіз розчиненням їх у ґратках останнього.
7. Підтверджено інтенсифікуючу дію малих добавок солей лужних металів при відновленні оксидів заліза вуглецем самостійно й у комплексі з газами. Установлено значні кінетичні переваги комплексного відновлення залізорудних матеріалів у потоці газів, багатих воднем. Так, заміна СО сумішшю типу продуктів парової конверсії природного газу з одночасним введенням у шихту 1% Na2CO3дозволила скоротити вдвічі при 1000С тривалість повної металізації прокатної окалини в процесі за участю деревного вугілля.
8. Вивчено кінетику газифікації різних форм твердого вуглецю його диоксидом і водяними парами під час відсутності каталітичних добавок і у випадку введення їх у шихту, що забезпечило значну інтенсифікацію процесу. Встановлено швидкісні переваги окислювальної газифікації Ствводяними парами перед реакцією в потоці СО2.
9. Вперше виміряні різні види адсорбції СО2і Н2О на поверхні зразків низько- і високореакційного вуглецю, не промотованих добавкою каталізатора й у його присутності. Встановлено, що адсорбція Н2О перевершує адсорбцію СО2і обидві величинизростають при введенні в шихту малих кількостей солей лужних металів. Поглиблені уявлення про механізм інтенсифікуючої дії каталізаторів, що пов'язане з розчиненням чужорідних часток у кристалічних ґратках Ств. Це приводить до ослаблення й обриву частини міжвуглецевих зв'язків, росту адсорбційної здатності вуглецю і полегшує виділення в газову фазу СО за рахунок руйнування поверхневих кето-комплексів.
10. На основі проведених досліджень розроблені рекомендації з удосконалення технології одержання залізних порошків методом комплексного відновлення в умовах Казенного заводу порошкової металургії м. Бровари. Запропонована технологія пройшла успішне промислове випробування в цеху № 1 заводу і показала значне прискорення процесу відновлення, що дозволило підвищити продуктивність установки, оптимізувати тепловий і газовий режими її роботи.