مقاله 37 : احیا

[hamid96]

چکیده:
در اين پژوهش به بررسي پارامترهاي موثر از قبيل دما، زمان و ميزان كربن بر روي فرآيند احيا سنگ آهن و هـمچنين تعيين مكانيزم حاكم بر اين واكنش پرداخته شده است. اين پژوهش در دمـاهاي 800، 850 ، 900و 950 درجـه سانتيگراد وبراي نمونه هايي از مخلوط20 گرمي سنگ آهن با 5، 6و8 گرمي زغال چوب صورت گـرفته و مـيزان پيشروي واكنش در زمانهاي 0،15، 30، 45، 60، 75، 90 و 120 دقيقه بـر مبناي كـاهش وزن ناشي از خـروج اكسيژن مورد بررسي قرار گرفته است .نتایج نشان داد با افزایش دما وکربن درجه احیا افزایش پیداکرد. مکانیزم حاکم براین واکنش نیز از نوع کنترل نفوذی بود.
لغات کلیدی: احیا ، سنگ آهن ، کربن ، درجه احیا ، کوره بلند
مقدمه:
آهنپرمصرفترینفلزیاستکهبشردراعصارمختلفبکاربردهاست. امروزهبرایتولیدآهنوفولادازسنگمعدنآهن،دوروشاصلیکورهبلندوروشهایجدیدومتنوعاحیاءمستقیماستفادهمیگردد. براساسپیشبینیهایبهعملآمدهتاسال 2000 میلادیمیزانتولیدفولادبراساسبرآوردهایخوشبینانه 1700 میلیونتنوبراساسبرآوردمحتاطانه 1200 میلیونتندرسالخواهدبود.براساساینپیشبینینزدیک 60 درصدازکلتولیدفولاددراینسالتوسطروشکوره بلند،نزدیک 35 درصدازکلتولیدتوسطروشهایاحیاءمستقیمصورتخواهدگرفت. میزانمصرفانرژیبرایتولیدیکتنفولادخامدرروشهایمختلفدرجدول ( 1) نشاندادهشدهاست.براساساطلاعاتجدول 1 برایتولیدیکتنفولادازسنگآهنتوسطروشسنتیکورهبلندوکنورتربادمشاکسیژنمقدار 9/19تا2/22 گیگاژولانرژیحرارتیلازماست. همچنینبراساس حرارتتولیدشدهدراثراکسیدشدنکربن،توانائیذوبومصرف 20 تا 27 درصدقراضهوجود دارد. ایندرحالیاستکهمیزانمصرفانرژیدرروشاحیاءمستقیموفولادسازیدرکورههای قوسالکتریکی 9/20 گیگاژولبودهواینروشتواناییوپتانسیلمصرفتا 20 درصدقراضهفلزیرا نیزدارامیباشد.

​

 

[hamid96]

احیا

احیا

عملیات آماده سازی سنگ معدن قبل ازورود به کوره بلند:
در تولید آهن با کوره بلند سنگ معدن آهن با حذف اکسیژن آن ، احیا شده ودر نتیجه آهن مذاب به دست می آید . گندله سازی معمول ترین روش آماده سازی سنگ معدن آهن برای کوره های بلند است . فرآیندهای آگلومراسیون از قبیل گندله سازی، ذرات زمخت را به اندازه های مناسب برای ورود به کوره بلند تبدیل می کند .در گندله سازی ، یک گندله خام از کنستانتره سنگ معدن آهن که با ترکیبات پیونددهنده های مخلوط شده ، تشکیل شده است. گندله های خام سپس با عملیات گرمایشی در یک کوره اکسید کننده سخت می شوند. بخش های اصلی گندله سازی ، شبکه فلزی حمل ، کوره محوری ، شبکه فلزی وشبکه مدور می باشد.
گندله سازی معمولادر محل معدن انجام می شود وسپس به واحد تولید فولاد حمل شده وبه همراه کک ، فلاکس وکلوخه به داخل کوره بلند شارژ می شود. علاوه بر گندله سازی ، فرآیندآگلومراسیون دیگر برای آماده سازی سنگ آهن جهت شارژبه کوره بلند ، کلوخه سازی می باشد.
واکنشهای شیمیایی که در کوره بلند رخ می دهد ، می توان آن را به سه منطقه بصورت زیر تقسیم کرد:
1ـ منطقه بالایی کوره بلند یا ناحیه پیشگرم یا منطقه آماده سازی
2ـ منطقه میانی یا احیاء غیر مستقیم
3ـ منطقه پایین یا فرآوری یا ذوب یا منطقه احیاء مستقیم
- واکنشهای منطقه بالایی کوره بلند(پیشگرم):
در این منطقه ، در محدوده ای به طول 6 ـ 4 متر از سطح بار ، مواد ورودی به سرعت از دمای محیط به دمای 800 درجه سانتیگراد می رسد و گازهایی که از ناحیه میانی کوره بلند بطرف بالا حرکت می کنند با از دست دادن گرمای خود ، از دمای 900 درجه سانتیگراد به دمای 200 ـ 100 می رسند تا از کوره بلند خارج شوند. مهمترین واکنش های انجام شده در این منطقه عبارتند از :
1ـ تجزیه کربنات های فلزی (غیر از کربنات سدیم)
2ـ تبخیر رطوبت و آب مولکولی بار ورودی
3ـ واکنش رسوب کربن
4ـ احیاء کامل یا جزئی هماتیت و مگنتیت
اکسیدهای آهن موجود در مواد ورودی به کوره بلند از دماهای 925 درجه سانتیگراد توسط گازهای احیاکننده شروع به احیا شدن می کنند از آنجایی که پتانسیل احیایی گاز در بالای کوره بلند به اندازه کافی است ، هماتیت (Fe2O3)از همان زمانی که بار وارد کوره بلند شده می تواند احیاء شود. درصد احیاء هماتیت ، تابع اندازه ذرات ، طبیعت کانه و شدت فلوی گاز احیا کننده است . مگنتیت عمدتاً در محدوده دمایی 900ـ700
درجه سانتیگراد به وستیت (Fe1-xO) احیاء می شود واکنشهای احیاء در این ناحیه بصورت غیر مستقیم(احیاء با گاز منواکسید کربن) است:

3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2​

​

Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2​

​

- واکنشهای منطقی میانی (منطقه احیاء غیر مستقیم):
این منطقه ، از 4 تا 6 متر زیر سطح بار تا 5ـ3 متر بالای سطح لوله های دمنده هوای گرم امتداد دارد. محدوده دمایی این منطقه ، 1000ـ800 درجه سانتیگراد است. این ناحیه در حدود 60ـ50 درصد ارتفاع تنوره کوره بلند را تشکیل می دهد(حدود 75 درصد حجم تنوره). مدت زمان عبور بار از این ناحیه ، در حدود 5/2 تا 3 ساعت است.
در این ناحیه ، احیاء مگنتیت به وستیت کامل شده و احیاء غیر مستقیم وستیت که حاصل احیاء هماتیت و مگنتیت در ناحیه بالایی است انجام می شود. احیاء غیر مستقیم تمام اکسیدهای آهن در دمای کمتر از 1000 درجه سانتیگراد و برای وستیت در محدوده دمایی 1000ـ800 درجه سانتیگراد رخ می دهد. این منطقه یک ناحیه غیر فعال از نظر شیمیایی است زیرا ترکیب شیمیایی گاز احیاء کننده تغییر محسوس نمی کند. بهره شیمیایی گاز منو اکسید کربن در این ناحیه برای وستیت، 30ـ25 درصد است. اگرچه انتظار است که سرعت واکنش احیاء وستیت در این منطقه زیاد باشد ، اما در واقع به دلیل نزدیک بودن ترکیب شیمیایی گاز احیاء کننده ناحیه میانی با ترکیب شیمیایی تعادلی ، سرعت احیاء کند است و عملاً احیاء وستیت در قسمتهای پایین تر کوره بلند(ناحیه احیاء مستقیم و ذوب) کامل می شود.

FeO + CO = Fe + CO2​

​

- واکنش احیاء مستقیم و غیر مستقیم:
اهمیت ناحیه میانی یا ناحیه احیاء غیر مستقیم در کوره بلند با دانستن نقش احیاء مستقیم یا غیر مستقیم بر روی بازدهی سوخت مشخص می شود. بطور کلی احیاء با گاز CO را احیاء گازی یا احیاء غیر مستقیم می نامند.
به عبارت دیگر ، چنانچه اکسیدهای آهن توسط گاز منواکسید کربن احیاء شده و گاز دی اکسید کربن حاصل بدون انجام واکنشی از کوره بلند خارج شود ، این واکنش را احیاء غیر مستقیم می نامند. در حالیکه در دماهای بالاتر ، به خصوص هنگامیکه اکسیدهای آهن به صورت مذاب هستند، کربن ممکن است مستقیماً با آنها واکنش داده و گاز منواکسیدکربن تولید کند. احیاء با کربن را که واکنشی گرماگیر است احیاء مستقیم می نامند. احیاء غیر مستقیم اکسیدهای آهن یک واکنش گرمازا می باشد( بجز احیاء وستیت به آهن) در حالیکه احیاء مستقیم گرماگیر می باشد. هرچه احیاء غیر مستقیم بیشتر باشد ، انرژی گرمایی کمتری در کوره مصرف شده در نتیجه این نوع احیاء ترجیح داده می شود. اما واکنش احیاء غیر مستقیم تابع تعادل ترمودینامیکی سیستم است. با افزایش مقدار گازهای احیا کننده می توان درصد واکنش احیاء غیر مستقیم را افزایش داد. چنانچه برای این کار لازم باشد کک بیشتری در پایین کوره بلند بسوزد ، این کار اقتصادی نمی باشد. با تزریق سوختهای هیدروکربنی و یا بخار آب به کوره بلند ، می توان درصد احیاء غیر مستقیم را افزایش داد.

 

[hamid96]

احیا

احیا

قابليت احيا پذيري سنگ آهن بستگي به عوامل متعددی دارد كه در بين آنها نوع كاني، ابعاد، مقدار تخلخل و غيره مهم تر مي باشد. عامل بعدي در قابليت احيا پذيري تخلخل مي باشد. معمولا كلوخه ها تخلخلي در حدود30 تا 35 در صدو گندله ها تخلخلي حدود 25 تا 30 در صد دارا هستند. سرانجام ابعاد نيز اثر مستقيم در احيا پذيري دارد و هر قدر كاني داراي خاصيت احيا پذيري بيشتري باشد ابعاد بزرگتري از سنگ معدني حاوي آن را مي توان به كوره بارگيري كرد. مثلا در مورد سيدريت و ليمونيت سنگ هاي با ابعاد بزرگتر از 50 ميليمتر را مي توان به صورت مستقيم به كوره بارگيري كرد. در مورد هماتيت ابعاد سنگ بايد در حدود 35 تا 50 ميليمتر باشد و در مورد كاني مگنتيت كه داراي خاصيت احيا پذيري كمتري است حداكثر ابعاد آن به حدود 30 ميليمتر محدود مي شود. بايد توجه داشت كه دانه هاي كوچكتر از حدود 10 ميليمتر نيز براي كوره بلند به علت ايجاد مشكل در توزيع گازهاي صعودي مناسب نيست و بايد اين ذرات از بار جدا شوند. در مورد مخلوط بار كلوخه و گندله با آنكه كلوخه داراي تخلخل بيشتري نسبت به گندله مي باشد، ولي به علت آنكه دانه هاي گندله از نظر ابعاد منظم تر هستند خاصيت احيا پذيري و كارآيي گندله بهتر مي باشد.
فرآيندهايي كه در طي آن احيا توسط گاز و در حالت جامد انجام مي شود و محصول نيز به صورت جامد است را فرآيندهاي احيا مستقيم و واكنشهايي كه احيا مستقيما با كربن انجام مي شود را واكنشهاي احيا مستقيم گويند.
واكنشهاي احيا مستقيم عموما گرما گير هستند و در قسمت پايين كوره بلند انجام مي شوند. واكنش احيا مستقيم با كربن را كربوترمي گويند می دانیم كه احيا در يك مرحله انجام نمي گيرد. در دماي 570 درجه سانتيگراد ابتدا هماتيت به مگنتيت ثانويه و سپس به وستيت و سرانجام وستيت به آهن تبديل مي شود.
خاصيت احيا پذيري سنگها نه تنها به نوع و شكل اكسيدي كاني آهن بستگي دارد بلكه به شبكه بلوري آنها نيز وابسته است. به طور كلي بلورهاي كامل خاصيت احيا پذيري كمتري دارند. وجود فضاهاي خالي، كمبود اتم ها و نابجايي ها در شبكه بلوري خاصيت احيا شوندگي را افزايش مي دهند. سرانجام سطوح صاف خاصيت احيا شوندگي كمتري را دارا مي باشند.

 

[hamid96]

آزمایش:
- مواد لازم:
سنگ آهن ، زغال چوب ، پودر آلومین
- وسایل مورد نیاز:
1)کروزه سرامیکی2)ترازوی sartorius بادقت اندازه گیری 0.01گرم3)کوره exitionمدل atash 1500
4)انبر

-روش انجام آزمایش :
ابتدا سه نمونه با نسبت های زیر از مخلوط کردن سنگ آهن با زغال چوب تهیه شد:
1) 20 گرم سنگ آهن+5 گرم زغال چوب
2) 20 گرم سنگ آهن+6 گرم زغال چوب
3) 20 گرم سنگ آهن+8 گرم زغال چوب
سپس از هر یک از نمونه ها چهار نمونه3 گرمی با دقت0.01گرم وزن ودر کروزه هایی که با همین دقت وزن شده بودند ریخته شد ند و روی نمونه ها درون کروزه ها با یک لایه از آلومین برای قطع تماس نمونه ها با هوا پوشانده شد وبه ترتیب در کوره هایی با دماهای 800 ، 850 ، 900 و 950 درجه سانتیگرادقرار داده شدند و هر 15 دقیقه نمونه هااز کوره خارج وبا دقت 0.01گرم تا زمان120دقیقه وزن شدند. . سپس با توجه به داده های به دست آمده نمودارهای a-t ،g-t وLnk-1/T رسم شدند واز روی نمودار آخر مقدار (-e/R) وبا توجه به آن مقدار E نیز به دست آورده شد.
همزمان آنالیز زغال نیز مورد بررسی قرار گرفت که در قسمت نتایج بیان شد.
- محاسبات:
محاسبه درجه احیاß

a=Δw'/ (W0×(x/y) ×0.95×0.3)​

​

Δw': کاهش وزن ناشی از خروج کربن واکسیژنکه از فرمول زیر محاسبه شد:

W'= (W0 –Wt ) – (3× (m/n) ×z)Δ​

​

W0: وزن اولیه نمونه =3گرم Wt: وزن لحظه ای نمونه
x : وزن سنگ آهن در نمونه y : وزن سنگ آهن + زغال 0.95: در صد خلوص آهن
m : وزن زغال در نمونه n : وزن زغال + سنگ آهن z : درصد مواد فرار
محاسبه g ß

مکانیزم کنترل شمیایی – کروی ​

​

مکانیزم کنترل شمیایی – استوانه ای

​

​

مکانیزم کنترل نفوذی ​

​

​

​

مکانیزم کنترل شیمیایی و شکل هندسی ذره تاثیری ندارد

​

​

​

​

​

​

​

​

​

​

​

​

نتایج:
به دلیل زیاد بودن جداول از آوردن جداول خوداری شد ونمودارها به طور کامل ارایه شد.

​

​

​

نمودار1​

​

​

​

​

نمودار2​

​

نمودار3​

با توجه به نمودارهای 1 ، 2 و 3 نتیجه گیری شد که در دماهای زیر 900(800و850)درجه سانتیگراد نمودارa-tخطی تر بود واحیا بهتر انجام می گرفت پس می توان گفت لزوما دماهای بالا باعث بهتر شدن احیا نمی شوند وعوامل دیگری نیز در این مورد نقش دارند.

نمودار4 نمودار5

نمودار6 نمودار7
با توجه به نمودارهای4تا 7 نتیجه شد که در یک دمای ثابت با افزایش میزان کربن در نسبت کربن به اکسید آهن درجه احیا نیز افزایش می یافت که می شد بهترین شرایط که تقریبا برای هر سه نسبت خطی بود در دمای 850درجه سانتیگراد مشاهده شد.




نمودار8 نمودار9


نمودار10 نمودار11
با توجه به نمودارهای 8 تا 11 استنباط شد در یک زمان ثابت با افزایش دما درجه احیا افزایش می یافت که این افزایش در زمان های بالاتر بیشتر بود.

نمودار12 نمودار13

نمودار14 نمودار15

نمودار16 نمودار17




نمودار18 نمودار19

نمودار20 نمودار21


نمودار22 نمودار23
با توجه به نمودارهای12 تا 23 مشخص شد که g3 نسبت به سایر gها خطی تر بود درنتیجه مکانیزم حاکم بر این فرآیند مکانیزم کنترل نفوذی بود . همچنین مشخص شد که با تغییر دما و نسبت کربن به اکسید آهن نیز مکانیزم تغییر نکرد ودر این آزمایش مکانیزم به دما و نسبت کربن به اکسید آهن وابسته نبود.

​

نمودار24 نمودار25

نمودار26

با توجه به نمودار 24 انرژی اکتیواسیون برای نسبت کربن به اکسید آهن به شکل زیر محاسبه شد:

Lnk=Lnk'-(E/RT)​

​

E/R) = -14630.9091 ==> E= 121641.3783 J = 29071.6164 cal)-​

​

معادله خط نیز به شکل زیر محاسبه شد:

y = - 14630.9091x +5.4608​

​

با توجه به نمودار 25 انرژی اکتیواسیون برای نسبت کربن به اکسید آهن به شکل زیر محاسبه شد:

E/R) = -2615.4545 ==> E= 21744.8887 J = 5196.9081 cal)-​

​

معادله خط نیز به شکل رو به رو محاسبه شد: y = -2615.4545x -4.9923​

​

​

با توجه به نمودار 26 انرژی اکتیواسیون برای نسبت کربن به اکسید آهن به شکل زیر محاسبه شد:

E/R) = -24962.5 ==> E= 207538.225 J = 49600.4875cal)-​

​

معادله خط نیز به شکل رو به رو محاسبه شد: y = -24962.5x +1509625​

​

آنالیز زغال: (1)درصد مواد فرار=23% ( 2) درصد خاکستر=2% (3)درصد رطوبت=0
عوامل خطا:
1) خطای شخص (در محاسبه زمان ، خواندن اعداد و...)
2)خطای دستگاه ها (مانند ترازو)
3)استفاده از نمونه هاي غيرهم اندازه
4)تاخير در وزن كردن نمونه ها
5)چسبيدن مواد نسوز كف كوره به كروزه و اختلاف وزن ناشي از آن
6)عدم در نظر گرفتن اكسيداسيون كربن با اكسيژن
7)صرفه نظر از ميزان احيا توسط گاز CO توليد شده در حين آزمايش
8)وجود فضاي احيايي درون كوره در صورت عدم جذب گازهاي توليدي
نتیجه گیری کلی:
1)با افزایش دما درجه احیا افزایش می یافتالبته باید گفت طبق مراجع نمی توان با قاطعیت این را بیان کرد چون درجه احیابه عوامل دیگری نیز وابسته است.
2)با افزایش میزان کربن در نمونه درجه احیا افزایش یافت.
3) مکانیزم حاکم براین فرآیند g3یعنی کنترل نفوذی بود.
تشکر وقدر دانی:
با تشکر از دکتر ابراهیمی و تمامی کسانی که در راه پیشرفت علم تلاش می کنند.
مراجع:
1)سعیدی ، ع –ستوده ، ن ، تولید آهن ، جهاددانشگاهی واحد صنعتی اصفهان ،1385
2)توحیدی ، ن ، احیای مستقیم (جلد اول) ، انتشارات دانشگاه تهران ، 1381
3)سایت اینترنتی www.edris.mihanblog.com
پیوست ها:
چند مقاله با موضوع احیا به این مقاله پیوست شد.

 

[hamid96]

نمودارهای آزمایش احیا

 

[amir_65_b]

با تشکر فراوان ، مقاله ارزشمندو مورد نیازم بود