Термодинамика восстановления оксидов железа.

Современные представления о процессах доменной плавки

При производстве чугуна протекает большое количество сложных физико-химических, теплотехнических и механических процессов.

Основными физико-химическими процессами можно считать восстановительные процессы, а также процессы образования чугуна и шлака.

Мы уже отмечали, что доменный процесс - это в целом восстановительный процесс. Рассмотрим процессы восстановления железа и других элементов, входящих в состав железорудных материалов.

Восстановление оксидов железа.

Термодинамика восстановления оксидов железа.

Железо образует с кислородом 3 стабильных оксида:

- FeO – вюстит;

- Fe₂O₃ – гематит;

- Fe₃O₄ – магнетит (Чистый магнетит содержит 31% FeO и 69% Fe₂O₃. Поэтому можно встретить следующую химическую формулу магнетита – FeO×Fe₂O₃. Но магнетит имеет собственную кристаллическую решетку типа шпинели, обеспечивающую его магнитные свойства).

Рассмотрим термодинамические области устойчивости оксидов железа. В определенной системе координат они ограничены прямыми линиями, которые характеризуют условия равновесия соответствующих фаз (рис. 2.1‑2).

Прочность оксида определяет химическое сродство элемента к кислороду и характеризуется упругостью диссоциации окисла (парциальное давление кислорода над поверхностью окисла). Чем выше сродство элемента к кислороду, то есть, чем прочен окисел, тем более низкой будет упругость диссоциации окисла. С повышением температуры прочность окислов железа снижается.

При температурах выше 570^ОС прочность оксидов повышается в обычной последовательности от высших к низшим. При температурах ниже 570^ОС прочность FeO становится ниже прочности Fe₃O₄ и FeO распадается на Fe₃O₄ и Fe.

При нормальных условиях в присутствии кислорода (lgp_O2=1,3) устойчивой фазой является оксид 3-х валентного железа. Поэтому железные руды содержат в основном Fe₂O₃.

Восстановителем может быть элемент или соединение, обладающее большим сродством к кислороду, чем элемент, окисел которого восстанавливается. В доменной печи восстановителями являются монооксид углерода и водород, имеющие сравнительно высокое сродство к кислороду.

Процесс восстановления оксидов железа протекает по принципу Байкова от высшего оксида к низшим через все устойчивые окислы, характерные для данных условий:

при t>570: три стадии)

при t<570: две стадии)

В условиях доменной печи восстановление происходит главным образом по первой схеме, так как восстановление магнитита начинается при температурах выше 570^ОС.

Не все железо в доменной печи восстанавливается из свободных окислов. Некоторая часть связана в химические соединения с другими окислами, из которых восстановление затруднено. Иногда железо находится не в виде окислов (например, FeS₂). Однако, в результате превращений в печи оно так или иначе переходит в оксиды, из которых и происходит восстановление.

Основная часть железа восстанавливается из окислов, находящихся в твердом состоянии. Некоторая часть окислов, не успевших восстановиться к началу шлакообразования и плавления шлака, переходит в жидкий шлак, откуда восстановить железо труднее, чем из свободных окислов, т.к. они входят в состав химических соединений с другими оксидами, например, с кремнеземом.

Восстановителем в доменной печи является монооксид углерода, а также водород, имеющийся в доменной печи.