Реакции протекающие при восстановление железа из руд. Восстановление оксидов железа водородом. Факторы влияющие на процессы восстановления. Способы восстановления.

Восстановление железа. Этот процесс происходит последовательно от высших оксидов к низшим и далее к чистому металлу : Fe₂O₃ – Fe₃O₄ – FeO – Fe
Главными восстановителями железа в доменной печи являются оксид углерода(I) и твердый углерод кокса. Оксид углерода(I) образуется при взаимодействии углекислого газа с раскалённым коксом:
C + CO₂=2CO
Восстановление оксидом углерода называетсякосвенным (непрямым) восстановлением и происходит по реакциям
3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂ + Q;
Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂ - Q;
FeO + CO = Fe + CO₂ + Q.
Восстановление Fe₂O₃ начинается при сравнительно низких температурах (400-500⁰С) в верхней части шахты печи. По мере опускания рудных материалов повышаются температура и содержание СО в доменных газах; при этом создаются условия для окончательного восстановления железа. Эти процессы заканчиваются в нижней части шахты печи при температурах около 900-950⁰ С.
Значение косвенного восстановления очень велико. В зависимости от условий работы печи оксидом углерода СО восстанавливается 60-80% всего железа. Остальная часть железа восстанавливается твердым углеродом.
Восстановление твердым углеродом называетсяпрямым восстановлением. Оно происходит при температурах выше 950-1000⁰ С (зона распара печи) по реакции
FeO + C = Fe + CO – Q.
Следует отметить, что эта реакция отражает лишь конечный результат процесса прямого восстановления, который протекает в две стадии:
FeO + CO = Fe + CO₂ + Q
CO₂ + C = 2CO– Q
FeO + C = Fe + CO₂ – Q
Таким образом, при прямом восстановлении расходуется только углерод кокса, хотя реагентом, взаимодействующим с FeO, является оксид углерода СО. Непосредственное восстановление оксидов железа при контакте с углеродом кокса практически не происходит.
Уже в шахте доменной печи при температурах выше 400-500⁰ С наряду с восстановлением железа происходит и его науглероживание за счет оксида углерода СО по реакции:
3Fe + 2CO = Fe₃ C + CO₂ + Q.
Карбид железа Fe₃С хорошо растворяется в твердом железе и постепенно образуется сплав железа с углеродом. С увеличением содержания углерода температура плавления сплава значительно понижается и достигает минимального значения 1147⁰С при 4,3%. В зонах печи с высокими температурами – обычно в нижней части шахты – начинается плавление сплава. Жидкий сплав – чугун, стекая вниз, омывает куски раскаленного кокса и дополнительно интенсивно науглероживается. В нем также растворяются восстановленный марганец, кремний, сера и другие примеси. Конечный состав чугуна устанавливается в горне. При этом большое значение имеют состав, свойства и количество шлака.

Метод прямого восстановления железа водородом в наши дни, как технологический процесс, остался без изменения – специально подготовленная, то есть обогащенная, руда, - концентрат, где содержится основной окисел железа восстанавливается в шахтной печи с помощью твердого топлива, как это было в древности, или для этой цели используется конвертированный газ – природный метан, но преобразованный в смесь водорода и угарного газа (СО).

3Fe2O3+H2= 2Fe3O4+H 20
Fe3O4+H2=3FeO+H 2O
FeO+H2=Fe+H 2O