Понятие прямого и косвенного восстановления

В зависимости от вида газообразного продукта плавки - СО или СО₂ принято различать непрямое (косвенное) и прямое восстановление. Уравнение (6) соответствует процессу прямого восстановления железа, уравнения (1-4) – косвенному восстановлению железа.

Прямое восстановление нельзя рассматривать как непосредственное взаимодействие окислов железа с углеродом кокса. Из-за малой поверхности контакта этих твердых фаз непосредственное их взаимодействие не может получить заметного развития. Поверхность контакта несколько увеличивается с переходом окислов в жидкое состояние, однако она и в этом случае будет значительно меньше, чем при взаимодействии твердых окислов с газообразным восстановителем. Фактически прямое восстановление оксида железа углеродом идет в две стадии: восстановление окисью углерода с образованием углекислоты (реакция 4) и разложение углекислоты углеродом (реакция 5).

Таким образом, посредником при передаче кислорода железа углероду кокса является монооксид углерода. Окись углерода, образующаяся при горении кокса, поднимаясь вверх, омывает куски руды. При этом взаимодействует с оксидом железа с образование углекислого газа. Углекислый газ, в свою очередь, омывая вышележащие куски кокса, взаимодействует с углеродом кокса и вновь превращается в СО.

Это происходит до тех пор пока газ не достигнет температур при которых скорость реакции прямого восстановления будет низка и СО₂ будет проходить с газом через верхнюю часть печи. Начиная с этих горизонтов, в газе будет накапливаться СО.

В процессе прямого и косвенного восстановления железо в доменных печах почти полностью восстанавливается (99,5…99,8%) и только малая часть не восстановленной закиси железа переходит в доменный шлак. Содержание закиси железа в шлаке не превышает 0,5%.

Так как реакции косвенного и прямого восстановления имеют разные температурные интервалы, доменную печь можно разделить на две зоны - верхнюю (низкотемпературную), где протекают процессы косвенного восстановления (все реакции идут с незначительным “+” или “-“ тепловым эффектом, то есть с незначительными затратами или выделением тепла, поэтому восстановление по этим реакциям начинается при температурах 250…400 ^oC) и нижнюю (высокотемпературную). Здесь преимущественно протекают процессы прямого восстановления.

Сравнивая процессы прямого и косвенного восстановления, следует обратить внимание на следующее:

- Реакции косвенного восстановления идут с выделением тепла, но требуют избыточного количества восстановителя. Тепло, выделившееся при сжигании требуемого количества углерода, не может быть полностью использовано в печи и приводит к созданию области высоких температур в нижней зоне печи.

- Реакция прямого восстановления идет с существенными затратами тепла. Кроме того, в процессе прямого восстановления непосредственно расходуется углерод кокса. При прямом восстановлении образуется окись углерода, которая может быть использована для процессов косвенного восстановления.

По указанным причинам выплавка чугуна при большем развитии прямого восстановления сопряжена с большим удельным расходом кокса.

Соотношение между развитием процессов прямого и косвенного восстановления должно быть таким, чтобы выделившегося при сгорании углерода тепла было достаточно, но без избытка, для покрытия всех тепловых потребностей процесса. Образовавшегося при этом монооксида углерода должно быть достаточно, но без избытка, для протекания косвенного восстановления. При этом мы будем иметь минимальный расход кокса.