МЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА – Часть 19

(26)

(27)

(28)

(29)

Приведенные данные относятся к идеальным системам. В реальных условиях воздействие неучитываемых факторов (об­разование твердых растворов и др.) меняет приведенные данные. Так, положение линий равновесия восстановления вюстита FewO меняется в зависимости от доли вакансий ионов железа у в решетке вюстита при восстановлении водо­родом (рис. 5). Восстановление оксидов железа твердым углеродом возможно по следующим реакциям:

3Fe203 + C = 2Fe304 + СО – 129,07 МДж; Fe3O4 + C = 3FeO + СО – 187,28 МДж; FeO + С = Fe + СО – 152,67 МДж.

Для реакции (28) Ig Kp = (-7730/Г) + 7,84.

Суммарный отрицательный тепловой эффект 4240 кДж/кг железа.

В присутствии твердого углерода при анализе восстанов­ления оксидов железа следует учитывать равновесие в сис­теме C-CO – CO2:

CO2 + С – 2СО – 166,32 МДж.

Реакция (30), которую называют реакцией газификации углерода или реакцией Белла-Будуара, зависит от давления.

Рис. 5. Равновесие Fe-O-H2 с учетом нестехиометричности нюстита

Рже. 6. Равновесие в системе С-СО-СО, при давлении. кПа: 1 – 50; 2 – 100; 3 – 150

При повышении давления равновесие сдвигается влево. На рис. 6 дана диаграмма равновесных линий реакции (30). Реакция (30) является обратимой. Левее равновесной кривой реакция идет в направлении распада оксида углерода, т. е.

2СО = CO2 + С + 166,32 МДж, (31)

(30)

Правее— в направлении его образования:

CO2 + C = 2СО – 166,32 МДж. (32)

Поскольку реакция зависит от давления, на рис. 6 дана не одна линия равновесного состава газа, а семейство ли­ний. Прямая реакция (30) протекает при высоких температу­рах, поэтому она отличается высокой скоростью и быстротой достижения равновесия. Реакция распада оксида углерода протекает медленно, для достижения равновесия необходимо длительное время. Несколько ускоряет (как катализатор) эту реакцию свежевосстановленное железо. Газ в печи пре­бывает 3—15 с. Такого времени достаточно для достижения равновесия в области высоких температур и недостаточно для достижения равновесия в низкотемпературной области. Поэтому газ в области высоких температур почти целиком 42 состоит из COt а газ, покидающий шахтную печь для метал­лизации, имеет 15-16% CO2 и 19-20% СО или в пересчете на сумму СО+ CO2 40-45% CO2 и 55-60% СО, что значи­тельно отличается от равновесных данных. При высоких тем­пературах газ содержит малое количество CO2, так как ско­рость реакции СОг + С = 2СО велика. В связи с этим реак­ция восстановления при наличии твердого восстановителя и высоких температурах протекает с затратой твердого угле­рода, а продуктом восстановления является оксид углерода. Отсюда реакцию восстановления можно записать следующим образом:

FeO + СО = Fe + CO2; CO2 + C = 2 СО

4 ¦ • * а „ –

FeO + С = Fe + СО. (33)

Исходя из вида газообразного продукта восстановления, по аналогии с доменной плавкой различают прямое и непрямое (косвенное) восстановление. Восстановление, в ходе которого продуктом является СО, называют прямым, а то, в ходе которого образуются CO2 или H2O, называют косвенным. С этой точки зрения реакцию CO2 + C = 2С0 мож­но также рассматривать как прямое восстановление (если углекислота не является продуктом диссоциации карбона­тов).