МЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА – Часть 20

Реакция (33) является удобной схемой для объяснения механизма прямого восстановления. Действительно, трудно представить протекание суммарной реакции прямого восста­новления в изображенном виде. В этом случае (реакция в твердой фазе) следовало бы считаться с невозможностью протекания реакции в большем объеме из-за малой протяжен­ности контактных поверхностей оксидов железа и углерода. В действительности же эта реакция при высоких температу­рах проявляется достаточно сильно, что свидетельствует о том, что кислород от оксида отделяется газом (СО или H2).

Однако механизм прямого восстановления в достаточной мере еще не расшифрован. Обычно принимают (в согласии с экспериментальными данными), что косвенное восстановление соответствует умеренным температурам (до 900-1000 °С), а прямое – высоким.

Выше рассмотрены особенности прямого восстановления при отсутствии твердых растворов. Появление твердых раст­воров изменяет реакцию (30) в том смысле, что частично вместо чистого углерода появляется связанный или раство­ренный в железе углерод. В выражении для определения константы равновесия

(34)

Величина а уже не будет равна единице, как принимают для

Реакции (30), так как активность растворенного углерода не равна единице и зависит (при небольших давлениях) от температуры и концентрации углерода в железе. Если а^ < 1

(углерод, растворенный в железе), то при равных давлениях и температуре газовая фаза содержит меньше СО, чем по реакции 2СО = C + CO2. Иначе говоря, линии равновесия в этом случае будут располагаться на графике правее и ниже по сравнению с линией, соответствующей реакции газифика­ции чистого графита (рис. 7).

Если образуется карбид Fe3C, то активность углерода в нем больше, чем у графита, что также вызывает смещение линий равновесного состава газа, на этот раз влево и вверх. Таким образом, для определения газовой фазы, рав­новесной к растворам углерода в железе, необходимо знать зависимость а от концентрации углерода в железе и от

0,5 0,3 0,1 0,02 0,01°/оС

400 600 600 1000 1200 WO 1600 t,°C Рве. 7. Полная диаграмма равновесия систем Fe—О—СО и C-CO-CO2

44

Температуры. Активность углерода в у-железе определяется выражением

«С – Va – 5V

Где Nq – молярная концентрация углерода, доли единицы.

На рис. 7 изображена полная диаграмма восстановления оксидов железа в присутствии твердого углерода, учитываю­щая твердые и жидкие растворы.

(35)

В шихтовых материалах оксиды железа могут находиться в виде сложных соединений и твердых растворов. Вюстит может образовывать твердые растворы с MnO, MgO и CaO. Так, при IlOO0C CaO максимально растворяет 15% FeO, а вюстит 28% CaO. Оксид железа Fe3O4 образует твердые растворы с кубическими шпинелями (например, с Mn3O4). До 5 % оксида хрома растворяется в вюстите при 1350 0C и образует с вюститом соединение FeCr2O4, которое в свою очередь обра­зует непрерывный ряд твердых растворов с магнетитом.