МЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА – Часть 21

(36)

(37)

(38)

(39)

В виде химических соединений оксиды железа присутст­вуют в соединениях с известью (ферриты кальция и магния) и кремнеземом (фаялит, оливины и др.). В общем случае активности оксидов железа в соединениях и растворах сни­жаются, и в равновесной газовой смеси должна расти доля восстановителя (СО и H2). Восстановление силикатов железа оксидов углерода при низких температурах практически не идет, т. е.

Fe2SiO4 + 2 СО = 2Fe + SiO2 + 2С02; Ig Kp = (-65/Г) – 1,55(298+900 К); Ig Kp = (-510/Г) – 2,01(900+1478 К).

Силикаты железа восстанавливаются в основном прямым путем:

Fe2SiO4 + 2С = 2Fe + SiO2 + 2СО.

(40) 45

Для восстановления твердого силиката

Ig Kp = (-17900/Г) + 16,88; ‘,Jt

Для восстановления жидкого силиката

Ig Kp = (-14700/Г) + 14,45. (41)

При восстановлении силикатов железа в области высоких температур возможна следующая схема: . –

Fe2SiO4 = 2FeO + SiO2 – 47,46 МДж;

2FeO + 2СО = 2Fe + 2СОг + 27,30 МДж; t

2С02 + 2С = 4СО – 332,64 МДж;

———————————————– , ,(42)

Fe2SiO4 + 2С = 2Fe + SiO2 + 2СО – 352,80 МДж

Или 3150 кДж/кг железа. В случае прямого восстановления вюстита расходуется 2730 кДж/кг железа. Таким образом, восстановление силикатов железа требует дополнительного расхода горючего на компенсацию отрицательного теплового эффекта реакции и проведение процесса восстановления. При плавке на основных шлаках

Fe2SiO4 + 2СаО + 2С = Ca2SiO4 + 2Fe + 2С0 – 197,32 МДж.

(43)

Присутствие извести значительно улучшает условия восстановления силикатов.

Особенности восстановления оксидов при

Наличии растворов k ^ ‘

Восстановление оксидов, находящихся в растворе

Рассмотрим восстановление оксидов на примере FeO, растворенного в железе. Непрямое восстановление происхо­дит следующим образом:

[FeOL + СО = Fera + CO2. ; ^ Л j-«.,. г (44)

Fe

Система трехкомпонентна. Если раствор не насыщен, то число фаз равно 2 (раствор и газ), а число степеней сво­боды 3. В насыщенных растворах добавляется оксидная фаза, 46 находящаяся в равновесии с раствором, и система становит­ся двухварианткой. Из параметров, влияющих на положение равновесия, необходимо исключить давление, так как прев­ращение протекает без изменения объема. Следовательно, в ненасыщенных растворах равновесный состав газа опреде­ляется двумя величинами: температурой и концентрацией, а в насыщенных так же, как при отсутствии растворов — толь­ко температурой:

= Vco/Wco = flFec0^flFeOc0′ ^

Где и а — активности железа и его оксида: COj и

Fe FeO

СО’— равновесные концентрации CO2 и СО при восстановле­нии раствора.

Если а = 1, а а „ = г X где г – коэффи – Fe ‘ FeO FeO FeO’ FeO ^

Циент активности вюстита; ЛГ — мольная доля вюстита в

FeO

Растворе, а К’= COjCO (для восстановления чистых фаз), получим

CO’JCO’ = (C02/CO)rFe0tfFe0. (46)

Отсюда следует, что в ненасыщенных растворах 0VpeO < 1) равновесный газ беднее CO2 и богаче СО, чем

При восстановлении чистых фаз. С уменьшением концентрации FeO уменьшается отношение С02/С0, т. е. чем ниже содержа­ние оксида, тем труднее его восстанавливать, тем богаче восстановителем должна быть газовая смесь. Это объясняет­ся понижением упругости диссоциации и повышением проч­ности оксида по мере уменьшения его концентрации в раст­воре.

Прямое восстановление происходит по схеме:

FeO + СО = Fe + CO2; CO2 + С = 2СО;

—————————————————————————– (47)

FeO + С = Fe + СО.

Система в ненасыщенных растворах двухвариантна, а при постоянном давлении имеет одну степень свободы. Темпера­тура равновесия становится функцией концентрации FeO. По мере уменьшения концентрации оксида его становится труд, нее восстановить, что, в частности, проявляется в повыше­нии температуры начала реакции.

:, и-

Переход продукта восстановления в раствор ч ;»

Рассмотрим восстановление MnO, когда продукт реакции (марганец) растворяется в железе (в реальных условиях без перевода марганца в раствор приводимая реакция не идет):

Mn Otb + СО = [Mn] + CO2. (48)