МЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА – Часть 24

Появилось много работ, расширяющих представления о ме­ханизме восстановления. Среди них прежде всего следует назвать работы К. К.Шкодина, в которых доказана важность процессов транспортировки газообразных продуктов реакции и связь с этими процессами структуры восстанавливаемого железорудного материала.

Современные представления о механизме восстановления кусков железорудного материала выделяют; прежде всего, многообразие процессов, происходящих при восстановлении. Среди них следует подчеркнуть, к сожалению, недооценивае – 52 мук> Д° настоящего времени роль твердофазных процессов — реакций и диффузии в твердых телах. Практически для всех условий (начиная со степени восстановления 50—60 %) про­цессы в твердой фазе являются лимитирующими. Необходимо подчеркнуть, что наиболее развиты представления о меха­низме восстановления единичного куска газом – восстановителем. Мало теоретических и экспериментальных разработок, направленных на выявление процессов восста­новления газом слоя кусков, восстановления твердым вос­становителем твердых и жидких оксидов, восстановления га­зом жидких оксидов. В связи с этим авторы уделяют основ­ное внимание восстановлению единичных кусков газообразным восстановителем. Для этого процесса характерна определен­ная последовательность этапов восстановления. В прост­ранстве между кусками железорудного материала и в крупных порах кусков течет газ-восстановитель. Вокруг отдельных кусков и около поверхности макропор образуются граничные потоки газа.

Массообмен между газовой фазой и восстанавливаемым оксидом невозможен без транспорта реагентов (восстанови­теля и продукта восстановления) через этот граничный слой. Затем газ-восстановитель для контакта с поверх­ностью куска должен диффундировать по микропорам куска, а также через слой образовавшихся твердых продуктов вос­становления внутрь куска. Газообразные продукты восста­новления должны тем же путем отводиться от места реакции. Далее газ-восстановитель должен вступить в контакт с оксидом железа, т. е. должна произойти адсорбция газа на поверхности твердой фазы. На этой поверхности протекает собственно реакция восстановления, которая включает в себя отнятие кислорода от оксида, образование и рост за­родышей продуктов восстановления— магнетита, вюстита или железа. Последующий рост слоя продуктов реакции происхо­дит путем твердофазных реакций и диффузии в твердой фазе.

Таким образом, восстановление оксидов есть сумма от­дельных процессов, каждый из которых характеризуется собственным равновесием. Движущей силой отдельных этапов служит отклонение от этих равновесий. Например, мера дви­жущей силы диффузии есть падение концентраций (или дав­ления) реагентов в начале и конце диффузионного пути. В общем случае восстановление оксидов складывается из сле­дующих стадий:

Подвод газа-восстановителя к куску железорудного мате­риала (или внешняя диффузия газа); диффузия газа – восстановителя по порам куска к его поверхности; адсорб­ция газа-восстановителя на поверхности оксида; диффузия газа-восстановителя или ионов в твердой фазе; собственно химическое взаимодействие с отнятием кислорода от молеку­лы оксида; образование зародышей металлической фазы; десорбция продуктов восстановления; отвод продуктов вос­становления из пор куска.

Поскольку любая из стадий может лимитировать процесс восстановления по скорости, рассмотрим кратко названные этапы.

Внешняя диффузия газа , ;

Диффузия вещества, как известно, обусловлена различной его концентрацией в различных частях системы, и вещество переносится в направлении от большей концентрации к мень­шей. В этом случае диффузия подчиняется двум законам Фика [уравнения (5)-(7)]. Такую диффузию часто называют моле­кулярной или свободной диффузией. Коэффициенты свободной диффузии газов-восстановителей в бинарных смесях и длины свободного пробега молекул приведены в табл. 5. Коэффи­циент диффузии газов 1 и 2 в бинарной смеси определяется формулой