МЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА – Часть 30

Таблица 6. Основные закономерности днффузм газов в порах твердой Ф«зы__

Примечание

Радиус пор

Формула для коэффициен­та диффузии

Диффузия

Зависимость от внешних факто­ров

Коэффи­циента диффу­зии

Диффузи­онного потока

"X з

Свободная d > Л

O11 =

WX Dn »

"^•Vd

Киудсеиовс – rf < Л Dx

ЯТ1.5-1.0/р

Не зависит от размера пор

Dtt » Г0,5

Не зависит от давления

I ~ Коэффициент вза-

KT0-S-I-O имной диффузии зависит от при­роды обоих ком­понентов смеси Не зависит —

От давления

I ~ Компоненты диф-

~(d(p/T°,s) фундируют неза – – висимо друг от друга со скорос-

Di * ехр(—?/RT)/[ « » ехр(.-Е/КГ)

Для диф­фузии через металлы /*рo, s

Активиро­ванная

Соизме­рим с диаметром молекулы

Не зависит от давле­ния

В осталь­ных слу­чаях /«/>

Там и V =

M0-5

Энергия актива­ции зависит от природы газа и твердого тела, а скорость диф­фузии • от растворимости газа в твердом теле

Ли с ней связаны. В температурной области, в которой вое – становление идет с заметной скоростью, на поверхности ок­сида находятся лишь молекулы, удерживаемые химическими силами. Время пребывания на поверхности физически адсор­бированных молекул составляет ~ Ю-7 с. В химически адсорбированных молекулах внутримолекулярные связи могут ослабляться или даже исчезать. Вновь возникшие связи меж­ду химически адсорбированными молекулами, а также и эле­ментами поверхности твердого тела могут быть, напротив, настолько прочными, что при последующей адсорбции атомы твердого тела могут перейти в газ. Таким образом, макси­мальная скорость реакции между газом и оксидом ограничена количеством молекул газа, которые в единицу времени стал­киваются с поверхностью оксида.

Число столкновений молекул газа с поверхностью оксида можно определить, исходя из выражения

Zi = PiNjy InRTMi, (84)

Где Pi – парциальное давление газа-восстановителя; Mi – молярная масса газа-восстановителя; N^ — число Лошмидта, моль-1.

Для водорода по уравнению (84), например, при IOOO0C и 98кПа величина Z1 = 5 • IO23 столкновений/(см2 • с). Сравнение с реально замеренными скоростями реакций вос­становления показывает, что число столкновений примерно на четыре порядка выше.

Процессы в твердых фазах

В отличие от многих гетерогенных процессов восстанов­ление характеризуется образованием в начальный период слоя продуктов реакции. Дальнейший ход процесса во многом связан с характеристикой этого слоя: при образовании по­ристого слоя продуктов возможна диффузия газа – восстановителя внутрь куска; при наличии плотного слоя процесс невозможен без твердофазных химической реакции я диффузии.

При восстановлении гематита по ходу процесса в не­посредственном контакте между собой находятся Fe-FeO;

66

FeO-Fe3O4 и Fe3O4-Fe2O3. Наружный слой вюстита взаимодей­ствует с газом-восстановителем, например, FeO+ H2 = Fe+ H2O.

Для дальнейшего протекания реакции необходима диффузия в твердых продуктах восстановления.

На общую скорость восстановления может влиять диффузия лишь в крайнем (внешнем) из образовавшихся слоев металла или низшего оксида. Диффузия во внутренних слоях является процессом, не оказывающим непосредственного влияния на скорость восстановления. Движущей силой диффузии является градиент активности железа между отдельными фазовыми гра­ницами. Активности железа устанавливаются на обеих сторо­нах оксидной фазы, поэтому толщина внутренних слоев окси­дов зависит от скорости восстановления, а не наобзрпт. Напротив, толщина внешнего слоя продуктов восстановления постоянно растет с увеличением степени восстановления.

Диффузия в решетке соединения протекает преимуществен­но путем блуждания дефектов решетки, например, вакансий или ионов по междоузлиям. В связи с этим более подвижными являются такие компоненты, в решетке которых присутствуют подобные дефекты. В вюстите значительными дефектами являются вакансии ионов железа. Они делают возможной диф­фузию железа в решетке оксида, диффузия происходит при восстановлении высших оксидов через внешнерасположенный слой вюстита от фазовой границы вюстит—газ или вюстит—же­лезо до фазовой границы вюстит-магнетит.