МЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА – Часть 36

V ~ (1 – R). * (106)

Выражения (104)-(10б) графически Изображены на рис. 10. 78

Влияние различных факторов на скорость восстановления

Влияние температуры

Химический акт восстановления оксидов железа газом является гетерогенной реакцией. По аналогии с реакциями в гомогенной среде эту зависимость можно описывать законом Аррениуса:

К = к0ехр(-?/ RT), (107)

Где к — константа скорости химической реакции; Г – абсо­лютная температура, К; к0 — предэкспоненциальный коэффи­циент; Е— кажущаяся энергия активации процесса.

Связь скорости диффузии с температурой зависит от ме­ханизма диффузии: для свободной диффузии газа в газовой Cj^eoH крупных порах скорость возрастает пропорционально T ‘ ‘ ‘ , а в мелких порах даже замедляется пропорцио­нально T0,5. Скорость же активированной диффузии газа или компонентов в твердой фазе подчиняется экспоненциальной зависимости, в результате чего резко ускоряются процессы на реакционной поверхности, а следовательно, и восстанов­ление в крупных порах. Одновременно снижается величина поверхности пор, доступных воздействию газа- восстановителя, так как возрастает поверхность пор, в ко­торых газ успел достигнуть равновесного состава. В ре­зультате суммарная диффузия возрастает не в той мере, как растет скорость диффузии в твердой фазе. Итак, влияние температуры на скорость диффузии должно быть более резким для материалов с большой долей крупных пор.

Влияние давления >

Влияние давления на процесс восстановления оксидов сложно и зависит от того, в каких условиях идет восста­новление и какой восстановитель используется. Если вос­становление проходит с применением оксида углерода или водорода, то влияние давления на скорость процесса вос­становления в большой степени зависит от того, какой этап является лимитирующим. Процессы внешней диффузии (диффу-.

79

Зия газа в пограничном слое и крупных порах) подчиняются законам свободной диффузии, поэтому ее скорость не зави­сит от давления. Связь между скоростью собственно хими­ческой реакции v и парциальным давлением газа – восстановителя р выражается уравнением

V = кр/( 1 + Кр)

Или менее точно

V ~ кр", (109)

Где к и п— константы, a it < 1.

Таким образом, в кинетической области скорость вос­становления газом должна увеличиваться с повышением дав­ления, стремясь к некоторому пределу. Изменение давления существенно влияет на внутреннюю диффузию. В связи с этим повышение давления ускоряет диффузию газа в порах, разме­ры которых соизмеримы с длиной свободного пробега моле­кул, то восстановление ускоряется лишь в том случае, если в восстанавливаемом материале имеются мелкие поры. Такое обеспечение ускоряющего действия давления впервые пред­ложено С. Т.Ростовцевым и позднее экспериментально доказа­но К. К.Шкодиным.

Для железорудных материалов, большинство пор которых доступно газу-восстановителю, ускорение диффузии увеличи­вает концентрацию восстановителя и уменьшается концентра­цию продукта восстановления на поверхности восстанавли­ваемого материала. В результате при повышении давления восстановления должно ускоряться в той мере, в какой уве­личение градиента концентрации в слое восстановленных продуктов влияет на скорость восстановления.

Для железорудных материалов, в которых велика доля пор малого размера, с повышением давления при снижении длины свободного пробега молекул все большая поверхность ста­новится доступной воздействию восстановителя, в резуль­тате чего влияние давления должно быть более заметным.

(108)

Как для кинетического, так и для диффузионного режимов с ростом давления его воздействие должно уменьшаться. Например, в диффузионной области при определенном давле­нии средняя длина свободного пробега станет меньше сред – 80 него размера самых мелких пор и дальнейшее его повышение должно перестать влиять на скорость восстановления.

(НО)

Более сложно давление воздействует на восстановление твердым восстановителем. При повышении давления прежде всего сдвигается влево равновесие реакции CO2 + C = 2СО. Следовательно, давление увеличивает скорость протекания реакции, при этом значение текущей концентрации удаляется от равновесных значений. Скорость окисления углерода углекислым газом обычно связывают со значением реакцион­ной способности восстановителя, т. е.