МЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА – Часть 11

При низко – и высокотемпературном восстановлении проис­ходят самые разнообразные явления. Некоторые из них достаточно хорошо изучены на примере доменной плавки (твердофазное восстановление оксидов газами, теплообмен в слое, движение газов в слое шихты и др.), другие имеют значение только для металлургии железа (спекание гранул, вторичное окисление и самовозгорание металлического желе­за и др.).

J з. ПРОЦЕССЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОКСИДОВ

По технологии бездоменной металлургии при необходимос­ти могут быть достигнуты условия, позволяющие восстано­вить те же оксиды, что и в доменной печи. В качестве вос­становителя используют как газы (СО и H2), так и различ­ного вида твердое топливо. Сравнивая способность к срод­ству восстановителей и восстанавливаемых оксидов с кисло­родом (мерой прочности служит стандартное изменение сво­бодной энергии реакции AG0), можно определить температуру начала восстановления того или иного оксида. Исходя из диаграммы изменения свободной энергии с ростом температу­ры, можно разделить элементы, находящиеся в шихте, на три группы: элементы, восстанавливающиеся практически пол­ностью, — железо, никель, кобальт, свинец, медь, мышьяк, цинк и др.; элементы, частично восстанавливающиеся, — кремний, марганец, хром, ванадий, титан и др.; элементы, не восстанавливающиеся, — кальций, барий и др.

Структура и свойства твердых фаз

Оценить и проанализировать процессы, проходящие при восстановлении железорудных материалов, невозможно без использования сведений о состоянии и свойствах основных соединений, входящих в состав железорудных материалов или образующихся в них при металлизации.

Строение кристаллических тел

Железорудные материалы представляют собой смесь двух или нескольких кристаллических и аморфных фаз. Кроме то­го, отдельной фазой следует считать поры. Кристаллические соединения являются основными составляющими железорудных материалов.

Основными силами, приводящими к образованию стабильных. Молекул, являются электростатическое притяжение между противоположно заряженными ионами (ионная связь) и устой­чивость строения электронных оболочек, при которых пары электронов одновременно принадлежат двум атомам (кова – лентная связь). Возможны и смешанные виды связи. Дополни­тельными видами связи служат слабые электростатические

25

Силы между атомами и молекулами, обусловленные флуктуа – ционным дипольным моментом, меняющимся с мгновенным поло­жением электронов (силы Ван-дер-Ваальса).

Силы, действующие между атомами в твердых телах, по­добны этим связям, учитывая, что атомы в кристаллических твердых телах размещаются периодически, чтобы силы элект­ростатического отталкивания были минимальными и образовы­вались связи, соответствующие энергетически наиболее вы­годным углам и расстояниям решетки. Главной характеристи­кой, определяющей энергию и тип связи, является распреде­ление электронов между атомами и молекулами. Твердые тела можно классифицировать как имеющие кристаллическую решет­ку с ионной, ковалентной, молекулярной, металлической и водородной связью.

Соединения металлов с кислородом имеют в основном ион­ный характер. Ионная связь характеризуется низкой элект­ропроводностью при низких температурах и высокой ионной проводимостью при высоких температурах. Прочность ионной связи увеличивается с ростом заряда. Характерным свойст­вом металлов является их высокая электропроводность. В металлах в большом количестве имеются носители зарядов — электроны проводимости.

Кристаллы состоят из упорядочение и периодически рас­положенных атомов или молекул. Наиболее устойчивыми структурами кристаллов являются те, в которых осуществ­лена самая плотная упаковка атомов с удовлетворением дру­гих требований, таких как наличие определенного числа связей на каждый атом, размера атомов, направления связей и т. д. Для простоты атомы рассматривают как шары, упако­ванные тем или иным способом. Изучение построения крис­таллических решеток показывает, что возможны 14 вариантов различных пространственных решеток (решеток Бравэ), сла­гающихся из элементарных ячеек с разной величиной осей и углов и группирующихся в порядке возрастания симметрии в семь систем: триклинную, моноклинную, тригональную, гек­сагональную, ромбическую, тетрагональную и кубическую (табл. 1, рис. 1).