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).