Химические реакции при восстановлении железа из оксидов

Химический процесс, сопровождающийся восстановлением железа из гематита, моделировался посредством компьютерного программного комплекса Терра (продукт МГТУ им. Н.Э. Баумана). В роли восстановителей принимали углерод, водород и метан. Варьируя расход восстановителей и температуру процесса, определяли равновесные концентрации компонентов системы. Изменение этих концентраций на границах отдельных температурных областей расценивалось как результат прохождения в них соответствующих химических реакций. В то же время было отмечено, что реакции нонвариантного типа начинаются и заканчиваются при одних и тех же фиксированных температурах. Расчеты показали, что преобразование Fe2O3 → Fe3O4 во всех случаях было термодинамически возможно при температурах, превышающих 65 °С. Следовательно, при рабочих температурах печи оно будет реализовано без осложнений. Вторая стадия восстановления также проходила по единой схеме Fe3O4 → Fe, минуя участие в ней оксида FeO. Температура начала восстановления железа компонентами С, Н2 и СН4 составила соответственно 680, 350 и 520 °С. При этом имело место только прямое восстановление железа указанными компонентами. Попытка зафиксировать факт косвенного восстановления, используя в качестве восстановителя оксид углерода, оказалась безуспешной даже при его большом расходе. Оксид углерода разлагался при низких температурах по реакции Белла-Будуара. Поэтому железо восстанавливалось посредством «сажистого» углерода, т. е. также прямым методом. В завершающей стадии углеродотермического процесса в зависимости от состава системы может произойти образование карбида железа при 720 °С с возможным последующим преобразованием его обратно в железо, а также вторичное окисление железа с образованием вюстита. Активное участие в этих реакциях принимает диоксид углерода. На основании результатов расчетов химических процессов при высоких температурах была дана численная оценка восстановительной (или окислительной) эффективности всех элементов и компонентов системы Fe – О – С – Н. Это позволило с высокой степенью достоверности прогнозировать фазовый состав продуктов реакций при максимальной температуре процесса (1500 °С).

1. Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. Общая металлургия. – М.: ИКЦ Академкнига, 2005. – 768 с.

2. Металлургия чугуна / Е.Ф. Вегман, Б.Н. Жеребин, А.Н. Похвиснев, Ю.С. Юсфин и др. – М.: ИКЦ Академкнига, 2004. – 774 с.

3. Pawlow M.A. Metallurgie des Roheisens. Band 3. – Berlin: VEB VerlagTechnik, 1953. – 576 p.

4. Peacey J.G., Davenport W.G. Blast Furnace. Theory and Practice. – New York: Pergamon, 1979. – 266 p.

5. Sohn H.Y., Sridhar S., Aune R.E. etc. Fundamentals of Metallurgy. – Cambridge: Boca Raton, 2005. – 589 p.

6. Zhou X.L., Du Z.N. The introduction of COREX process development // Advanced Materials Research. 2013. Vol. 774 – 776. P. 1430 – 1433.

7. Mouer A. etc. The Lion Group & MIDREX Experience: Operational Aspects of Lion’s MIDREX HDRI/HBI Plant // Direct from MIDREX. 2nd Quarter, 2009. P. 3 – 7.

8. Ünal H.,Turgut E., Atapek S., Alkan A. Direct reduction of ferrous oxides to form an iron-rich alternative charge material // High Temperature Materials and Processes. 2015. Vol. 34. No. 8. P. 751–756.

9. Jones W.D. Fundamental Principles of Powder Metallurgy. – London: Edward Arnold Ltd, 1960. – 1032 p.

10. Зельдович Я.Б. Доказательство единственности решения уравнений закона действующих масс // Журнал физической химии. 1938. Т. 11. № 5. С. 685 – 687.

11. Brinkley S.R. Calculation of equilibrium composition of systems of many constituents // Journal of Chemical Physics. 1947. Vol. 15. No. 2. P. 107 – 110.

12. Бердников В.И. Машинный расчет химического равновесия в многокомпонентных системах // Изв. вуз. Черная металлургия. 1984. № 4. С. 120 – 122.

13. Gurvich L.V., Veitz I.V. etc. Thermodynamic Properties of Individual Substances. 4th ed. in 5 vols. – New York: Hemisphere Pub. Co., 1989.

14. White W.B., Johnson S.M., Dantzig G.B. Chemical equilibrium in complex mixtures // Journal of Chemical Physics. 1958. Vol. 28. No. 5. P. 751 – 755.

15. Трусов Б.Г. База данных и программный комплекс TЕРРА, редакция 6.3 (электронный ресурс). – М.: МГТУим. Н.Э. Баумана, 2013.

16. Gurvich L.V., Iorish V.S. etc. IVTANTHERMO – a thermodynamic database and software system for the personal computer. – CRC Press Inc., Boca Raton, 1993.

17. Бердников В.И. Применение балансового термодинамического анализа к исследованию механизма восстановления кремния в ферросплавной печи // Сталь. 1991. № 2. С. 42 – 45.

18. Бердников В.И., Гудим Ю.А., Картелева М.И. О применении правила фаз к анализу металлургических процессов // Изв. вуз. Черная металлургия. 2010. № 12. С. 3 – 6.

19. Михайлов Г.Г., Кузнецов Ю.С., Качурина О.И., Чернуха А.С. Анализ фазовых равновесий в системе «оксиды железа – углерод – СО – СО2 » // Вестник ЮУрГУ. Серия Металлургия. 2013. Т. 13. № 1. С. 6 – 13.

20. Третьяков В.Д., Путляев В.И. Введение в химию твердофазных материалов. – М.: Изд. МГУ: Наука, 2006. – 400 с.

21. Кузнецов Ю.С., Качурина О.И. Окислительно-восстановительные свойства газовых фаз (по поводу публикации И.В. Строкиной и Н.Ф. Якушевича. Изменения окислительно–восстановительных свойств газовой фазы системы C – O2 – H2 . Изв. вуз. Черная металлургия. 2011. № 6. С. 3 –5) // Изв. вуз. Черная металлургия. 2018. Т. 61. № 1. С. 69 – 79.