Механизм и кинетика восстановления оксидов железа газами. Влияние различных факторов на скорость восстановления

 

Восстановление протекает по адсорбционно – автокаталитическому механизму в три стадии (см. рисунок 28) и сопровождается явлениями адсорбции (поглощения восстановителя окислом), автокатализа (самоускорения процесса) и десорбции (удаления в газовую фазу из металла или его низшего окисла окисленного восстановителя).

 

 

I – индукционный период; II – автокаталитический период; III –период замедления восстановления

 

Рисунок 28 - Влияние автокатализа на скорость химической реакции во времени в кинетической области при постоянной температуре

 

В первой стадии восстановления на поверхности оксида происходит адсорбция газа-восстановителя. Во второй стадии происходит перераспределение кислорода между оксидом и восстановителем, завершающееся переходом кислорода к восстановителю и перестройкой кристаллической решетки оксида металла в решетку металла. В третьей стадии происходит десорбция оксида восстановителя в газовую фазу с реакционной поверхности по схеме:

 

МеО_тв+ B_г → МеО_твВ_адс,

МеО_твВ_адс → Ме_твВО_адс,

Ме _тв ВО _адс →Ме _тв +ВО _г

МеО_тв+В_г → М е_тв+ВО_г. (67)

 

Сущность автокатализа состоит в ускорении протекания химической реакции по мере образования свежевосстановленного железа, которое является катализатором. В периоде I, называемом индукционным, молекулы газа-восстановителя адсорбируются на поверхности оксида и взаимодействуют с активными участками оксида, где кислород вследствие микроскопических неровностей или нарушений кристаллической решетки наименее прочно связан с атомами железа. В связи с тем, что активных участков в начальном периоде мало, реакция протекает очень медленно. С увеличением числа активных центров – кристаллов свежевосстановленного железа, являющегося катализатором, процесс значительно ускоряется (период II) до тех пор, пока отдельные активные центры новой фазы, вокруг которых идет восстановление, не начнут сливаться в единую поверхность. По мере сливания активных центров поверхность контакта оксида и газа-восстановителя уменьшается и скорость процесса замедляется (период III).

На скорость восстановления оксидов железа влияют следующие факторы.

1. Температура.

2. Прочность соединения оксида.

3. Скорость газового потока.

4. Давление газа.

5. Состав газов в доменной печи, определяемый содержанием восстановителей СО и Н₂, продуктов восстановления СО₂ и Н₂О и азота дутья;

6. Размер кусков и пористость. Чем крупнее куски материала и чем выше их плотность, тем хуже идут процессы теплообмена и газообмена по толще куска. С увеличением крупности кусков уменьшается реакционная поверхность, а по мере продвижения фронта реакции внутрь куска значительно затрудняется внутренняя диффузия.

7. Минералогический состав. При плавке на неофлюсованном агломерате с большим расходом топлива образуется большое количество силиката железа – фаялита, который образуется сплавлением закиси железа и кремнезема пустой породы. Восстановление железа из силиката требует больше энергии, чем при восстановлении его из свободной закиси железа, и протекает за счет твердого углерода в области высоких температур преимущественно из расплава

 

Fe₂SiО₄ +2C → 2Fe + SiО₂ + 2CO - 80220 ккал. (68)

 

В присутствии извести восстановление железа из силиката облегчается вследствие образования силиката кальция и освобождения закиси железа от химических связей с кремнеземом по реакциям:

 

Fe₂SiО₄ + 2CaO → Ca₂SiО₄ + 2FeO + 22 014 ккал

+

2FeO + 2C → 2Fe + 2СО - 72 700 ккал

Fe₂SiО₄ + 2CaO + 2C → Ca₂SiО₄ + 2Fe + 2CO – 50 686 ккал. (69)

 

Поэтому восстановимость офлюсованного агломерата выше, чем неофлюсованного.

Восстановление железорудных материалов начинается уже в самых верхних горизонтах. По сечению печи восстановление интенсивнее протекает там, где проходит больше газа и где выше температура. Восстановление железа выше 1000° С протекает за счет углерода кокса с затратой большого количества тепла. Как правило, при этих температурах FeO в присутствии других оксидов переходит в жидкое состояние и железо восстанавливается из жидкой фазы.

Улучшение подготовки железорудного сырья к доменной плавке, совершенствование приемов загрузки материалов и способов регулирования распределения газового потока позволяет улучшить условия протекания восстановительного процесса в доменной печи, а следовательно, повысить ее производительность и уменьшить расход топлива.