В доменной печи при температурах выше 950 – 1000° С восстановление железа из его оксидов протекает за счет углерода кокса и называется прямым восстановлением в отличие от НВ газообразными восстановителями – водородом и оксидом углерода. Реакции прямого восстановления описываются уравнениями
3Fe2О3 + C → 2Fe3О4 + СО - 26300 ккал, (6.21)
Fe3О4 + С → 3FeО + СО - 46430 ккал, (6.22)
FeO + С → Fe + СО - 36 350 ккал (6.23)
Наибольшее развитие имеет реакция (6.23) в связи с тем, что к моменту достижения железорудными материалами в доменной печи зоны с температурами 950 - 1000° С, где начинается прямое восстановление, оксиды Fe2O3, Fe3О4и частично FeO успевают восстановиться непрямым путем в зоне умеренных температур. В действительности ПВ идет в основном через газовую фазу, так же как и НВ, а именно: оксид FeO восстанавливается оксидом углерода с образованием диоксида углерода, который при высоких температурах (950 –1000 °С) взаимодействует с углеродом кокса. Таким образом, процесс ПВ описывается последовательно протекающими реакциями:
FeO + CO → Fe + CО2 +3250 ккал
+ СО 2 + С →2СО - 39600 ккал (6.24)
FeO + С → Fe + СО - 36 350 ккал. (6.25)
В реакциях прямого восстановления оксид углерода выполняет роль переносчика кислорода от оксидов железа к углероду, возвращаясь в газовую фазу. В результате прямого восстановления расходуется только углерод.
При температурах ниже 950° С восстановление оксидов железа за счет углерода кокса развито незначительно вследствие недостатка тепла на процесс, устойчивости СО2 по отношению к углероду и малой поверхности соприкосновения твердых оксидов железа и углерода.
Аналогично двуокиси углерода при высоких температурах взаимодействует с углеродом и водяной пар, образующийся в реакциях восстановления водородом. Поэтому восстановление оксидов железа водородом выше 1000° С следует рассматривать как прямое восстановление
FeO + H2 → Fe + H2Oгаз - 6620 ккал
+ Н 2 О газ + С → Н 2 + СО - 29 730 ккал
FeO + С → Fe + СО - 36 350 ккал. (6.23)
Водород, подобно СО является переносчиком кислорода от окиси железа к углероду. Сравнение НВ ПВ оксидов железа можно сделать следующие выводы:
1. ПВ происходит в нижней части доменной печи при высоких температурах углеродом кокса, НВ протекает в верхней части печи при умеренных температурах за счет газообразных восстановителей – окиси углерода и водорода.
2. Газообразным продуктом прямого восстановления является СО, который в дальнейшем может принимать участие в НВ. Газообразными продуктами непрямого восстановления являются СО2 и водяной пар.
3. Прямое восстановление сопровождается большим расходом тепла, непрямое восстановление идет с небольшим расходом тепла (при восстановлении водородом) или даже с его выделением (при восстановлении оксидом углерода).