Восстановление оксидов железа углеродом. Сравнение прямого и непрямого восстановления

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 + H₂O_газ - 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).