Твердофазное восстановление оксидов железа

Получение металлизованного сырья во вращающейся печи происходит в результате прямого углетермического восстановления железа. В основу этого метода положено сложное и многостадийное гетерогенное взаимодействие твердых частиц углерода с материалами шихты с последующим удалением кислорода из кристаллической решетки исходной фазы и перестройкой ее в новую фазу [555]. Углерод является универсальным восстановителем и способен вступать в реакцию с любым металлом, но в зависимости от того, какой температурный режим обеспечивается в тепловом агрегате, при этом он подается в избытке. В результате взаимодействия диоксида углерода с углеродом регенерируется CO, однако влияние газообразной среды, на процесс восстановление не обнаруживается, следовательно, не учитывается.

Процесс восстановления твердым углеродом представляет собой сочетание двух взаимозависимых друг от друга явлений: диссоциации оксидов металла и окисление восстановителя. Железо в исходной руде пребывает в оксидной форме, следовательно, получение его металлического достигается путем поэтапного восстановления. Согласно принципу Байкова о последовательности превращений, операция восстановления является двухстадийной, т.е. происходит диссоциация металла и окисление восстановителя. Это чередующийся процесс через ступени получения всех оксидов железа и соответствующих им кристаллических решеток. В общем виде:

Восстановление оксида железа представляет собой последовательный переход от высших оксидов к низшим и в металл:

,

Прямое восстановление оксидов железа углеродом происходит с образованием монооксида углерода и носит эндотермический характер, а химическая реакция записывается в следующем виде:

Образование окисла углерода при температурах 823-973 К  происходит по реакции газификации или реакции Белла-Будуара:

Скорость газификации определяется, как правило, содержанием в нем примесей, наличием пор, при этом углерод сильнее склонен вступать в реакции меньшей температурной, размером кусков и большей энергией активации.

Реакции восстановления и газификации угля взаимозависимы и взаимозаменяемы, поэтому ускорение или замедление одной из стадий повлияет на будущее развитие другой и на саму себя, и, следовательно, на скорость протекание процессов восстановления в целом.

Во вращающихся печах не все количество углекислого газа вступает в реакцию с углеродом, образуя две молекулы угарного газа, иначе это бы привело к быстрому сокращению числа твердых тел. Поэтому степень восстановления оксидов железа в целом определяется взаимодействием непосредственно углерода и металла. Чем выше степень контакта двух фаз, тем сильнее возрастает скорость протекания реакции.   

Реакционная способность восстановителя существенно влияет на скорость диссоциации оксидов. Восстановительная способность углеродных материалов определяется содержанием летучих веществ и золы, пористой структурой, удельной поверхностью [666]. 

Полнота протекания процесса твердофазного восстановления характеризуется количеством восстановленного железа и определяется степенью металлизации:

где  – металлическое железо, %;

   – вся доля железа, содержащаяся в руде, %.

Завершенность металлизации определяется путем определения степени восстановления руды, характеризующего относительное количество связанного с железом кислорода, удаленного в процессе восстановления:

где  – масса удаленного при восстановлении кислорода,  – масса кислорода, связанного с железом в конечном состоянии.

Как и любых других установках металлизации, во вращающейся печи невозможно создать условия полного восстановления железа, поэтому при высокой степени металлизации остаточное его количество будет преимущественно пребывать в виде FeO.