Методы восстановления оксидов железа водородом

Механизм восстановления оксидов железа водородом идентичен механизму восстановления оксидов железа СО. Процесс зарождения кристаллов новой фазы в результате кристаллохимической перестройки исходного оксида железа по мере пересыщения его ионами металла требует преодоления энергетического барьера, что проявляется в замедленном развитии процесса в его начальном периоде.

Образование достаточного количества металлической фазы действует автокаталитически, и процесс ускоряется. Когда внешняя диффузия газов, адсорбция восстановителя, десорбция газообразных продуктов реакции проходят с достаточной скоростью, что наблюдается при повышенных температурах, диффузия ионов через слои твердых продуктов реакции и внутри кристаллов оксида железа может лимитировать суммарную скорость всего процесса в целом.

В зависимости от температуры, характера пористости и газопроницаемости шихты суммарный процесс может лимитироваться диффузией газов (как восстановителя, так и продуктов реакции) через слой образовавшегося металла и его исходного соединения.

На скорость процесса восстановления оксидов железа водородом существенное влияние оказывает концентрация паров воды в реакционной зоне, так как ее увеличение препятствует развитию реакций из-за адсорбции молекул воды на поверхности частиц оксида железа. Поэтому следует стремиться к снижению концентрации паров воды в реакционной зоне, что будет положительно влиять на скорость восстановления.

Железный порошок, получаемый восстановлением окисного сырья водородом, отличается высокой чистотой и повышенной активностью при спекании.

На практике используют несколько основных вариантов процесса восстановления оксида железа водородом. К их числу относятся:

1. Восстановление в стационарном слое. Процесс проводят в проходных муфельных или трубчатых печах с внешним электрообогревом. Оксиды железа помещают в поддоны или лодочки, которые непрерывно продвигают через горячую зону печи. Водород подают со стороны холодильника печи, и принцип противотока обеспечивает наиболее полное восстановление. Продолжительность процесса восстановления – от 30 мин до нескольких часов. Температура восстановления составляет 700–1 000 °С.

2. Восстановление во вращающейся печи. Процесс восстановления ведут в наклонной вращающейся трубчатой печи из нержавеющей стали. Исходное сырье подают шнеком в трубу навстречу потоку газа-восстановителя. Температура восстановления – 975–1 025 °С.

3. Восстановление в кипящем слое. Исходным сырьем служит обогащенный рудный концентрат, измельченный в шаровой мельнице до крупности 0,15 мм и подвергнутый магнитной сепарации (содержание железа около 72 %), который нагревают до температуры 480 °С во вращающейся печи и транспортируют в загрузочный бункер реактора под давление азота, куда под давление подают водород. Восстановление ведут при температуре 540 °С на трех горизонтальных подовых решетках. Загрузка новой порции концентрата в верхнюю часть реактора, пересыпка материала с решетки на решетку и выгрузка порошка из нижней части реактора проводится периодически. Осушенный и подогретый водород под давлением нагнетается в нижнюю часть реактора. Скорость его подачи регулируется таким образом, чтобы частицы порошка находились во взвешенном состоянии. Выгруженный порошок для уменьшения пирофорности нагревают в среде защитного газа до температуры 800 °С. При этом происходит укрупнение частиц порошка и снижается его пирофорность.