Работа 2. Исследование процесса прямого восстановленя оксида железа

Цель – установить влияние температуры на скорость прямого восстановления оксида железа

Общие сведения. Наиболее часто используемыми восстановителями в металлургии являются СО, Н₂, углеводороды, твердый углеродистый материал (кокс, каменный уголь и др.), некоторые металлы.

Реакции восстановления оксида металла (МеО) оксидом углерода (II) или водородом имеют вид:

МеО + СО  Ме + СО₂ (1)

МеО + Н₂  Ме + Н₂О (2)

Если оксид металла и металл находятся в конденсированном состоянии во взаимонерастворимых фазах, то константы равновесия реакций (1) и (2) соответственно запишутся как:

и .

Рис. 1. Кривые равновесия реакций восстановления оксидов металлов

оксидом углерода (II) и углеродом в зависимости от температуры

и концентрации МеО в шлаке.

Поскольку константы равновесия реакций зависят от температуры, то равновесный состав газовой фазы для оксидов разных металлов будет зависеть от их природы и температуры. Из диаграммы зависимости восстановимости оксидов некоторых металлов оксидом углерода (II) (рис.1) можно установить, какое содержание СО должно быть в газовой смеси (СО и СО₂), чтобы термодинамически при заданной температуре могло происходить восстановление оксида металла до свободного металла. Например, при 1000^оС для восстановления FeO до Fe в газовой фазе содержание СО должно быть более 70 %, тогда как Fe₃O₄ будет восстанавливаться до FeO при этой температуре при содержаниях СО более 20%. Поддерживая соответствующий состав газовой фазы, можно селективно восстановить оксид одного или оксиды нескольких металлов до свободного состояния, а другие оставить в форме оксидов.

В случае использования в качестве восстановителя твердого углерода процесс обычно идет в основном по двухступенчатой схеме по реакциям:

МеО + СО  Ме + СО₂ (3)

СО₂ + С  2СО (4)

МеО + С = Ме + СО (5)

Константа равновесия реакции (4) .

Термодинамически минимальная температура для протекания процесса восстановления оксида металла в системе МеО – С при избытке углерода в шихте определяется точкой пересечения равновесных кривых реакций (3) и (4). Из рисунка 3 видно, что для системы FеО-С эта температура составляет около 700^оС, тогда как для восстановления ZnO до металла углеродом требуется температура более 950^оС.

Поскольку возможность восстановления того или иного оксида металла при избытке твердого углерода в шихте зависит только от температуры, то это обстоятельство ограничивает возможность селективного восстановления одного или нескольких оксидов из многокомпонентного сырья при таком ведении процесса.

Больше возможностей для обеспечения селективности восстановления оксидов металлов при переработке многокомпонентного сырья с использованием твердого углеродистого восстановителя дает вариант проведения процесса с недостатком углерода в шихте, при котором влиять на процесс можно не только температурой в рабочем пространстве печи, но и регулированием содержания СО и СО₂ в газовой фазе за счет изменения соотношения углерода в шихте и кислорода, подаваемого в печь с дутьем.

Восстановление оксидов железа за счет СО (косвенное) происходит ступенчато по схемам:

при температурах до 570 ^оС: Fe₂O₃  Fe₃O₄  Fe

при температурах более 570 ^оС: Fe₂O₃  Fe₃O₄  FeO Fe

Химические реакции, описывающие эти процессы:

3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂ + 52,25 кДж (6)

¼ Fe₃O₄ + CO = ¾ Fe + CO₂ + 5,7 кДж (7)

Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂ – 35,45 кДж (8)

FeO + CО = Fe + CO₂ + 13,2 кДж (9)

Для рассмотрения термодинамики этих реакций нужно обратиться к рисунку 3. Кинетически реакции (6), (7) и (9) протекают соответственно при температурах более 200, 300-400 и 750-800^оС. Основная масса оксидов железа восстанавливается при температурах 900-1000^оС и более за счет твердого углерода (прямое восстановление), которое фактически протекает также через участие СО в две стадии по реакциям:

FeO + CO = Fe + CO₂ + 13,2 кДж (10)

С + СО₂ = 2СО – 172,4 кДж (11)

FeO + C = Fe + CO – 159,2 кДж (12)

Восстановление оксидов железа заканчивается при 1100-1200 ^оС.

Порядок выполнения работы. Схема лабораторной установки представлена на рисунке 2. В электрическую печь 1, нагретую до заданной температуры, помещаются запаянная фарфоровая трубка 2 в комплекте с термопарой и потенциометр. Предварительно в трубку загружается хорошо растертая в ступке смесь 1 г оксида железа и 1 г угля. Верхняя часть трубки плотно закрыта пробкой, соединенной последовательно шлангом с реометром 4 и измерительной ячейкой 6, заполненной водой, в которую устанавливается мерительный цилиндр 5, также заполненный водой.

Рис. 2. Схема установки для исследования прямого восстановления оксидов металлов

При нагревании происходит прямое восстановление оксида железа и выделяется монооксид углерода. Количество выделившегося углерода в зависимости от времени фиксируют по показаниям реометра и мерительного цилиндра. Экспериментальные данные заносят в таблицу.

№	Т, К	τ, мин	∆h, мм.в.ст. по реометру	∆h, мм.в.ст. по мерному цилиндру	Е, %

Опыт повторяют при других значениях температуры. Степень восстановления Е оксида железа определяют из соотношения содержания кислорода в газовой фазе к первоначальному кислороду оксида железа и выражают в процентах. Также следует построить экспериментальные графики и сделать выводы по работе.