3.2.2. Відновлення оксидів заліза воднем

Відновлення оксидів заліза воднем протікає при температурі нижче 570⁰С у дві стадії:

3Fe₂O₃ + Н₂  2Fe₃O₄ + Н₂О + 21,813 МДж (3.8)

Fe₃O₄ + kН₂  3Fe + 4Н₂О + (k – 4)Н₂ – 147,627 МДж , (3.9)

а при температурі вище 570⁰С у три стадії:

3Fe₂O₃ + Н₂  2Fe₃O₄ + Н₂О + 21,813 МДж (3.8)

Fe₃O₄ + mН₂  3FeO + Н₂О + (m – 1)Н₂ - 62,216 МДж (3.10)

FeO + nН₂  Fe + Н₂О + (n – 1)Н₂ – 27,715 МДж (3.11)

Порівняння останніх реакцій з реакціями 3.3-3.6 показує, що реакції відновлення оксидом вуглецю і воднем ідентичні. Різниця заключається тільки в чисельних значеннях коефіцієнтів n та n; m i m, а також в тому, що відновлення Fe₃O₄ і FeO воднем є ендотермічним процесом, тоді як відновлення FeO за рахунок СО (реакція 3.6) відбувається з виділенням теплоти.

Р исунок 3.3 зображує рівноважні газові суміші Н₂ і Н₂О_пара з оксидами заліза. Діаграму побудовано за тим же принципом, що й рис.3.2. Різниця лише в тому, що обидві рівноважні криві 1' і 2' є низхідними, що пояснюється ендотермічністю обох реакцій.

Рис. 3.3 Криві рівноваги газових сумішей Н₂ і Н₂О_пара із оксидами заліза і залізом.

3.2.3 Порівняння відновної здатності со і н2

Для порівняння відновлюючої здатності СО і Н₂ рівноважні криві, представлені на рис.3.2 і 3.3 поєднані в одній діаграмі (рис.3.4). З рисунку видно, що точка перетину рівноважних кривих 2 і 2, 3 і 3 відповідає t = 810⁰С. При температурі нижче 810⁰С відновлення Fe₃O₄ i FeO потребує співвідношення Н₂/Н₂О_пара більшого у порівнянні з СО/СО₂, що свідчить про с ильнішу відновлюючу властивість СО. При t вище 810С, навпаки.

Рис. 3.4 Криві рівноваги газових сумішей Н₂ і Н₂О_пара, СО і СО₂ із оксидами заліза, залізом.

Так, при відновленні Fe₃O₄ до FeO значення коефіцієнтів m i m в рівняннях 3.5 і 3.10 при температурах вище 810С практично рівні величини (рис.3.5). Відновлення вюститу до заліза вимагає значно більшого надлишку СО (n) ніж Н₂ (n), причому із зростанням температури різниця коефіцієнтів збільшується.

Рис.3.5 Зміна мінімально необхідного надлишку СО (безперервні лінії) і Н₂ (пунктирні лінії) при відновленні Fe₃O₄ і FeO в залежності від температури.

При температурі нижче 810С монооксид вуглецю, маючи більшу спорідненість до кисню, розкладає Н₂О_пара за реакцією водяного газу, або реакцією Гана (3.12), а утворений водень відновлює FeO:

Н₂О_пара + СО  Н₂ + СО₂ (3.12)

FeO + Н₂  Fe + Н₂О_пара

FeO + СО = Fe + СО₂

Таким чином, водень в доменній печі виконує значно більшу відновлюючу функцію, ніж це слід було б вважати, враховуючи залишок Н₂ в доменному газові. Водень дешевого природного газу, що тривалий час був головним замінником коксу на терені колишнього СРСР, значно активізував відновлення оксидів заліза в доменних печах і уповільнив вжиття заходів з покращення якості залізорудних матеріалів.

3.2.4 Відновлення оксидів заліза вуглецем

Відновлення оксидів заліза вуглецем, що відбувається при температурах вище 950-1000°С описується реакціями:

3 Fe₂O₃ + C → 2 Fe₃O₄ + CO – 110,113 МДж (3.13)

Fe₃O₄ + C → 3 FeO + CO – 194,393 МДж (3.14)

FeO + C → Fe + CO – 152,190 МДж (3.15)

Наведені реакції відображують лише початковий стан системи і кінцевий результат процесу, але не механізм останнього. В умовах доменної печі значний розвиток має реакція (3.15), оскільки оксиди Fe₂O₃ і Fe₃O₄ до приходу в зони з температурою 950-1000°С встигають відновитися посереднім шляхом.

В дійсності пряме відновлення йде в основному через газову фазу, так як і непряме. В реакціях прямого відновлення роль переносника кисню виконує CO або Н₂

FeO + CO → Fe + CO₂ + 13,607 МДж

CO₂ + C → 2 CO – 165,797 МДж

FeO + C → Fe + CO – 152,190 МДж (3.15)

або H₂

FeO + H₂ → Fe + H₂O_пара – 27,715 МДж

H₂O_пара + C → H₂ + CO – 124,475 МДж

FeO + C → Fe + CO – 152,190 МДж (3.15)

Кінцевий тепловий ефект реакції (3.15) не залежить від газа-перено-сника кисню і дорівнює ефекту прямого відновлення (Q₃=152,190 МДж). В результаті прямого відновлення витрачається тільки вуглець.