Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Реакции, идущие при восстановлении окислов железа

01.05.2019

Железо образует три окисла: Fe2O3 — окись железа, или гематит, Fe3O4 — закись-окись железа, или магнетит, и FeO закись железа. На диаграмме равновесия системы Fe—O область гомогенности FeO расширяется с повышением температуры, твердый раствор FeO—Fe3O4 называется вюститом. Наименее устойчивым окислом является высший окисел Fe2O3, наиболее стойким — низший окисел FeO.

Восстановление высшего окисла железа до металлического железа, в соответствии с известным принципом стадийного восстановления А.А. Байкова, протекает при температурах выше 570° по трехступенчатой схеме
Реакции, идущие при восстановлении окислов железа

а при температурах ниже 570° — по двухступенчатой схеме

Восстановление окислов железа водородом при температуре выше 570° проходит последовательно по реакциям


Значение константы равновесия реакции (1.4) Kр = РН2О/РН2 очень велико, и эта реакция практически всегда протекает в сторону образования Fe3O4. Равновесные содержания газовой фазы для реакций (1.5) и (1.6) показаны на диаграмме состояния Fe—O2—H2, приведенной на рис. 2. Область существования Fe2O3 на диаграмме не показана вследствие того, что кривая равновесия Fe2O3—Fe3O4 практически совпадает с осью абсцисс. Температура 570° соответствует точке пересечения кривых равновесия FeO—Fe, Fe3O4—Fe и FeO—Fe3O4. Как видно из ряс. 2, с увеличением температуры для восстановления Fe3O4 и FeO требуется все меньшее содержание водорода в смеси H2—H2O, что собственно следует из эндотермичности реакций (1.5) и (1.6).

Как уже отмечалось, восстановление окислов углеродом и окисью углерода тесно связано. Эта связь определяется возможностью распада CO по реакции

С увеличением температуры равновесный состав газовой смеси обогащается окисью углерода, при низких температурах (до -600°) в газовой смеси преобладает CO2. Кривая равновесия реакции (1.7) приведена на рис. 3, здесь же показаны равновесия газовых смесей CO—CO2 с окислами железа и железом. Восстановление окислов железа CO при температурах выше 570° проходит по реакциям

Реакция (1.8), подобно реакции (I.4), протекает только в сторону образования Fe3O4, поэтому на графике рис. 3 область Fe3O3 почти отсутствует. Повышение температуры уменьшает равновесное содержание CO в реакции (I.9) и увеличивает — а реакции восстановления FeO до Fe.

Реакции восстановления окислов железа углеродом могут давать в качестве газообразного продукта как CO, так и CO2. Поскольку обычно восстановление окислов твердым углеродом проходит при температурах, равных или выше 900—1000°, образование CO2 в соответствии с равновесием реакции (I.7) почти не происходит и восстановление выражается следующими уравнениями:

Равновесные количества окиси углерода в реакциях (I.12) и (I.13) можно определить на графике рис. 3 из пересечения кривых равновесия реакций (I.7) и (I.9), (I.7) и (I.10).

Диаграммы, приведенные на рис. 2 и 3, позволяют определить направление реакций восстановления окислов в зависимости от температуры и состава газовой фазы. Однако направление и ход реальных процессов восстановления могут значительно осложняться такими факторами, как наличие фазовых превращений, возможность науглероживания металла при восстановлении, дисперсность исходных окислов, диффузия восстановителя внутрь частиц окислов и обратная диффузия газообразных продуктов. Поэтому количественно изложенные закономерности не всегда подтверждаются экспериментально. Тем не менее они позволяют качественно выбрать условия, при которых реакции восстановления проходят в требуемом направлении.

При получении металлических порошков методом восстановления окислов, помимо описанных выше общих физико-химических закономерностей, нужно учитывать такие факторы, как дисперсность исходного сырья, спекаемость получаемых порошков и др.

Для получения тонких порошков с развитой поверхностью следует применять мелкодисперсные исходные окислы и низкие температуры восстановления, что исключает агломерацию частиц при восстановлении. Причем, снижение температуры процесса требует длительной выдержки

Так, в работе было установлено, что для полного восстановления водородом тонких окислов железа (размер частиц 250—500А) при температуре 250° требуется выдержка 223 час., при температуре 310° — 22 час

Вообще применение тонкодисперсных окислов значительно ускоряет процесс восстановления как за счет избытка термодинамического потенциала, что связано с большой удельной поверхностью частиц, так и благодаря уменьшению времени диффузии газов-восстановителей и продуктов восстановления.

Увеличение температуры восстановления значительно снижает длительность процесса, но слишком высокие температуры приводят к сильному спеканию частиц восстанавливаемого порошка, что не всегда допустимо.

Использование высоких температур восстановления осложняется и тем, что в этих условиях в поверхностном слое порции восстанавливаемого порошка образуется плотная корка, через которую затруднена диффузия газов. Получаемые при высоких температурах частицы порошка представляют собой более крупные образования, чем исходные окисные частицы. Для полноты восстановления окислов важно также обеспечить непрерывное удаление из сферы реакции продуктов восстановления и подачу свежего восстановителя. Поэтому в восстановительном пространстве должна быть циркуляция газа-восстановителя. Необходимые режимы восстановления, которые определяются требованиями к исходному порошку, подбираются опытным путем.

Изложенные выше соображения о восстановлении окислов железа совершенно не затрагивают механизма этого процесса, детали которого недостаточно изучены.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: