Физико-химические основы восстановительных процессов

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 8 из 45Следующая ⇒

Одним из условий получения чугуна в ДП является удаление кислорода из оксидов, металлы которых входят в состав чугуна. Процесс отнятия кислорода от окисла и получения из его элемента или окисла с меньшим содержанием кислорода называется восстановлением. С восстановлением протекает окисление вещества, к которому переходит кислород окисла. Это вещество называется восстановителем. Процесс восстановления оксидов восстановителем описывается уравнением

МеО + В → Ме + ВО, (49)

где MeО – восстанавливаемый оксид; В – восстановитель; Me – восстановленный металл; ВО – оксид восстановителя.

Восстановительные процессы сопровождаются выделением или поглощением тепла, т.е. относятся к числу термохимических процессов.

Химическая прочность оксида определяется силами химической связи данного элемента с кислородом, называемыми химическим сродством элемента к кислороду. Чем больше химическое сродство элемента к кислороду, тем прочнее оксид и тем труднее его восстановить. Химическое сродство элемента к кислороду характеризуется упругостью диссоциации оксида или стандартным изменением термодинамического потенциала при образовании оксидов из элементов ΔG°. Упругость диссоциации оксидов определяется парциальным давлением кислорода в системе, состоящей из окисла металла, кислорода и элемента металла, при котором система находится в равновесии (подобно рассмотренной ранее упругости диссоциации карбоната).

Стандартное изменение изобарного термодинамического потенциала определяется из уравнения

ΔG⁰=ΔH₂₉₈ – TΔS₂₉₈, (50)

где ΔH₂₉₈ – изменение энтальпии, численно равное тепловому эффекту реакции с обратным знаком, кДж/(ккал);

Т – абсолютная температура, °К;

ΔS₂₉₈ – изменение энтропии при образовании окисла из элементов, кДж/°К(ккал/°К).

С увеличением сродства элемента к кислороду уменьшается упругость диссоциации окисла и возрастает отрицательное значение величины ΔG°.

Восстановителем может быть элемент или химическое соединение, имеющее большее химическое сродство к кислороду, чем восстанавливаемый из окисла элемент, а условиями протекания восстановительного процесса являются неравенства

, . (51)

Чем больше эти неравенства, тем интенсивнее протекает процесс восстановления.

Химическая прочность оксидов металлов неодинакова, т. е. химическое сродство элементов к кислороду различное. Однако общей закономерностью для всех металлов является уменьшение их сродства к кислороду при повышении температуры. Зависимость величины ΔG°, характеризующей сродство некоторых элементов и их низших оксидов к кислороду, от температуры (рисунок 24).

Все линии, характеризующие сродство металлов и их низших оксидов к кислороду - восходящие и только линия, характеризующая сродство углерода к кислороду- нисходящая. Это значит, что с увеличением температуры сродство металлов к кислороду уменьшается, а углерода – возрастает, т. е. увеличением температуры восстановительная способность углерода по отношению к оксидам металлов возрастает. Эту закономерность используют в металлургических процессах, применяя в качестве восстановителя широко распространенный в природе углерод.

В ДП углерод может восстанавливать почти все металлы, показанные на графике, за исключением кальция, магния и алюминия. Для восстановления этих металлов углеродом требуется более высокая температура, чем достигаемая в доменной печи. При температурах правее точек пересечения нисходящей прямой окисления углерода он восстанавливает соответствующие элементы из их оксидов. Кроме углерода, восстановителями в доменной печи являются оксид углерода и водород. По взаимному положению линий на рисунке можно судить о химической прочности различных оксидов. Чем ниже расположена прямая, характеризующая величину ΔG° для реакции образования окисла, тем более прочен оксид. При Т = 1200° К все оксиды в порядке уменьшения прочности располагаются в следующем порядке: CaO, MgO, А1₂О₃, TiО₂, SiО₂, MnO, Cr₂O₃, P₂O₅, Fe₃O₄, NiO, Fe₂O₃, Cu₂O, Mn₂O₃, MnO₂. Переломы на некоторых кривых объясняются изменением агрегатного состояния, вещества.

Рисунок 24 - Изменение химического сродства элементов и низших оксидов элементов

к кислороду

Основная задача доменного процесса – это максимальное извлечение железа из руды в чугун путём их восстановления. Железо поступает в доменную печь в виде оксидов. Так вместе с агломератом, окатышами и рудой железо вносится в виде Fe₃O₄ и Fe₂O₃. При этом часть этих оксидов находятся в виде соединений с другими окислами.

Процесс восстановления железа из окислов согласно принципу А.А. Байкова о последовательности превращений протекает ступенчато от высших оксидов к низшим:

при температуре >570°С

Fe₂О₃ → Fe₃О₄ → FeO → Fe,

при температуре <570°С

Fe₂0₃ → Fe₃0₄ → Fe.

Восстановление оксидов железа в доменной печи происходит как непосредственно углеродом, так и газами СО и Н₂. Процесс восстановления оксидов железа углеродом принято считать прямым восстановлением, а газами – косвенным восстановлением.

В условиях доменной печи восстановление оксидов железа происходит с достаточной скорость и начинается уже в верхних горизонтах печи.

Оксид железа Fe₂О₃ начинает восстанавливаться уже при температурах 350 – 400 °С, магнетит - в интервале температур 600 – 800 °С, а оксид железа FeO при температурах 950 – 1000 °С.

Познавательные статьи:



Техника прыжка в длину с разбега

Тактические действия в защите

История Олимпийских игр

История развития права интеллектуальной собственности