Закономерности углетермических восстановительных процессов

Углетермические процессы – процессы, в которых в качестве восстановителя используют твердый углерод. Доля восстановительных процессов за счет твердого углерода повышается при повышении температуры в реакционном пространстве, и при переходе от легко- и средневосстановимых оксидов к трудно восстановимым.

Углерод, как восстановитель, может работать только при определенных условиях, как в случае восстановления чистых веществ, так и в условиях наличия растворов систем.

Восстановление чистых веществ (растворов в системе нет)

температура начала восстановления

При восстановлении оксидов твердым углеродом необходимо учитывать одно обстоятельство: газовая фаза в реакционном пространстве должна иметь определенный состав. Это обстоятельство было установлено, когда выяснилось, что контакт между куском оксида и куском твердого углерода, в основном, имеет малую площадь, более того, после первых стадий восстановления может образовываться металлический продукт, который твердый углерод в себе не растворяет, значит контакт между оксидом и углеродом исчезает, а реакция восстановления между тем идет, причем с достаточно высокими скоростями. Было установлено, что суммарная реакция идет в две стадии по следующему механизму:

- реакция косвенного восстановления

- реакция газификации (реакция Белла – Будуара)

- реакция прямого восстановления

Рассмотрим условия, при которых возможна двухстадийная схема восстановления оксида твердым углеродом. Чтобы реакция восстановления твердым углеродом шла, необходимо, чтобы отдельные стадии I и II могли протекать одновременно вправо. При заданной температуре оценим, в каких случаях это возможно.

Точка 1 – в этих условиях реакция I (FeO+CO=Fe+CO₂) может идти вправо, в этих же условиях реакция II (C+CO₂=2CO) может протекать только влево. Значит в случаях газовой фазы т.1 восстановление оксида твердым углеродом невозможно.

Точка 3 –при таком составе газовой фазы реакция I может протекать вправо, реакция II будет протекать вправо; восстановление твердым углеродом возможно.

Точка 5 – реакция I в такой газовой фазе может идти влево, реакция II может идти вправо; восстановление твердым углеродом невозможно.

Точка 6 – реакция I и II идут влево. Итак, мы видим, что при восстановлении твердым углеродом оксида FeO газовая фаза может иметь состав только такой, который отвечает заштрихованной области. Если вместо FeO рассматривать оксид NiO, то заштрихованная область станет существенно больше, и возможности восстановления С_тв. расширяются. Если мы имеем трудновосстановимый оксид, то заштрихованная область будет узкой.

Влияние наличия в системе растворов. Рассмотрим упрощенно, графическим методом.

– температуры начала восстановления твердым углеродом из шлака при различных концентрациях FeO в нем.

– температуры начала восстановления твердым углеродом, если металл переходит в раствор.

Чем меньше концентрация FeO в шлаке, тем выше температура начала восстановления, тем уже заштрихованная область оптимальных составов СО и СО₂. Если же восстанавливаемый металл имеет возможность переходить в раствор на основе других металлов, то температура начала восстановления понижается, и она будет тем ниже, чем меньше восстанавливаемого металла содержиться в растворе.