Научно-технический и производственный журнал.
Издается с января 1958 года. Индекс: 70383
ISSN 2410-2091 (Online), ISSN 0368-0797 (Print)
 
 
 
 

Послать статью

 

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОКСИДОВ ЖЕЛЕЗА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УГЛЕРОДА И ПАРОВ ВОДЫ

стр. 394-406

Авторы: Кузнецов Ю. С.1, Качурина О. И.1

1 Южно-Уральский государственный университет
Кузнецов Ю. С. - к.т.н., доцент, профессор кафедры физической химии (email: kuznetcovys@susu.ac.ru)
Качурина О. И. - к.хим.н., доцент кафедры «Неорганическая химия» (email: oivk2013@mail.ru)

Аннотация: Выполнен термодинамический анализ полного восстановления оксида железа при нагревании с изотермическими выдержками исходной системы «Fe3O4 (eo моль) – Н2О(bo моль) – С(избыток)». По характеру протекающих реакций процессы в системе можно разбить на четыре этапа. 1. Газификация углерода парами воды при температурах ниже 880 K активирует протекание реакции водяного газа и диссоциации CO с образованием сажистого углерода. Состав получающейся газовой смеси «Н2 – Н2O – CO – CO2» зависит только от температуры. Расход углерода при 880 K составляет ~ 0,445 моль на 1 моль воды. 2. Восстановление Fe3O4 до вюстита FeO1+ x c разной степенью окисленности протекает в интервале температур 880 – 917 K. При этом водород восстанавливает оксид при температурах выше 888 K. Доля оксида, восстановленного водородом в этом интервале температур, возрастает от нуля до ~ 63%. Общее количество Fe3O4, восстановленного до вюстита при 917 K, составляет ~ 123 моля на 1 моль воды. Это возможно лишь при многократной регенерации восстановителей CO и Н2 по реакциям газификации углерода парами воды и диоксидом CO2. Расход углерода составляет примерно 78 моль. 3. Получающийся при 917 K вюстит FeO1,092 восстанавливается только монооксидом CO в интервале температур 917– 955 K до вюстита с меньшей степенью окисленности FeO1,054 . Углерод газифицируется только диоксидом CO2, расход углерода – примерно 18 моль. 4. При изотермической выдержке ~ 955 K вюстит восстанавливается до железа. Вюстит восстанавливается только монооксидом углерода. Расход углерода составляет примерно 257 моль. Для полного восстановления примерно 123 моль Fe3O4 в смеси с избытком углерода в закрытой системе при 1 атм достаточно 1 моля воды. Общий расход углерода составляет ~ 353 моль на получение 368 моль Fe или ~ 0,21 кг/кг железа.

Ключевые слова: оксиды железа, восстановление, водяной газ, углерод, пары воды, газификация углерода, магнетит, вюстит

DOI: 10.17073/0368-0797-2019-5-394-406

Библиография:
  1. Вяткин Г.П. Кузнецов Ю.С., Михайлов Г.Г., Качурина О.И. Термодинамика восстановления железа из оксидов.  – Челябинск: ЮУрГУ, 2017 – 346 с.
  2. Кузнецов Ю.С., Качурина О.И. Равновесие водяного газа с углеродом //  Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». 2015. Т. 15. № 4. С. 30 – 41.
  3. Михайлов Г.Г., Кузнецов Ю.С., Качурина О.И. Системный анализ процессов восстановления оксидов железа // Металлы. 2014. № 2. С. 10 – 15.
  4. Строкина И.В., Якушевич Н.Ф.Изменения окислительно–восстановительных свойств газовой фазы системы C – O2 – H2 // Изв. вуз. Черная металлургия. 2011. №  6. С. 3–5.
  5. Гришин А.М., Симонов В.К., Щеглова И.С. О несоответствии кинетических закономерностей термодинамическим предпосылкам реакций газификации углерода H2O и CO2 // Изв. вуз. Черная металлургия. 2013. № 7. С. 64 – 67.
  6. Подгородецкий Г.С., Юсфин Ю.С., Сажин А.Ю. и др. Современные тенденции развития технологии производства генераторных газов из различных видов твердого топлива // Изв. вуз. Черная металлургия. 2015. Т. 58. № 6. С. 393 – 401.
  7. Kitamura I., Shibata K., Takeda R. In-flight reduction of  Fe2O3, Cr2O3, TiO2 and Al2O3 by Ar – H2 and Ar – CH4  plasma // ISIJ International. 1993. Vol. 33. No. 11. P. 1150 – 1158.
  8. Теплов О.А. Кинетика низкотемпературного восстановления магнетитовых концентратов водородом // Металлы. 2012. № 1. С. 14 – 30.
  9. Дигонский С.В., Тен В.В. Роль  водорода  в восстановлении оксидов металлов твердым углеродом // Альтернативная энергетика и экология. 2009. № 11(79). С. 45–55.
  10. Дигонский С.В. Карботермическое восстановление оксидного сырья в неравновесных химических системах // Технология металлов. 2008. № 8. С. 3 –7.
  11. Патент RU 2111271 С1. Способ получения металлов из их сульфидов / Дигонский С.В., Дубинин Н.А., Кравцов Е.Д. Заявл. 22.10.96, опубл. 20.05.98. Бюл. изобретений.1998. № 14.
  12. Патент RU 2033431 С1. Способ получения металлов / Дигонский В.В., Дигонский С.В., Горбовский В.Е. Заявл. 02.04.91, опубл. 20.04.95. Бюл.  изобретений.1991. № 11.
  13. Muan F., Osborn E. F. Phase eqilibria among oxides in steelmaking. – New-York: Pergamon Press, 1965. – 418 p.
  14. Kubaschewski O, Evans E.L., Alcock C.B. Metallurgical Thermochemistry. – New-York: Pergamon Press, 1967. – 338 p.
  15. Казачков Е.А. Расчеты по теории металлургических процессов. – М.: Металлургия, 1988. – 288с.
  16. Теория металлургических процессов: учебник для вузов / Д.И. Рыжонков, П.П. Арсентьев, В.В. Яковлев и др. – М.: Металлургия, 1989. – 392 с.
  17. Михайлов Г.Г., Леонович Б.И., Кузнецов Ю.С. Термодинамика метал-лургических процессов и систем. – М.: ИД МИСиС, 2009. – 520 с.
  18. Mikelsons J. Degree of oxidation of iron in slag as a function of the oxygen partial pressure of the gas phase // Archiv Eisenhuttenwessen. 1982. H. 53, No. 6. S. 251– 265.
  19. Вяткин Г.П., Михайлов Г.Г., Ю.С. Кузнецов и др. Системный анализ процессов восстановления оксидов железа в атмосфере водяного газа в присутствии углерода //  Изв. вуз. Черная металлургия. 2012. № 2. С. 10 – 13.
  20. Михайлов Г.Г., Кузнецов Ю.С., Качурина О.И., Чернуха А.С. Анализ фазовых равновесий в системе «оксиды железа – С – СО – СО2» // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». 2013. Т. 13. № 1. С. 6 – 13.
  21. Spenser  P.J., Kubaschewski O. A thermodynamic assessment of the iron – oxygen system // Calphad. 1978. Vol. 2, No. 2. P. 147 – 167.
  22. Wriedth H.A. The Fe – O (iron – oxygen) system // J. Phas. Equil. 1991. Vol. 12, No. 2. P. 170 – 200.
  23. Sundman B. An assessment of the Fe – O system // J. Phas. Equil. 1991. Vol. 12, No. 3. P. 127 – 140.
  24. Физико–химические свойства вюстита и его растворов / А.А. Лыкасов, К. Карел, А.Н. Мень и др. - Свердловск: УНЦ АН СССР, 1987. – 230 с.
  25. Darken L.S.  Gurry R. The system iron – oxygen. 1. The wustite field and related equilibria // J. Amer. Chem. Soc. 1945. Vol. 67. P. 1398 – 1412; 1946.  Vol. 68. P. 798 – 816.
  26. Vallet P. , Carel C., Raccah P. Valenrs des grandeurs thermodynamiques de la wustite et de la magnetite solides // C. r. Acad. Sci., Paris, 1964. Vol. 258. P. 4028 – 4031. 
  27. Vallet P. , Raccah P. Sur les limites du domaine de la wustitesolide et le diagramme general qui en resulte // C. r. Acad. Sci., Paris, 1964. Vol. 258. P. 3679 – 3682.
  28. Vallet P., Raccah P. Contribution al¢etude des proprieties thermodynamiques du protoxide de fersolide // Mem. Sci. Rev. Met. 1965. Vol. 62. No. 1. P. 1–29.
  29. Al Kahtany M.M., Rao Y.K. Reduction of magnetite with hydrogen. Part I: Intrinsic kinetics // Ironmaking Steelmaking. 1980. Vol. 7. No. 1. P. 49–58.
  30. Rao Y.K., Moinpour M. Reduction of  hematite with hydrogen at modest temperatures // Met. Trans. 1983. Vol. 14B, No. 4. P. 711–723.
  31. Pineau A., Kanari N., Gaballah I. Kinetics of reduction of iron oxides by H2. Pt.II:  Low temperature reduction of magnetite // Thermochim. Acta. 2007. Vol. 456. P. 75 – 88.

Дата поступления: 05.05.2018

Главный редактор

Леонтьев Леопольд Игоревич

Главный редактор Известия вузов Черная металлургия