Прямое восстановление (доменная печь)

Не путать с прямым сокращением .

Прямое восстановление — это та часть восстановления оксида железа , которая происходит в доменной печи из-за присутствия углерода кокса , тогда как остальная часть — непрямое восстановление — состоит в основном из оксида углерода от сгорания кокса .

Следует также отметить, что многие оксиды цветных металлов восстанавливаются по этому типу реакции в доменной печи . Таким образом, эта реакция важна для работы исторических процессов производства цветных металлов с помощью несталелитейных доменных печей (т.е. доменных печей, предназначенных для производства ферромарганца , ферросилиция и т. д., которые сейчас исчезли).

прямым восстановлением, В процессах производства стали при которых оксиды металлов контактируют с углеродом (обычно основаны на использовании каменного или древесного угля ), также используется эта химическая реакция. На самом деле, на первый взгляд, многие из них используют только эту реакцию. Процессы, которые исторически конкурировали с доменными печами, такие как каталонская кузница , были ассимилированы в эту реакцию. Но современные процессы прямого восстановления зачастую основаны исключительно на использовании газов-восстановителей: в этом случае их название приобретает прямо противоположный смысл химической реакции.

Определение

Основная статья: Доменная печь

Для доменных печей прямое восстановление соответствует восстановлению оксидов углеродом кокса. Однако на практике прямое восстановление играет значительную роль только на заключительной стадии восстановления железа в доменной печи, помогая восстановить вюстит (FeO) до железа . В этом случае химическую реакцию можно тривиально описать следующим образом:

         FeO + C → Fe + CO            consuming 155,15 kJ/mol

Однако «в твердом состоянии в отсутствие газов реакции практически не происходит, даже между тонкоизмельченной железной рудой и угольным порошком. Другими словами, кажется очевидным, что реакция происходит через газы». Это означает, что прямое восстановление, скорее всего, соответствует следующей цепочке реакций:

         FeO + CO → Fe + CO2       producing 17,45 kJ/mol              (reduction by CO)

         CO2 + C ⇌ 2 CO                consuming 172,45 kJ/mol          (Boudouard reaction)

Роли

На эту реакцию приходится около половины превращения вюстита FeO в железо. и удаляет 30% общего поступившего кислорода, преимущественно в виде оксида железа Fe ₂ O ₃ . Этот режим восстановления вюстита является сильно эндотермическим , тогда как восстановление оксидов железа CO является слегка экзотермическим (+155,15 кДж/моль против -17,45 кДж/моль), поэтому важно свести его к минимуму.

Эта реакция касается всех оксидов железа, присутствующих в доменной печи, а также оксидов марганца(II) (Mno), кремнезема (SiO ₂ ), хрома , ванадия и титана , которые частично восстанавливаются в доменных печах. Эти химические реакции описаны ниже:

         MnO + C → Mn + CO    consuming 282,4 kJ/mol à 1 400 °C (begins above 1,000°C and involves half of the manganese present in the charge)

         SiO2 + 2 C → Si + 2 CO  consuming 655,5 kJ/mol          (begins above 1 500 °C)

Хром и ванадий ведут себя как марганец, титан — как кремний. Что касается остальных оксидов железа, то их прямое восстановление имеет незначительное значение. Это можно записать как:

         3 Fe2O3 + C → 2 Fe3O4 + CO       consuming 118,821 kJ/mol

         Fe3O4 + C → 3 FeO + CO             consuming 209,256 kJ/mol

В несталеплавильных доменных печах, предназначенных для производства ферросплавов , прямое восстановление имеет основополагающее значение. Например, для производства ферроникеля используют обе реакции прямого восстановления:

         NiO + C → Ni + CO          above 445 °C

         FeO + C → Fe + CO          above 800 °C

Таким образом, хотя никель восстанавливается немного легче, чем железо, его нельзя восстанавливать и отливать независимо от железа.