Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Южно-Уральский государственный университет

Филиал в г. Златоусте

Факультет Металлургический

Кафедра «Общая металлургия»

Курсовая работа

По курсу «Теория металлургических процессов»

На тему: «Восстановление оксидов железа водородом»

Выполнил: Королев Е.А.

Группа: ЗД-239

Проверил: Дильдин А.Н.

Златоуст 2011г.

Содержание:

Введение………………………………………………………………………3

Восстановление оксидов железа водородом…………………………...4

Задача №1. Взаимодействие углерода с кислородосодержащей газовой фазой.……………………………………………………………………….…9

Задача №2. Восстановление оксида железа оксидом углерода и водородом…………………………………………………………………...13

Заключение………………………………………………………………….15

Библиографический список………………………………………………..16

Введение

Металлургия — одна из древнейших областей деятельности чело­века. Неслучайно отдельные эпохи истории названы, исходя из распространения того или иного металла: "бронзовый век", "желез­ный век".

В глубокой древности была разработана оригинальная, весьма интересная технология прямого получения железа. На территории нашей страны еще в 1400 году до нашей эры, как утверждают археологи, уже выплавляли железо так называемым кричным методом. Сначала в гopнаx при температуре около 1000 градусов (такую температуру можно создать, не применяя современных способов нагрева) восстанавливали железную руду обыкновенным углем, получали так называемую крицу. Затем крицу, своего рода железную губку, много­кратно проковывали в горячем состоянии. В результате появилось довольно чистое железо, из которого можно было изготовить различные предметы быта и оружие.

Типичным же способом изготовлена и знаменитая металлическая колонна, которая высится близ города Дели. Воздвигнута она в начале V века нашей эры и изготовлена из железа феноменальной чистоты - металл содержит лишь 0,28 % примесей. Простояла колонна более 1500 лет без каких-либо признаков коррозии.

Со временем двух ступенчатая система восстановления железа углем с последующей ковкой – единственная тогда промышленная схема черной металлургии – отошла в небытие. Ее заменил доменный процесс, который в сочетании с мартеновским и кислородно-конверторным царствует в современной металлургии.

Однако экономика и дополнительные требования к чистоте металла снова вызвали к жизни старый, испытанный метод. Побуждающие причины достаточно очевидны. Кроме дефицита энергоресурсов и в частности кокса, можно указать быстро растущую потребность в высококачественном металле. Авиация, ракетная техника, приборостроение и т.д.

Восстановление оксидов железа водородом

В качестве газов - восстановителей используют водород, оксид углерода, их смеси, углеводород.

Если для восстановления использовать водород, то анализ термодинамической возможности восстановления оксидов может быть проведен с помощью диаграммы G⁰=f(T) для реакции образования оксидов металлов и водяного пара. Процесс восстановления в этом случае можно представить уравнением: МеО_к + Н₂= Ме_к + Н₂О,

где МеО_к и Ме_к – конденсированные фазы оксида и металла.

Система имеет (С=К+2–Ф=3+2–3=2) две степени свободы. Если заданы общее давление и температура, то состав газовой фазы состоящей из Н₂ и Н₂О, равновесной с твердыми фазами, определяется путем решения двух уравнений:

(1)

с учетом, что

(2)

Некоторые металлы, как например, железо образуют несколько оксидов. Восстановление, как и диссоциация в этом случае протекает в две или более стадий. Для оксидов железа , при температурах выше 840 К восстановление протекает по трехстадийной схеме:

; (3)

; (4)

. (5)

При температурах ниже 840 К Fe₃O₄ восстанавливается сразу до железа, поэтому процесс Fe₂O₃ двухстадийный:

; (6)

. (7)

Одинаковое количество атомов железа, участвует в каждой реакции, приведено для облегчения оценки относительного количества кислорода, каждой стадии процесса.

Рисунок 1. Диаграмма равновесий оксидов железа с газовой фазой СО – СО₂ (1)

и Н₂ – Н₂О (2) (А – кривая газификации углерода)

На рис.1 линия равновесного состава газа для реакции (3) нанесена условно, вследствие необратимости этой реакции газовая фаза практически полностью состоит из паров воды.

Используя рис. 1, можно при заданной температуре, общем давлении и парциальном давлении газа определить область существования конденсированной фазы железа. Равновесные характеристики восстановления других оксидов могут быть рассчитаны подобным образом.

Сопоставление линий равновесного состава газовой фазы при восстановлении оксидов железа газами СО и Н₂ (рис.1) показывает, что при температурах T < 1083 K для восстановления оксидов железа требуется более высокое по сравнению с СО парциальное давление Н₂ в газовой фазе.

При T > 1083 K соотношение обратное: для соответствующих оксидов равновесное парциальное давление Н₂ ниже, чем равновесное парциальное давление СО.

Таким образом, при T < 1083 K более сильным восстановителем является оксид углерода, а при T > 1083 K – водород. Это изменение восстановительной способности СО и Н₂ иллюстрирует рис.1 (пересечение линий равновесного состава смесей СО – СО₂ и Н₂ – Н₂О).

Оксид FeO на диаграмме состояния имеет области нестехиометрического состава. В вюстите (FeO), например, имеющем важное значение при производстве железа и его сплавов, массовое содержание кислорода зависит от температуры и может изменяться от 23,1 до 25,6%.

Если использовать линии равного парциального давления кислорода, в вюститной области системы Fe – O, то можно рассчитать составы газовой фазы Н₂ – Н₂О, равновесной с вюститом различного состава. На практике удобно пользоваться данными, показывающими содержание кислорода в вюстите, равновесном с газовой фазой различного состава. Линии равного содержания кислорода в вюстите, равновесном с газовой фазой Н₂ – Н₂О представлена на рис.2.

Рисунок 2. Равновесное содержание кислорода в вюстите и жидких оксидах под газовой фазой Н₂ – Н₂о:

1- 24,8%; 2 – 24,0%; 3 – 23,5%; 4 - 22,9%; 5 - 25,2%;

6 - 24,8%; 7 - 24,4%; 8 - 24,0%; 9- 23,6%; 10-23,2%

При восстановлении оксидов, находящихся в растворе или образующих химическое соединения с другими оксидами, например, вюстит с MnO, MgO, CaO, процессы восстановления имеют свои особенности, связанные с учетом активности оксида, находящегося в растворе. Равновесие реакции восстановления в общем виде можно представить уравнением:

(8)

где - твердый раствор в ; n – число молей , растворенных в .

Видно, что в процессе восстановления изменяется (уменьшается) концентрация и , что неизбежно приводит к изменению равновесного состава газовой фазы.

При восстановлении, например, раствора вюстита в MnO

(9)

константа равновесия зависит от активности FeO в растворе MnO

(10)

Активности компонентов твердого раствора (Mn, Fe) О были определены

различными методами, в частности путем установления равновесных составов смесей Н₂ – Н₂О и СО – СО₂ с этими растворами и при помощи твердых электролитов. Подобным образом можно определить равновесный состав газовой фазы при восстановлении Fe₃O₄ из раствора с Mn₃О₄, которые образуют систему твердых растворов.

Образование растворов характерно для металлургических процессов. Так, вюстит при 1100 ⁰С растворяет до 28% СаО, а СаО до 15% вюстита. Дихромтриоксид (Cr₂O₃) растворяется в вюстите до 5% при 1350 ⁰С и образует соединение Fe Cr₂O₄, которое в свою очередь, образует с магнетитом непрерывный ряд твердых растворов. Кроме того в процессах восстановления сложных оксидных систем в большинстве случаев возможно образование различных соединений между исходными оксидными фазами, промежуточными и конечными продуктами восстановления, а также сопутствующими оксидами. На практике часто не осуществляются равновесные условия, отсутствуют термодинамические данные для восстановления многих соединений, поэтому обычно производится приближенная оценка равновесий. Тем не менее, учет образования промежуточных соединений при проведении соответствующих расчетов позволяет проводить нужные корректировки технологических процессов.