Термодинамика восстановления окислов железа

Восстановление оксидов металлов, имеющих несколько степеней окисления, происходит последовательно. Так, восстановление оксидов железа водородом при температурах выше 570°С (843 К) происходит в соответствии с реакциями:

(1) 3Fe₂0₃ + H₂=2Fe₃O₄+Н_гO DH₁ = -12890 Дж;

(2) Fe₃O₄ + H₂=3FeO + Н_гO DH₂ = 77520 Дж;

(3) FeO + H₂=Fe + Н₂О DH₃ = 24790 Дж

При температурах ниже 570°С, когда вюстит становится термодинамически неустойчивым, восстановление FезО₄ происходит до железа:

(4) ¼ Fe₃0₄ + Н₂ = ³/₄Fe + Н₂О DH₄ = 37970 Дж.

Реакция (I) является необратимой. Константы равновесия остальных реакций имеют один и тот же вид:

Kp = PН₂О/PН₂ = %Н₂О/%Н₂

Численное значение констант равновесия различно для разных реакций. Поэтому каждая реакция характеризуется определенным значением состава равновесной газовой смеси Н₂ — Н₂О, который изменяется с температурой.

На рис.18 приведена диаграмма равновесия оксидов железа с газовыми смесями Н₂ — Н₂О. Диаграмма учитываеттакже образование растворов переменного состава в области вюстита.

Диаграмма равновесия оксидов железа с газовыми сме­сями СО—СО₂ приведена на рис. 19

Рис. I8. Диаграмма равновесия оксидов Рис. 19. Диаграмма равновесия оксидов железа

железа с газовыми смесями Нг— Н₂О с газовыми смесями СО— СОг

Основные различия термодинамики восстановления окислов железа окисью водорода и углеродом следующие.

При температуре ниже 810^оС. водород как восстановитель слабее окиси углерода, его равновесная концентрация больше, чем равновесная концентрация окиси углерода. Выше 810^оС Водород становится более сильным восстановителем.

Восстановление окислов железа твердым углеродом возможно по следующим реакциям.

(5) 3Fe₂0₃ + С=2Fe₃O₄+СO DH₅ = 129,07 МДж;

(6) Fe₃O₄ + С=3FeO + СO DH₆ = 187,28 МДж;

(7) 3FeO + С = Fe+CO DH₇ = 152,67 МДж;

Для реакции (7) lgKp = -7730/T+7.84, Суммарный тепловой эффект реакций 5-7 отрицательный.