Механизм процесса восстановления

Сегодня нет единой трактовки механизма восстановления окислов в доменной печи.

Наиболее исследован процесс восстановления куска руды в области умеренных температур.

В пространстве между кусками руды и в крупных порах течет газ-восстановитель.

· Для контакта с реакционной поверхностью газу-восстановителю нужно диффундировать по микропорам куска, а также через слой образовавшихся твердых продуктов восстановления внутрь куска. Газообразные продукты тем же путем отводятся из зоны реакции. Для описания диффузии через граничный слой газа толщиной l используется коэффициент массопередачи.

b = D/l, где D – коэффициент диффузии газа восстановителя

Коэффициент диффузии газов 1 и 2 в бинарной смеси

где t – температура, °С

р – давление , кПа

М₁ и М₂ – молекулярные массы газов

s₁ и s₂ - диаметры молекул газа , Å.

При диффузии в порах удары молекул о стенки поры, будут чаще, чем столкномения молекул такое движение называется кнудсеновским или молекулярным, коэффициент кнудсеновской диффузии

D^k = 8/3d(RT/2pM)^1/2

где d – эффективный размер поры.

· Далее необходима адсорбция газа-восстановителя на поверхности твердой фазы. На этой поверхности протекает реакция восстановления, включающая отнятие кислорода от окисла, образование и рост зародышей продуктов восстановления – магнетита, вюстита и железа.

· Последующее наращение слоя продуктов реакции происходит в результате твердофазных реакций и диффузии в твердой фазе. Диффузия преимущественно протекает по вакансиям кристаллической решетки вюстита.

Движущей силой на каждом этапе является отклонение от положения равновесия. Например, для диффузии - это разность концентраций (или давления) реагентов в начале и в конце диффузионного пути. Важное значение имеет определение лимитирующей стадии.

По С.Т. Ростовцеву критерием является показатель S = (ka/Db)^1/2×r₀

где r₀ – исходный размер окисного шара.

k – константа скорости химической реакции

a – удельная поверхность пор

D – коэффициент диффузии газа через поры

b – удельный объем пор.

если S<0.1 – процесс идет в кинетическом режиме

если S>40 – процесс идет в диффузионном режиме скорость лимитируется подводом газа-восстановителя к реакционной поверхности.

В промежуточной области при низких температурах – кинетический режим, при высоких – диффузионный.