Восстановление: удалить связанный кислород
Восстановление оксидов железа переводит железо из оксидной формы в металлическую. Восстановитель принимает кислород, образуя другие продукты: при использовании CO возникает CO₂, при использовании H₂ — H₂O. Это не выделение всего кислорода в виде свободного O₂. Железо в исходном оксиде уже учитывается в анализе общего Fe, но ещё не является металлическим железом.
Часто показывают цепочку Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe. Это схема фазовых превращений, а не уравнение с сохранением атомов. Вюстит имеет область устойчивости и фактически нестехиометричен; при более низких температурах путь может не включать устойчивую фазу FeO. Для количественного баланса записывают отдельные уравнения и учитывают условия реакции.
Термодинамика и скорость решают разные задачи
Для суммарного восстановления гематита CO удобно записать Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂; для водорода — Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O. Направление реакции определяется температурой, активностями твёрдых фаз и отношением компонентов газа. Одной высокой температуры недостаточно: газ должен иметь подходящий восстановительный потенциал.
Даже термодинамически возможная реакция может идти медленно. Влияют размер частицы, пористость, доступ газа к поверхности, диффузия через поры и слой продукта, а также химическая реакция на границе фаз. Поэтому изменение состава газа не гарантирует пропорционального увеличения производительности. Скорость и полноту восстановления проверяют для конкретной руды и аппарата.
| Показатель | Определение | Типичная ошибка |
|---|---|---|
| Общее Fe | Всё железо: металлическое и связанное | Считать его готовым металлом |
| Металлизация | Металлическое Fe / общее Fe × 100% | Делить на всю массу DRI |
| Извлечение Fe | Fe в выбранном продукте / Fe питания × 100% | Приравнивать к металлизации |
| Степень восстановления | Удалённый кислород относительно выбранной исходной оксидной базы | Не указать форму исходного оксида |
Таблицу можно прокручивать по горизонтали →
Проверяемый баланс условной шихты
Возьмём 1000 кг сухого питания: 800 кг чистого Fe₂O₃ и 200 кг условно инертной пустой породы. При принятых для примера округлённых атомных массах Fe = 55,845 и O = 15,999 молярная масса Fe₂O₃ равна 159,687 г/моль. Доля Fe составляет 2 × 55,845 / 159,687 = 0,6994307614. Дополнительные знаки нужны для проверки арифметики, а не характеризуют точность промышленного анализа. В питании находятся 559,544609 кг Fe и 240,455391 кг кислорода, связанного именно в Fe₂O₃.
При идеальном полном восстановлении и отсутствии потерь твёрдый остаток состоит из 559,544609 кг металлического Fe и 200 кг пустой породы: всего 759,544609 кг. Удалённые 240,455391 кг кислорода уходят в газообразные продукты вместе с веществом восстановителя. Для полного баланса надо отдельно добавить массу CO или H₂ и соответствующих CO₂ или H₂O; разность масс твёрдых потоков не равна массе отходящего газа.
Для идеального стехиометрического CO-баланса примем C = 12,011. По уравнению Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ на 800 кг Fe₂O₃ требуется 420,973529 кг CO и образуется 661,428920 кг CO₂. Полный вход: 1000 + 420,973529 = 1420,973529 кг. Полный выход: 559,544609 кг Fe + 200 кг пустой породы + 661,428920 кг CO₂ = 1420,973529 кг. Это теоретический баланс без избытка газа, рециркуляции и побочных реакций.
Если затем условно извлекают в выбранный металлический продукт 85% содержащегося Fe, получают 475,612918 кг железа. Это извлечение, а не металлизация. Потери Fe должны находиться в остальных потоках. Пустая порода не исчезает при восстановлении и не превращается автоматически в готовый шлак без последующего плавления и взаимодействия с флюсами.
Различие промышленных маршрутов
В доменной печи восстановление связано с плавлением, науглероживанием и образованием жидкого шлака. В распространённом шахтном DRI-процессе восстановление идёт без плавления; остаточные оксиды и пустая порода поступают далее в электропечь. Термины прямого и косвенного восстановления в доменной теории описывают участие углерода и газа и не совпадают с названием всей технологии «прямое восстановление железа».
При выборе процесса отдельно проверяют качество сырья, газовый состав, энергетическую границу и требуемый конечный продукт. Стехиометрический расчёт задаёт теоретический предел по атомам; он не определяет промышленный расход газа, тепла или время пребывания. Реальный расход включает нагрев, избыток и рециркуляцию газа, побочные реакции и потери.
Первичная база
- Chen, Chou, Morita, 2016: метастабильный вюстит — исследование фазового пути восстановления.
- NIST: атомная масса Fe и O — справочные значения; в примере используются указанные округления.
- MIDREX: Direct Reduced Iron — удаление связанного кислорода без плавления.
- MIDREX: The Value of DRI — определение металлизации.
- worldsteel: What is steel? — разграничение маршрутов.