Восстановление оксида металла углеродом

Спасибо! Ваша заявка отправлена, преподаватель свяжется с вами в ближайшее время.

Вы можете также связаться с преподавателем напрямую:

Скопируйте эту ссылку, чтобы разместить результат запроса " " на другом сайте.

Изображение вещества/реакции можно сохранить или скопировать, кликнув по нему правой кнопкой мыши.

Внимание, если вы не нашли в базе сайта нужную реакцию, вы можете добавить ее самостоятельно.

На данный момент доступна упрощенная авторизация через VK.
В будущем добавлю авторизацию через Гугл и Яндекс.

Здесь вы можете выбрать параметры отображения органических соединений.

Эти параметры действуют только для верхнего изображения вещества и не применяются в реакциях.

Корректная работа сайта обеспечена на всех браузерах, кроме Internet Explorer.

Если вы пользуетесь Internet Explorer, смените браузер.

На сайте есть сноски двух типов:

Подсказки - помогают вспомнить определения терминов или поясняют информацию, которая может быть сложна для начинающего.

Дополнительная информация - такие сноски содержат примечания или уточнения, выходящие за рамки базовой школьной химии, нужны для углубленного изучения.

Восстановление металла из оксидов твердым углеродом

Реакции восстановления оксидов металлов твердым углеродом являются наиболее распространенными в руднотермических процессах. В общем случае при углетермическом восстановлении наряду с основными продуктами (металлом или низшим оксидом) могут получаться два оксида углерода СО и СО₂. Поэтому могут протекать два вида реакций

МеО + С = Ме + СО, (I)

2 МеО + С = 2 Ме + СО₂. (II)

Относительное развитие процесса по данным видам реакций определяется взаимодействием

Каждая реакция прямого восстановления может рассматриваться как суммарная, например,

МеО + СО = Ме + СО₂,

МеО + С = Ме + СО

×2׀ МеО + СО = Ме + СО₂,

2 МеО + С = 2Ме + СО₂.

Таким образом, возможен так называемый косвенный анализ. Термодинамические характеристики реакций прямого восстановления и их константы равновесия могут быть определены путем алгебраического суммирования величин, определяющих термодинамику реакции восстановления оксидов монооксидом углерода и реакции газификации.

С повышением температуры идет смещение равновесия эндотермической реакции (е) в сторону больших концентраций СО, и возрастает роль реакций I-ого вида в восстановлении оксидов углеродом. При температурах 1200–1300 К по равновесию (е) % СО в газовой фазе приближается к 100 % и роль реакций II-ой группы становится весьма малой. Иначе, при температурах пирометаллургических процессов наибольшее значение имеют реакции восстановления углеродом с образованием СО в качестве продукта, но не СО₂. Отнятие кислорода от термодинамически устойчивых оксидов, например, MnO, SiO₂, Al₂O₃ за счет углерода может происходить только при высоких температурах. Поэтому при термодинамическом анализе углетермического восстановления таких оксидов можно учитывать только реакции первого вида с образованием одного оксида углерода СО.

В соответствии с диаграммой состояния системы Fe–O и принципом последовательности превращений А.А. Байкова уравнения реакций восстановления оксидов железа твердым углеродом должны быть записаны в виде двух систем:

Относительный вклад углерода как восстановителя во взаимодействия 1-ой и 2-ой систем определяется развитием реакции газификации углерода

При наличии твердого углерода в системе Fe–С–O и вотсутствии растворов любая из частных систем, представленная одной из реакций , , является трехкомпонентной и четырехфазной, а потому моновариантной . Это означает, что из переменных: только один параметр является независимым. Если выбрать в качестве независимого то для реакций первой системы , что подтверждается выражением . Для реакций второй системы зависимость также подтверждается выражением . То есть состояние данных частных систем определяется только температурой.

Для более общих систем, например, системы, представленной реагентами и четырьмя реакциями , из которых только две независимые, моновариантность подтверждается при анализе системы трех уравнений связи.

Решение ее относительно Р можно выполнить следующим образом. Запишем уравнение (9) в виде и введем в него замены из уравнений (7) и (8), записав . Получаем

Выражение (10) указывает на однозначную зависимость Р от Т.

Состав газовой фазы для рассматриваемой системы может быть найден из выражения , получаемого из уравнения (7) при замене парциальных давлений концентрациями газов в % (об.).

Введя в правило фаз условие нонвариантности системы Fe–С–O ( )

, определяем, что возможно пятифазное ее состояние, то есть одновременное сосуществование четырех твердых ( ) и газовой ( ) фаз. Оксид может находиться в равновесии только с и С в присутствии , и с его участием пятифазная система не реализуется.

Условия равновесия оксидов железа с твердым углеродом в газовой фазе представлены графически на рис. 4.

На графике отсутствует кривая равновесия с газовой фазой. Условия этого равновесия (см. табл. 3) соответствуют весьма высоким давлениям, нехарактерным для обычных руднотермических процессов и без графической иллюстрации указывают на ничтожно низкую устойчивость в присутствии твердого углерода. Кривые 1–3 разделяют области устойчивого существования различных оксидов железа при наличии твердого углерода. Эти кривые сходятся в одной так называемой пятерной точке нонвариантного пятифазного равновесия: газ и .

Координаты этой точкиимеют значения 843 К и 0,125 атм. Содержание СО равно 42,8 % (об.). Диаграмма с нанесенными обозначениями устойчивых конечных состояний позволяет быстро установить, какие превращения должен претерпевать оксид железа в присутствии твердого углерода и каково конечное состояние системы.

Например, при давлении 1 атм можно отметить две характерные температуры Т₁ и Т₂. При Т Т₁ в равновесии с твердым углеродом устойчив магнетит . При Т₁ начинается его восстановление до . При Т₁ < Т Т₂ оксид не восстанавливается углеродом, но при Т > Т₂ оксид взаимодействует с углеродом и восстанавливается до металлического железа.

Термодинамический анализ условий восстановления оксидов железа твердым углеродом возможен на основе совместного графического представления зависимостей для реакций косвенного восстановления оксидов железа монооксидом углерода и реакции газификации углерода.

На график, представленный на рис. 2, нанесем изобару реакции газификации углерода, соответствующую равновесию при 1 атм реакции

Для ее построения используем результаты расчета по уравнению

полученному при решении системы уравнений:

Константу равновесия реакции (e) вычисляем из известного выражения

Восстановление оксидов металлов из их твердых растворов

Восстановление в реальных процессах протекает, как правило, с участием компонентов, находящихся в твердых и жидких растворах. Реакция косвенного восстановления низшего оксида металла при наличии растворов может быть записана в виде

(МеО) + В_газ = [Ме] + ВО_газ

Здесь указано общепринятое в металлургической литературе обозначение в круглых скобках оксида МеО в оксидном растворе (шлаке) и обозначение в квадратных скобках металла в металлическом сплаве.

Константа равновесия реакции

включает активности компонентов в растворах, которые отличаются от единицы и при выборе стандартного состояния «чистый компонент» , .

Отсюда следует, что равновесный состав газовой смеси ВО – В должен зависеть не только от температуры, но и от концентраций растворов.

Рассмотрим изменение условий восстановления на примере реакций восстановления оксидов железа.

Уточненная диаграмма устойчивости железа и его оксидов (см. рис. 8) дает возможность определять условия получения вюстита заданного состава при восстановлении оксидов железа водородом. Удобными для такого же анализа могут оказаться изотермические зависимости в координатах – . На рис. 9 представлены две изотермы восстановления.

Наклонные участки линий соответствуют области гомогенности вюстита. Верхние горизонтали отражают равновесия вюстита с железом. Нижние – равновесия вюстита с магнетитом. Нижняя пунктирная линия указывает на характер изменения равновесной концентрации восстановителя от содержания кислорода в магнетите при 1400 К. Так как состав магнетита при невысоких температурах практически неизменен и соответствует стехиометрическому Fe₃O₄ (% O = 27,64), то при 1000 К наклонная линия изотермы в области магнетита вырождается в вертикальную.

Аналогичная уточненная диаграмма устойчивости железа и его оксидов (см. рис. 10) дает возможность определять условия получения вюстита заданного состава при восстановлении оксидов железа монооксидом углерода.

На рис. 11 в координатах – представлены две изотермы восстановления. Анализ графиков (рис. 10 и 11) аналогичен выполненному при рассмотрении рис. 8 и 9 в системе Fe – H – O. На графики внесены уточнения в области существования вюстита в системе Fe–С–O, позволяющие определять условия получения вюстита заданного состава при восстановлении оксидов железа монооксидом углерода.

На рис. 11 в координатах – представлены две изотермы восстановления. Анализ графиков (рис. 10 и 11) аналогичен выполненному при рассмотрении рис. 8 и 9 в системе Fe – H – O. На графики внесены уточнения в области существования вюстита в системе Fe – С – O, позволяющие определять условия получения вюстита заданного состава при восстановлении оксидов железа монооксидом углерода.

1.8. Восстановление оксидов металлов с образованием металлических

Растворов

Известно, что при восстановлении оксидов углеродом образуются не чистые металлы, а растворы углерода в металлах. Их наличие изменяет условия восстановления.

Если учитывать растворимость углерода в железе, приводящую в конечном счете к образованию железо-углеродистых растворов – стали и чугуна, то изменение условий восстановления железа из FeO можно оценить из анализа рис 12.

Учет образования твердых растворов в системе Fe–C–O приводит к уточнению записи, определяющей равновесный состав газовой смеси CO-CO₂ реакции (е)

Здесь вместо чистого графита указывается углерод, растворенный в железе.

Тогда константа равновесия данной реакции, по величине не отличающаяся от должна быть записана

где – активность углерода в растворе железо – углерод.

Известно, что большие различия свойств атомов Fe и C и значительная растворимость С в g- Fe (до 2 %) не позволяют считать раствор Fe – C идеальным и приравнивать мольной доле . Так как для ненасыщенных углеродом растворов , то из анализа уравнения (32) следует, что при одних и тех же Р и Т равновесная концентрация СО в газовой фазе при наличии раствора Fe – C должна быть меньше, чем над графитом. Следовательно, изобары (кривые е¢) должны располагаться на диаграмме (рис. 5) ниже кривых е, но сливаться с последними (при одинаковых Р), если растворы становятся насыщенными, то есть когда , а из раствора возможно выделение графита.

Таким образом, для определения условий восстановления железа с растворенным в нем углеродом необходимо знать активности углерода, зависящие от концентрации углерода в растворе и от температуры.

Изобары е¢ на рис. 12 имеют обозначения, соответствующие мол.% С в аустените. Часть кривой е¢ (0,51) представлена пунктиром, так как ниже 1183 К аустенит сосуществует с ферритом – раствором углерода в α-Fe, и зависимость (35) не выполняется. Точка 2 на диаграмме соответствует нормальной температуре начала восстановления FeO твердым углеродом. Диаграмма позволяет предсказывать оптимальные условия (температуру и состав газа) науглероживания железа до заданной концентрации.

Acetyl

Читайте также:

  
• Изготовление мебели из металла дерева
  
• Деревянный забор на металлических столбах своими руками
  
• Металлический шкаф для кабинета химии
  
• Шредер для стружки металлической
  
• Воробьев справочник по коррозии металлов