Взаимодействие металлической, шлаковой и газовой фаз

Наблюдаемые процессы в сталеплавильных и ферросплавных пе­чах характеризуются взаимодействием металлической, шлаковой и газовой фаз, а также взаимодействием компонентов внутри этих фаз. Рассмотрим взаимодействие компонентов в некоторых системах, со­стоящих из газообразных и твердых веществ, твердых фаз и газооб­разных, жидких несмешиваюшихся фаз и газов.

Если внешние условия (температура и давление) для данной ме­таллургической системы остаются постоянными, то развитие про­цессов взаимодействия протекает в направлении установления в ней равновесия. При изменении внешних условий равновесие нарушает­cя. Причем, изменение внешнего давления не будет смещать равновесие той реакции, которая не сопровождается изменением объема газообразных веществ. В равновесной системе из нескольких компонентов любая группа взаимодействующих веществ находится в соответствии равновесия, аналогичном тому , которое имеет место при отсутствии всех прочих составляющих системы.

Например, в равновес­ной газовой системе СО—О2—СО2, характеризуемой реакцией

2СО + О₂ ⇔ 2СО₂

и константой равновесия К_(а), состояние равновесия и константа не изменятся после внесения в систему четвертого компонента — угле­рода, хотя при этом будут осуществляться новые взаимодействия по реакциям

Ств + СО₂ ⇔ 2СО

Ств + О₂ ⇔ СО₂

2Ств + О₂ ⇔ 2СО

характеризующимся соответственно константами равновесия К_(б), К_(в) и К(_Г). Изменение энергии Гиббса общей реакции равно алгебра­ической сумме изменений энергий Гиббса всех отдельных реакций.

Практический интерес представляет реакция (б), для которой

ΔG= 40800-41,70*T    и    lgK_p = (8916/T) + 9,113.

Эта реакция, известная как реакция Бема—Будуара, имеет развитие при восстановлении оксидов металла углеродом. Будуар опытным путем изучал равновесие в системе кислород—углерод.

На практике восстановительные процессы углеродистыми реа­гентами осуществляют в большинстве случаев посредством газовой фазы. Например, восстановление по реакции FеО_тв + СО ⇔ Fе + С0₂ обеспечивают хорошим контактом газа с поверхностью твердого FеО.

Восстановление кремния из кремнезема достигается за счет кон­такта кусков кокса и кварца и взаимодействия с оксидом углерода по реакциям:

_SiO2 + 2С⇔ Si + 2СО,

SiO2 + 2СО ⇔ Si + 2С0₂,

2С0₂ + 2С ⇔  4СО.

Участием в восстановлении кремния газовой фазы обеспечивает­ся непрерывность процесса до полного израсходования какого-либо из компонентов. Восстановление оксида металла оксидом углерода в общем виде описывается реакцией МеО + СО ⇔ Ме + С0₂. Константа равновесия этой реакции косвеного востановителя Кр = р_СО2/ р_СО, т.е. равна соотношению парциальных давлений углеродистого газа и оксида углерода.