ЭЛЕКТРОННЫЙ МЕХАНИЗМ ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ В ДОМЕННЫХ И ФЕРРОСПЛАВНЫХ ПЕЧАХ
Аннотация
Существующие варианты теории твёрдофазного восстановления железа базируются на атомно-молекулярных представлениях и рассматривают восстановление как обмен между молекулами оксидов и восстановителем атомами кислорода. Но в твёрдых оксидах и металлах нет ни атомов, ни молекул, есть только ионы и связывающие их электроны. Окислительновосстановительные реакции – это процесс обмена не атомами, а электронами. Поэтому с позиций атомно-молекулярных представлений невозможно создать непротиворечивую теорию процессов, протекающих на другом – электронном уровне.
Развиваемая авторами электронная теория восстановления описывает электро- и массоперенос в газовой и конденсированных фазах, обмен электронами между восстановителем и оксидом, перераспределение электронов между катионами и анионами в решётке оксида и превращение кристаллической решётки оксида в решётку металла, а также влияние на эти процессы давления и температуры. Согласно теории непосредственным результатом извлечения одного аниона кислорода из кристаллической решётки на поверхности оксида является образование анионной вакансии и двух связанных с ней свободных электронов. В комплексных и бедных рудах вакансии и электроны рассеиваются в объёме оксида, накапливаются и сливаются у катионов, уровень Ферми которых ниже химического потенциала электронов в вакансиях.
Известные из экспериментов и практики получения чугуна и ферросплавов результаты объяснены участием в окислительно-восстановительных реакциях в слое твёрдых реагентов заряженных частиц низкотемпературной плазмы. Плазма образуется вследствие термоэлектронной эмиссии с поверхности восстановителя и термической ионизации газов. Показано, что карботермическое восстановление активных металлов, а также железа из прочных комплексных оксидов происходит только твёрдым углеродом. При этом через плазму осуществляется встречный перенос углерода на поверхность оксида и оксида на поверхность углерода, в результате которого на поверхности каждого из них образуются оболочки карбидов. Образование карбидов отравляет поверхность, тормозит и останавливает восстановление. Оплавление и стекание материала оболочек переводит восстановление в кинетический режим и обеспечивает его эффективное протекание.
Ключевые слова
Полный текст:
PDFЛитература
Zhukhovitskiy A.A., Shvartsman L.A. Fizicheskaya khimiya, Metallurgiya, 1976. 520 p. (in Russ)
Baykov A.A. Sobraniye izbrannykh trudov: v 2 t., AN SSSR Publ., 1948, vol. 2. 500 p. (in Russ)
Lyuban A.P. Analiz yavleniy domennoy plavki, Metallurgizdat, 1962. 532 p. (in Russ)
Bogdandi L., Engel' G.-YU. Vosstanovleniye zheleznykh rud, Metallurgiya, 1971. 520 p. (in Russ)
Karabasov YU.S., Chizhikova V.M. Fizika i khimiya vosstanovleniya zheleza iz oksidov Metallurgiya, 1986. 200 p. (in Russ)
Vegman Ye.F., Zherebin B.N., Pokhvistnev A.N. et al. Metallurgiya chuguna: uchebnik dlya vuzov, Metallurgiya, 1989. 512 p. (in Russ)
Dmitriyev A.N., Shumakov N.S., Leont'yev L.I., Onorin O.P. Osnovy teorii i tekhnologii domennoy plavki. UrO RAN Publ., 2005. 545 p. (in Russ)
Popel' S.I. Sotnikov A.I., Boronenkov V.N. Teoriya metallurgiche-skikh protsessov, Metallurgiya, 1986. 463 p. (in Russ)
Yusfin Y.S., Pashkov N.F. Metallurgiya zheleza IKTS “Akademkniga” Publ., 2007. 464 p. (in Russ)
Gruner L. [Etudes sur les hauts-formeause] Annales des Mines,1872, Pp. 1–14.
Knunyants I.L. Khimicheskiy entsiklopedicheskiy slo-var'. Sovetskaya entsiklopediya, 1983. 792 p. (in Russ)
Chufarov G.I., Tatiyevskaya Ye.A. Adsorbtsionno-kataliticheskaya teoriya vosstanovleniya okislov metallov, Izd-vo AN SSSR Publ., 1953, pp. 15–32. (in Russ)
Chufarov G.I., Zhuravleva M.G., Balakirev V.F., Men' A.I. Sostoyaniye teorii vosstanovleniya okislov metallov. Sbornik “Mekhanizm i kinetika vosstanovleniya metallov”. Nauka Publ., 1970. Pp. 7–15. (in Russ)
Chufarov G.I., Men' A.N., Balakirev V.F. et al. Termodinamika protsessov vosstanovleniya okislov metallov, Metallurgiya, 1970. 399 p. (in Russ)
Rostovtsev S.T., Simonov V.K., Ashin A.K., Kostelov O.L. Mekhanizm ugletermicheskogo vosstanovleniya okislov metallov. Sbornik “Mekhanizm i kinetika vosstanovleniya metallov”. Nauka Publ., 1970. Pp. 24–31. (in Russ)
Chernobrovin V.P., Pashkeyev I.Y., Mikhaylov G.G. et al. Teoreticheskiye osnovy protsessov proizvodstva uglerodistogo ferrokhroma iz ural'skikh rud: monografiya. South Ural State University Publ., 2004. 346 p. (in Russ)
Senin A.V., Chernobrovin V.P., Mikhaylov G.G., Pashkeyev I.Y. Issledovaniye vosstanovleniya khromita zheleza uglerodom. Stal', 2004, no.11. Pp. 41–45. (in Russ)
Senin A.V. Tverdofaznoye vosstanovleniye khromovoy rudy metanom. Elektrometallurgiya, 2013, no. 1. Pp. 31–37. (in Russ)
Senin A.V., Pashkeyev I.Y., Mikhaylov G.G. “Gazofzno-tvordofaz-nyy” mekhanizm vosstanovleniya rudnykh materialov. Trudy nauchno-prakticheskoy konferentsii “Perspektivy razvitiya metallurgii i mashinostroyeniya s ispol'zovaniyem zavershennykh fundamental'nykh issledovaniy i NIOKR: FERROSPLAVY”, Yekaterinburg-burg, “Al'fa Print” Publ., 2018, Pp. 72–80. (in Russ)
Tovarovskiy I.G., Merkulov A.Y. Normativnaya otsenka parametrov domennoy plavki na raskhod koksa i proizvoditel'nost'. Metallurgiya chuguna – vyzovy XXI veka. Trudy VIII Mezhdunarodnogo kongressa domenshchikov, “Kodeks” Publ, 2017, Pp. 111–122. (in Russ)
Mironov K.V., Tleugabulov B.S., Gileva L.Y., Mikhalev V.A. Analiz vliyaniya tekhnologicheskikh faktorov na pokazateli plavki titanomagnetitov. Metallurgiya chuguna. Perspektivy razvitiya do 2025 goda: trudy IX Mezhdunarodnogo kongressa domenshchikov. Nizhniy Tagil, 2018.
Tleugabulov S.M. Dissotsial'no-adsorbtsionnyy mekhanizm i kinetika tvor-dofaznogo vosstanovleniya zheleza. Stal', 1991, no. 1. Pp. 15–18.
Tleugabulov S.M. Teoriya i tekhnologiya tvordofaznogo vosstanovleniya zheleza ugleroda Alma-Ata, Gylym Publ., 1991, 312 p.
Tleugabulov S.M., Abikov S.B., Koyshina G.M., Tatybayev M.K. Osnovy i perspektivy razvitiya vosstanovitel'noy plavki stali, Metally Publ., 2018, no. 2. Pp. 72–77.
Ryabchikov I.V. Vzaimodeystviye ugleroda s okislami metallami Khimiya tverdogo topliva, 1968, no. 5. Pp. 89–99.
Ryabchikov I.V., Mizin V.G., Yarovoy K.I. Khimicheskoye vosstanovleniye zheleza i khroma iz oksidov ugleroda, Stal', 2013, no. 6. Pp. 30–33.
Yelyutin P., Pavlov Y.A., Polyakov V.P., Sheboldai B.V. Vzaimodeystviye okislov metallov s uglerodom, Metallurgiya, 1976, 359 p.
Vodop'yanov A.G., Kozhevnikov G.N., Baranov S.V. Vzaimodeystviye tugoplavkikh oksidov metallov s uglerodom, Uspekhi khimii Publ., 1988, vol. LVII. vol. 9. Pp. 1419–1439.
Lyubimov V.D., Shveykin G.P., Afonin Y.D. et al. Issledovaniye gazoobraznykh produktsiyproduktov vosstanovleniya oksidov pere-khodovykh metallov ugleroda, Izvestiya AN SSSR Publ., Metally, 1984, no. 2. Pp. 57–65.
L'vov B.V., Savin A.S. Avtokataliticheskiy mekhanizm karbotermicheskogo vosstanovleniya oksidantov v grafitovykh pechakh dlya atomno-absorbtsionnogo analiza, Zhurnal analiticheskoy khimii, 1983, vol. XXXVIII, no. 11.
Kolchin O.P. O mekhanizme vosstanovleniya metallov iz ikh okislyayushchego ugleroda Mekhanizm i kinetika vosstanovleniya metallov: sb. nauchno. tr. Nauka Publ., 1970. Pp. 40–48.
Gorelik S.S., M.Y. Dashevskiy Materialovedeniye poluprovodnikov i dielektrikov: uchebnik dlya vuzov, MIIS Publ., 2003, 480 p.
Tsirel'son V.G. Kvantovaya khimiya: uchebnik dlya vuzov. BINOM Publ, 2014, 245 p.
Berdett Dzh. Khimicheskaya svyaz', per. s angl. Mir: BI-NOM Publ., 2015. 245 p.
Roshin A.V., Roshin V.E. [Diffusion of Anions and Cations in Oxide Cristal Lattices during the Reduction and Oxidation of Metals]. Metally [Russian Metallurgy], 2003, no. 1, pр.1–5.
Roshin A.V., Roshin V.E. [Electrical Conduction and Lattice Disordering in Oxides upon the Reduction and Oxidation of Metals]. Metally [Russian Metallurgy], 2003, no. 2, рp. 97–102.
Roshin A.V., Roshin V.E., Ryabukhin A.G. [Electrical Conduction and Mass Transfer in Crystalline Oxides. Russian Metallurgy] Metally, 2006, no. 3., pp. 193–198.
Roshin A.V., Roshin V.E. [Thermal Reducing Dissociation and Sublimation – the Stages of the Transformation of Oxside Lattices into Metal Lattices Russian Metallurgy] Metally, 2006, no. 7, pp. 1–7. 39. Riz A. Khimiya kristallov s defek-tami, IL Publ, 1956. 134 p.
Kreger F. Khimiya nesovershennykh kristallov, Mir, 1969. 654 p.
Kofstad P. Otkloneniye ot ste-khiometrii, diffuziya i elektroprovodnost' v prostykh okislyayushchikh metallakh, Mir Publ, 1975. 396 p.
Fistul’ V.I. [Solid State Physics and Chemistry] Metallurgiya, Moscow, 1995, vol. 1, 480 p.
Fistul’, V. I. Solid State Physics and Chemistry (Metallurgiya, Moscow, 1995).
Tret'yakov, Y.D. Tverdofaznyye reaktsii, Khimiya Publ., 1978. 360 p.
Bokshteyn B.S., Yaroslavtsev A.B. Diffuziya i rezul'taty v otkrytykh telakh. MISiS Publ., 2005. 362 p.
Roshchin V.E., Roshchin A.V. [Physics of the Solid Phase Oxidation and Reduction of Metals. Russian Metallurgy] Metally, 2015, no. 5, pp. 354–359.
Roshchin V.E., Roshchin A.V. [Selective Reduction of Metals in the Crystal Lattice of Complex Oxides: Physical Principles.] Steel in Translation, 2013, vol. 43, no. 5, pp. 278–287.
Roshchin V.E., Roshchin A.V. [Selective Reduction of Metals in the Lattice of a Complex Oxide. Russian Metallurgy] Metally, 2013, no. 3, pp. 169–175.
Roshchin V.E., Roshchin A.V. [Physics of the Solid Phase Oxidation and Reduction of Metals. Russian Metallurgy] Metally, 2015, no. 5, pp. 354–359.
Roshchin V.E., Roshchin A.V. Fizicheskaya interpre-tatsiya teorii vosstanovleniya oksidov metallov [Physical Interpretation of the Theory of Reduction / Oxidation of Metals.]. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Metallurgy, 2016, vol. 16, no. 4, pp. 29–39.
Roshchin, V.E., Roshchin A.V. Obshchaya elektronnaya teoriya vosstanovleniya i okisleniya metallo. Sovremennyye problemy elek-trometallurgii stali: materialy XVII Mezhdunarodnoy konferentsii: v 2 ch. Chelyabinsk: Publishing center of South Ural State University., 2017, vol. 1. Pp. 13–24.
Roshchin V.E. Teoriya i tekhnologii pererabotki kompleksnykh rud zheleza i oksidnykh kontsentratov titana ili magniya, Metallurgiya chuguna – vyzovy XXI veka: trudy VIII Mezhdunarodnogo kongressa domenshchikov, “Kodeks” Publ., 2017, Pp. 571–577.
Roshchin V.E., Gamov P.A.,.Roshchin A.V, Salikhov S.P. Elektronnaya teoriya vosstanovlennykh yavleniy: sledy teorii i praktiki izvlecheniya metallov iz rud. Iz-vestiya VUZov Publ. Chornaya metallurgiya, 2019, vol. 62, no. 5, Pp. 407–417.
Roshchin V.E., Roshchin A.V., Gamov P.A., Bil'genov A.S. Elektro i massoobmen pri vosstanovlenii metallov tvordym uglerodom v tvordykh kompleksnykh oksidakh, Metally Publ., 2020, no. 1. Pp. 59–71.
Ponomarenko A.G. Voprosy termo-dinamiki faz peremennogo sostava, obespechivayushchiye kollektivnuyu elektronnuyu sistemu. I. Svobodnaya energiya fazy, Zhurnal fizicheskoy khimii, 1974, vol. XLVIII, no 7. Pp. 1668–1671.
Ponomarenko A.G. Voprosy termo-dinamiki faz peremennogo sostava, obespechivayushchiye kollektivnuyu elektronnuyu sistemu. II. Otsenka energeticheskikh para-metrov / A.G. Ponomarenko, E.P. Mavrenova, Zhurnal fizicheskoy khimii, 1974, vol. XLVIII, no. 7, Pp. 1672–1674.
Ponomarenko A.G. Voprosy termo-dinamiki faz peremennogo sostava, obespechivayushchiye kollektivnuyu elektronnuyu sistemu. III. Khimicheskiye potentsialy i elektronnoye stroitel'noye sooruzheniye, Zhurnal fizicheskoy khimii, 1974, vol. XLVIII, no. 8. Pp. 1950–1953.
Ponomarenko A.G. Voprosy termo-dinamiki faz peremennogo sostava, obespechivayushchiye kollektivnuyu elektronnuyu sistemu. Vnutrivenno Uroven' Fermi v oksidnykh fazakh. Zhurnal fizicheskoy khimii, 1974, vol. XLVIII, no. 8. Pp. 1954–1958.
Levkov L.Y., Pankratov D.A. Analiz stepeni okisleniya zheleza v oksidno-ftoridnykh shlakakh, SNG i metallurgiya Revie.
Frenkel' Y.I. Vvedeniye v teoriyu metallov, Gostekhizdat Publ., 1948. 291 p.
Roshchin A.V., Goykhenberg Y.N., Ryabukhin A.G. Kristallokhimicheskiye prevrashcheniya v oksidakh alyuminiya pri vosstayushchem nagreve, Izvestiya VUZov Publ. Chernaya metallurgiya, 2006, no. 8. Pp. 6–9.
Roshchin A.V., Roshchin V.Y., Berdnikov A.A., Goykhenberg Y.N. Obrazovaniye i sublimatsiya promezhutochnykh produktov vosstanovleniya azota iz yego dioksida, Metally, 2008, no. 4. Pp. 14–18.
Kallou S., Khokaday S., Dzhonson K., Barcha N.A. Predvaritel'nyye vosstanovitel'nyye i plavil'nyye kharakteristiki kazakhstanskikh obraztsov rudy. Dvenadtsatyy Mezhdunarodnyy kongress ferrosplavov “Ustoychivoye budushcheye”. Khel'sinki, Finlyandiya Publ., 2010. Pp. 249–262.
Anacleto N.M., Solheim I., Sorensen B. et al. Vosstanovleniye oksida khroma i rudy metansoderzhashchimi gazovymi smesyami. Peresmotrennyy proyekt avtorov Infacon XV. Mezhdunarodnyy kongress ferrosplavov, Yuzhnoafrikanskiy institut gornogo dela i metallurgii, Keyptaun, 25–28 February 2018, Keyptaun, 2018.
Leykola M., Taskinen P., Erik R.K. Vosstanovleniye khroma Kemi metanom. Avtorskiy peresmotrennyy proyekt Infacon XV. Mezhdunarodnyy kongress ferrosplavov, Yuzhnoafrikanskiy institut gornogo dela i metallurgii, Keyptaun, 25–28 February 2018, Keyptaun, 2018.
Sokhanvaran S., Paktunk D., Barns A.; pod red. Dzhons R.T., den Khoud P., Ervi M.V. NaOH – pryamoye vosstanovleniye khromitovykh rud Ring of Fire i svyazannyye s etim posledstviya dlya obrabotki peresmotrennogo proyekta Infacon XV. Mezhdunarodnyy kongress ferrosplavov, Yuzhnoafrikanskiy institut gornogo dela i metallurgii, Keyptaun, 25–28 February 2018. Keyptaun, 2018.
Roshchin V.E., Roshchin A.V., Akhmetov K.T. [Mechanism and Sequence of the Metal Reduction in the Lattice of Chromospinelides. Russian Metallurgy] Metally, 2014, no. 3, pp. 173–178.
Roshchin V.Y., Roshchin A.V., Akhmetov K.T. i dr.Formirovaniye metallicheskoy i karbidnoy faz pri poluchenii uglerodistogo ferrokhroma: teoriya i eksperiment. Problemy chernoy metallurgii i materialovedeniya, 2015, no. 1. Pp. 5–18.
Roshchin V.E., Roshchin A.V., Akhmetov K.T., Salikhov S.P. [Role of a Silicate Phase in the Reduction of Iron and Chromium and Their Oxidation with Carbide Formation during the Manufacture of Carbon Ferrochrome. Russian Metallurgy], 2016, no. 5. Pp. 11–22.
Khering K., Nikol's M. Termoelektronnaya emis-siya, Izd-vo inostrannoy literatury Publ., 1950, 196 p.
Sisoyan G.A. Elektricheskaya duga v elektricheskoy pechi. Metallurgizdat Publ., 1961, 414 p.
Lauton Dzh., F. Vaynberg.Termoelektronnaya emissiya na metallakh, Nauka Publ., 1984, 353 p.
Prokhorov A.M. Fizicheskiy entsiklopedicheskiy slo-var'. Sovetskaya entsiklopediya, 1984. 944 p.
Roshchin V.Y., Roshchin A.V. Elektrometallurgiya i metallurgiya stali: uchebnik dlya VUZov, Chelyabinsk: South Ural State University Publ., 2013. 572 p.
Chernousov P.I., Mapel'man V.M., Golubev O.V.. Metallurgiya zheleza v istorii tsivilizatsii: uchebnoye posobiye, MISiS Publ., 2006. 350 p.
Duarte P., Beserra K. Proizvodstvo vysokouglerodistogo zheleza pryamogo vosstanovleniya (DRI) po tekhnologiyam Energiron DR. Chornyye metally, 2016, no. 6. Pp. 24–30.
Shenk Y., K.B. Lyungen Effektivnoye primeneniye protsessov pryamogo vosstanovleniya i vosstanovleniya plavaniya v Yevrope, Chornyye metally, 2017, no. 2., Pp. 25–31.
Klinger A., Al'tendorfer D. Bettingeret et al. Sistema optimizatsii tekhnologicheskogo protsessa. Chornyye metally, 2017, no. 10. Pp. 19–27.
Shpan K. Protsess vosstanovleniya i plavaniya v sovremennykh domennykh pechakh. Shpan. Chornyye metally, 2018, no. 4. Pp. 6–10.
Galevskiy G.V., Kulagin N.M, Mindis M.Y., Sirazutdiny G.A. Metallurgiya alyuminiya. Tekhnologiya, elektrosnabzheniye, avtomatizatsiya: uchebn. posobiye. Flinta Publ.: Nauka Publ., 2008, 528 p.
DOI: http://dx.doi.org/10.14529/met200202
Ссылки
- На текущий момент ссылки отсутствуют.
