Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Россия

А. И. Демидов, профессор Высшей школы физики и технологий материалов, докт. хим. наук, эл. почта: demidov1902@gmail.com
И. А. Маркелов, аспирант Высшей школы физики и технологий материалов

Приведены результаты расчета стандартной энергии Гиббса для процессов восстановления железа из оксидов водородом при разном соотношении оксидов и восстановителя в интервале температур 900–1600 K. В основу расчета заложен принцип независимости протекания реакций в системе. Показано, что если в качестве исходного взят оксид железа (III), то при соотношении оксида к водороду 1 : 3 равновесие реакции взаимодействия оксида железа с водородом в указанном интервале температур смещено вправо, при этом продуктом реакции является железо. Образование железа из оксида железа (II, III) возможно при соотношении оксида к водороду 1 : 4 и температурах выше 1200 K. Железо может быть получено из вюстита, обогащенного кислородом, при температурах выше 1400 К. Результаты расчета изменения стандартной энергии Гиббса реакции взаимодействия вюстита, обедненного кислородом, с водородом свидетельствуют о том, что в указанном интервале температур равновесие смещено влево, в сторону исходного вещества. Сдвиг равновесия реакции вправо может быть достигнут при избытке водорода в газовой фазе по отношению к парам воды. Железо может взаимодействовать с оксидами железа Fe₂O₃, Fe₃O₄, FeO_{(1 + x'')}, в результате продуктами реакций будут Fe₃O₄, FeO_{(1 + x'')}, FeO(1 + x'), соответственно. Термодинамические расчеты свидетельствуют о том, что оксиды железа FeO_{(1 + x'')} и FeO_{(1 + x')}, в свою очередь, могут взаимодействовать с Fe₂O₃ с образованием Fe₃O₄, а Fe₃O₄ с FeO_{(1 + x')} с образованием FeO_{(1 + x'')}. Таким образом, суммарный процесс восстановления железа из оксидов водородом предлагается рассматривать как последовательное восстановление железа из оксидов, содержащих железо разной степени окисления, от Fe(III) к Fe(II), как указывал академик А. А. Байков.

1. Вегман Е. Ф., Жеребин А. Н., Похвиснев А. Н. и др. Металлургия чугуна : учеб. для вузов / под ред. Ю. С. Юсфина. — 3-е изд., перераб. и доп. — М. : ИКЦ «Академкнига», 2004. — 774 с.
2. Юсфин Ю. С., Пашков Н. Ф. Металлургия железа. — М. : ИКЦ «Академкнига», 2007. — 464 с.
3. Алымов М. И. Порошковая металлургия нанокристаллических материалов. — М. : Наука, 2007. — 167 с.
4. Гольдштейн Н. Л. Водород в доменном процессе. — М. : Металлургия. 1971. — 208 с.
5. Колокольцев В. М., Бигеев В. А., Сибагатуллин С. К. и др. Предельная степень использования водорода в реакциях восстановления железа из оксидов // Теория и технология металлургического производства. 2010. № 10. С. 4–11.
6. Сибагатуллин С. К., Бородин А. А., Юхина М. А. Соотношение между предельными степенями использования монооксида углерода и водорода // Теория и технология металлургического производства. 2010. № 10. С. 17–22.
7. Chang I., Zhao Y. Advances in powder metallurgy. Properties, processing and applications // Woodhead Publishing Limited. 2013. — 624 p.
8. Kuila S. K., Chatterjee R., Ghosh D. Kinetics of hydrogen reduction of magnetite ore fines // International Journal of Hydrogen Energy. 2016. Vol. 41, Iss. 22. P. 9256–9266.
9. Spreitzer D., Dr. Schenk J. Reduction of Iron Oxides with Hydrogen – A Review // Steel research int. 2019. Vol. 90. 1900108.
10. Демидов А. И., Маркелов И. А. Термодинамика взаимодействия магнетита и вюстита с монооксидом углерода с учетом изменения состава вюстита при изменении температуры // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2013. № 1. С. 166–169.
11. Демидов А. И., Маркелов И. А. Термодинамика взаимодействия оксидов железа с водородом с учетом изменения состава вюстита при изменении температуры // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2013. № 3. С. 193–198.
12. Демидов А. И., Маркелов И. А. Термодинамика взаимодействия углерода с кислородом // Журнал прикладной химии. 2005. Т. 78. № 4. С. 721–724.
13. Демидов А. И., Маркелов И. А. Термодинамика горения топлива у фурм доменной печи // Журнал прикладной химии. 2005. Т. 78. № 9. С. 1565–1567.
14. Barin I., Knacke O. Thermochemical properties of Inorganic Substances / With a preface by O. Kubaschewski. — Suppl. Berlin; New York : Springer — Verlag, 1973. — 921 p.
15. Barin I., Knacke O., Kubaschewski O. Thermochemical properties of Inorganic Substances — Suppl. Berlin; New York : Springer — Verlag, 1977. — 861 p.
16. Байков А. А. Восстановление и окисление металлов / Собрание трудов. Т. II. Труды в области металлографии (металловедения), теории металлургических процессов, общей и физической химии. — М.; Л. : Изд-во АН СССР, 1948. С. 292–317.