كتب chemical reactions during reduction
اذا لم تجد ما تبحث عنه يمكنك استخدام كلمات أكثر دقة.
التفاعلات الكيميائية أثناء الاختزال (معلومة)
تجري في الفرن الافح تفاعلات مختلفة في نفس الوقت عبر عددة مراحل يتحول فيها خام الحديد إلى الحديد المختزل وأجزاء لا تختزل تخرج مع الخبث.
ولكي يبدأ اختزال خام الحديد فلا بد من ايجاد غازات الاختزال أولا. وهذا يتم في قاع الفرن باحتراق الكربون الموجود في الكوك (الفحم الحجري) بالأكسجين .
التفاعل
ينتج من تفاعل الكربون مع الأكسجين حرارة شديدة (تفاعل ناشر للحرارة) ، Exothermal reaction ، وتبلغ الحرارة الناتجة منه 394,4 كيلو جول/مول ، فتبلغ درجة حرارة الفرن عند مستوي نفاثات الهواء الساخن بين 1800 - 2000 درجة مئوية، وقد تبلغ 2200 درجة عند استخدام أضافي للأكسجين.
يحدث تفاعلان مباشرة يحتاجان حرارة تفاعل ماص للحرارة Endothermal reaction فتنخفض درجة الحرارة نسبيا ثم تعود وتعلى إلى 1600 - 1800 درجة مئوية .
ويحدث توازن بودوارد ,
وهو تفاعل يتوازن فيه معدل تفاعل ثاني أكسيد ألكربون مع الكربون لإنتاج أول أكسيد الكربون والتفاعل العكسي، معدل تفاعل أول أكسيد الكربون مع نفسه لتكوين ثاني أكسيد الكربون وكربون. هذا التفاعل المتوازن يحتاج درجة حرارة 1000 درجة على الأقل، وهو يستهلك حرارة نحو 172,45 kJ/mol.
كما يحدث في نفس الوقت انشقاقا لبخار الماء الموجود في الغاز الساخن تحت تلك درجات الحرارة العالية:
وهذا يستهلك أيضا من الحرارة كمية 131,4 كيلو جول/مول إضافيا.
وتصعد الغازات القابلة للتفاعل أول أكسيد الكربون والهيدروجين القابلة للتفاعل مع أكاسيد الحديد (خام الحديد) واختزاله خلال الموادالخام إلى أعلى الفرن . ونظرا لما يتم في هذا الفرن : كوك وخام الحديد ومواد إضافية تسقط من أعلى يقابلها غازات مختزلة شديدة الحرارة من أسفل - فإن هذا الفرن يسمى أيضا "مفاعل التيارات المتعاكسة" .
في المنطقة حيث تكون درجة الحرارة بين 400 و900 درجة يجري تفاعل يسمى "اختزال غير مباشر".
وتتفاعل أكاسيد الحديد المختلفة على ثلاثة مراحل مع أول أكسيد الكربون وبالتالي الهيدروجين ، ومن خلال تلك التفاعلات تنتزع الغازات المختزلة الأكسجين من خام الحديد ويهبط إلى القاع الحديد المنصهر خالي من الأكسجين ولكن به جزء من الكربون الذائب فيه (نحو 5و2 %) .
طالما بقي ثاني أكسيد الكربون الناتج (CO2) عند درجة حرارة 1000 °C فهو يتحول من خلال توازن بودوارد إلى أول أكسيد الكربون الذي يقوم باختزال أكاسيد الحديد. ويجرى الاختزال بالهيدروجين عند درجة حرارة 800 درجة مئوية. ووجود نسبة من الهيدروجين بنسبة 10% فقط تكفي لتسريع تفاعل الاختزال ثلاثة مرات، ولكن تلك السرعة تنخفض مع زيادة درجة الحرارة.
في نفس الوقت يجب أن لا يتخطى حبيبات الحديد الخام حدا معينا لكي يستطيع الهيدروجين الساخن أن يمر فيما بينها .
تتم عند درجة حرارة بين 900 إلى 1600 nbsp;°C تفاعل اختزال مباشر مع الكربون :
كذلك تختزل المواد المرافقة للحديد الخام من منجنيز وسيليكون وفسفور أثناء العملية وتستهلك جزءا من الطاقة الحرارية:
في نفس الوقت يمتص الحديد المختزل في المنطقة الحرارية بين 1100 إلى 1200 °C كربونا من الكوك المشتعل مباشرة أو من غاز أول أكسيد الكربون :
احتواء الحديد على الكربون تخفض من نقطة انصهاره من 1538 °C (للحديد النقي) إلى ما بين 1300 إلى 1400 °C (نقطة انصهار السمنتيت [Zementit, [ Fe3C الذي يحتوي على كربون بنسبة 4,3 %) ، نقطة انصهاره : 1147 °C.
