Сalculation of chemical reaction temperatures of stepwise iron reduction from hematite with СО gas and gasification of solid carbon by degrees of chemical affinities of substances with oxygen
Keywords:
degree of chemical affinity for oxygen, iron oxide, carbon monoxide, reduction, solid carbon gasification, chemical reaction, Gibbs energy, enthalpy, entropy, thermodynamic conditions, boundary temperature, Bell–Boudoir reactionAbstract
This article presents the results of a theoretical analysis that made it possible to evaluate the thermodynamic conditions for the flow of chemical reactions of the stepwise reduction of iron from hematite with a reducing gas CO and the Bell–Boudoir chemical reaction (gasification of solid carbon). Taking into account the degrees of chemical affinity for oxygen of the reduced substance and the reducing agent, it is confirmed that for each of the indicated reduction reactions, there is a certain (called the "boundary" temperature by the author), up to (for the processes of reduction of magnetite from hematite and wustite from magnetite) or above (for the process of reducing iron from wuestite) which the reducing gas CO can not thermodynamically be a reducing agent for iron or its lower oxides, and also up to which the gasification of solid carbon by the Bell–Boudoir reaction is thermodynamically impossible. Using the expressions available in the literature and derived by the author of the work, graphical dependences of the numerical values of the Gibbs free energy on temperature were obtained for oxidative reactions of obtaining (due to oxidation with gaseous oxygen) iron oxides (FeO from Fe, Fe3O4 from FeO, Fe2O3 from Fe3O4 and carbon oxides (CO from C, СО2 from C and from CO), which made it possible to estimate the degree of chemical affinity of the reduced substance and the reducing agent for oxygen in these oxidative reactions; based on which all possible numerical values of the boundary temperatures and the temperature range of their thermodynamically possible occurrence were found for the reduction reactions of the stepwise production of iron from hematite with CO gas and gasification of solid carbon, the most probable of them were substantiated.
References
Oxidizing and Reducing Agents. Last updated Sep 13, 2021. URL: https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Analytical_Chemistry/Supplemental_Modules_(Analytical_Chemistry)/Electrochemistry/Redox_Chemistry/Oxidizing_and_Reducing_Agents
Вегман Е.Ф., Жеребин Б.Н., Похвиснев А.Н. и др. Металлургия чугуна.–
М. : Металлургия, 1989. 512 с.
Коваленко Л.В., Фолманис Г.Э., Вавилов Н.С., Алымов М.И. Низкотемпературное водородное восстановление нанокристаллического железосодержащего сырья // Физика и xимия обработки материалов. 2000. № 4. C. 79–81. URL: http://imet.ac.ru/lab29/articles/84.pdf
Пантейков С.П. О возможности восстановления вюстита монооксидом углерода // Monografia pokonferencyjna “Science, research, development #31. Тechnics and technology” (Rotterdam (NL), 30.07.2020–31.07.2020).– Warszawa : Sp. z o.o. «Diamond trading tour», 2020. Str. 8–11. URL: http://конференция/files/7_viii_2020s.pdf
Пантейков С.П. О восстановлении монооксида марганца монооксидом углерода // Monografia pokonferencyjna “Science, research, development #36. Тechnics and technology” (London (GB), 29.12.2020–30.12.2020).– Warszawa : Sp. z o.o. «Diamond trading tour», 2020. Str. 73–76. URL: https://конференция.com.ua/files/108_07_i_2020_s.pdf
Пантейков С.П. О восстановлении кремния из кремнезёма монооксидом углерода // Monografia pokonferencyjna “Science, research, development #37. Тechnics and technology” (Berlin (DE), 30.01.2021–31.01.2021).– Warszawa : Sp. z o.o. «Diamond trading tour», 2021. Str. 28–30. URL: http://конференция/files/scientific_conference/109-7@II_2021.pdf
Using Ellingham diagram, how to determine that in between C and CO which is better reducing agent? URL: https://socratic.org/questions/using-ellingham-diagram-how-to-determine-that-in-between-c-and-co-which-is-bette
Пантейков С.П. О температурах протекания реакций восстановления железа из гематита газом СО с позиций термодинамики // “Trends of development modern science and practice”: Abstracts of the IX International Scientific and Practical Conference, Stockholm, Sweden. November 16–19, 2021. P. 568–574. DOI: 10.46299/ISG.2021.II.IX. URL https://isg-konf.com/ru/trends-of-development-modern-science-and-practice-ru/
Пантейков С.П. Определение температур протекания реакций восстановления железа из гематита газом СО и газификации твёрдого углерода по стандартным значениям энтальпии и энтропии // “Modern aspects of science and practice”: Abstracts of the XI-th International Scientific and Practical Conference, November 30 – December 03, 2021, Melbourne, Аustralia. P. 558–564. DOI: 10.46299/ISG.2021.II.XI. URL: https://isg-konf.com/ru/modern-aspects-of-science-and-practice-ru/
Пантейков С.П. Розрахунок температур перебігу хімічних реакцій процесу ступінчастого відновлення заліза з гематиту газом СО і газифікації твердого вуглецю за існуючими формулами і за стандартними значеннями ентальпії та ентропії речовин // Збірник наукових праць ДДТУ: (технічні науки) / Кам’янське : ДДТУ, 2021. Випуск 2 (39). С. 16–26. DOI: 10.31319/2519–2884.39.2021.2. URL: http://journals.uran.ua/index.php/2519-2884
Ellingham Diagrams. URL: https://web.mit.edu/2.813/www/readings/Ellingham_ diagrams.pdf
Чернов Д.К. О прямом получении литого железа и стали в доменной печи (Сообщение в Императорское Русское техническое общество 20 января 1899 г.) // Избранные труды по металлургии и металловедению; под ред. В.Д.Садовского; составитель А.С.Фёдоров.– М. : Наука, 1983. С. 235–253.
Байков А.А. Собрание трудов.– В 5 т. Т. 2: Труды в области металлографии (металловедения), теории металлургических процессов, общей и физической химии // Ред. сост. : чл.–кор. М.М.Карнаухов, проф. Г.А.Кащенко, проф. Н.П.Щапов и др.– М.–Л. : Издательство Академии наук СССР, 1948. 590 с.
Дальский А.М., Арутюнова И.А., Барсукова Т.М. и др. Технология конструкционных материалов. Учебник для машиностроительных специальностей вузов: под общ. рeд. А.М.Дальского.– 2–е изд., перераб. и доп.– М. : Машиностроение, 1985. 448 с.
Восстановление железа из окислов в доменной печи. URL: http://metal-archive.ru/domennyy-process/2098-vosstanovlenie-zheleza-iz-okislov-v-domennoy-pechi.html
Турчанин М.А. Теория и технология металлургического производства. Ч.1. Теория металлургических процессов: учеб. пособ. к практическим занятиям и изучению дисциплины.– Краматорск : ДГМА, 2008. 80 с. URL: http://www.dgma.donetsk.ua/metod/tolv/ТТМП_ПР_Ч1.pdf
Шаповалов А.Н. Теория металлургических процессов: учебно–методическое пособие.– Новотроицк : НФ НИТУ «МИСиС», 2015. 91 с. URL: http://nf.misis.ru/download/mt/Teoriy_metallurgicheskih_processov.pdf
Борнацкий И.И. Теория металлургических процессов.– Киев–Донецк: Вища школа, 1978. 288 с.
Попель С.И., Сотников А.И., Бороненков В.Н. Теория металлургических процессов.– М. : Металлургия, 1986. 463 c.
Morita K., Sano N. 3–Phase diagrams, phase transformations, and the prediction of metal properties // Fundamentals of Metallurgy: Woodhead Publishing Series in Metals and Surface Engineering, 2005. P. 82–108. URL: http://steelcast.ru/d/80122/d/fundamentals_of_metallurgy.pdf
Гасик М.И., Лякишев Н.П. Теория и технология электрометаллургии ферросплавов: учебник.– М. : СП Интернет–Инжиниринг. 1999. 764 с. URL: https://ttvsif.at.ua/page2.html
Пантейков С.П. О влиянии степени химического сродства веществ к кислороду на возможность протекания реакций восстановления железа из гематита газом СО // “Science foundations of modern science and practice”: Abstracts of the the X-th International Scientific and Practical Conference, November 23–26, 2021, Athens, Greece. P. 640–648. DOI: 10.46299/ISG.2021.II.X. URL: https://isg-konf.com/ru/science-foundations-of-modern-science-and-practice-ru/
Расчёт термодинамических величин (энтальпии, энтропии, энергии Гиббса) реакций восстановления оксидов железа. URL: http://buzani.ru/zadachi/fizicheskaya-khimiya/1582-reaktsii-vosstanovleniya-oksidov-zheleza-zadachi-14-15
Задачи к разделу Основы термодинамики с решениями. URL: http://zadachi-po-khimii.ru/obshaya-himiya/zadachi-k-razdelu-osnovy-termodinamiki.html
Стандартные энтальпии образования ΔHoобр., стандартные энергии Гиббса образования ΔGoобр. неорганических веществ и их стандартные энтропии So при 298,15 К. URL: https://tehtab.ru/Guide/GuideChemistry/ThermicConstantsSubst/ ThermicConstantsSubstEnorganic/
Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия: учебник для хим. спец. вузов.– 6–е изд.– М. : Высшая школа, 2006. 527 с.
Пантейков С.П. Определение температур протекания реакций восстановления железа из гематита газом СО и газификации твёрдого углерода по степени химического сродства веществ к кислороду // “Perspectives of development of science and practice”: Abstracts of the XIII-th International Scientific and Practical Conference, December 14–17, 2021, Prague, Czech Republic. P. 596–605. DOI: 10.46299/ISG.2021.II.XIII. URL: https://isg-konf.com/ru/perspectives-of-development-of-science-and-practice-ru/
Турчанин М.А., Абдулов А.Р. Методическое пособие к выполнению самостоятельной работы и изучению дисциплины “Теория и технология металлургического производства” для студентов специальности 7.090403.– Ч.1. Теория металлургического производства.– Краматорск : ДГМА, 2006. 48 с. URL: http://www.dgma.donetsk.ua/metod/tolv/ТТМП_Ч1_СР.pdf
Пантейков С.П. К термодинамике процессов восстановления железа из его оксидов в сыродутном горне. Часть 1. О восстановлении оксидом углерода // Monografia pokonferencyjna “Science, research, development #10. Technics and technology” (London (GB), 30.10.2018–31.10.2018).– Warszawa : Sp. z o.o. «Diamond trading tour», 2018. Str. 39–47. URL: http://конференция.com.ua/files/82_7.pdf
Рощин В.Е., Рощин А.В. Физика пирометаллургических процессов. – М. : Инфра–Инженерия, 2021. – 304 с.
Пантейков С.П. О прямом и косвенном восстановлении железа // Monografia pokonferencyjna “Science, research, development #41. Technics and technology” (Belgrade, Belgrad, Republika Srbija (RS), 30.05.2021–31.05.2021). – Warszawa: Sp. z o.o. «Diamond trading tour», 2021. –
Str. 37–43. URL: http://конференция.com.ua/files/113_07_vi_2021.pdf
Downloads
Published
How to Cite
Issue
Section
License
Copyright (c) 2022 International Science Journal of Engineering & Agriculture
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
