Reducerea oxizilor de fier conținuți în sinter este obiectivul principal al topitoriei în furnal înalt și conduce la formarea fontei brute, care include, pe lângă fier, mangan, siliciu și fosfor din oxizi de sarcină parțial reduși. Agenții reducători ai oxizilor de fier sunt CO, H2 și C. La temperaturi moderate, monoxidul de carbon și hidrogenul sunt agenții reducători ai gazului de furnal. Hidrogenul este conținut în faza gazoasă care trece prin furnal în cantități mult mai mici decât CO, deși conținutul său crește simțitor la suflarea combustibilului gazos prin tuyere. Reducerea oxizilor de fier de către gaze este denumită în mod obișnuit reducere indirectă.
Conținuturile de monoxid de carbon și dioxid de carbon transformate în 100% din aceste componente în gazul de furnal și care caracterizează puterea sa de reducere sunt prezentate în funcție de temperatura din furnal în Fig. 32 (zona umbrită). Echilibrul oxizilor de carbon cu carbonul este caracterizat de curbele 1,0 și 0, 4, referitoare la suprapresiunea totală a CO și CO 2-1013 și respectiv 405 kn/m 2 (1-0,4 at). Graficul arată că faza gazoasă este aproape de echilibrul cu carbonul numai la temperaturi de 900° C și peste. În regiunea temperaturilor mai scăzute (500-700° C), diferențele dintre conținutul de CO real și de echilibru cu carbonul sunt foarte mari. Trebuie remarcat faptul că aceasta este o condiție favorabilă pentru topirea în furnaluri înalte, deoarece curbele de echilibru ale CO și CO2 cu carbon la temperaturi scăzute corespund compozițiilor oxidante ale fazei gazoase (care trec prin zona diagramelor Fe3O4 ). Viteza de reacție foarte scăzută de descompunere a monoxidului de carbon determină păstrarea proprietăților reducătoare ale fazei gazoase până la ieșirea acesteia în grătarul cuptorului și utilizarea sa pentru reducerea oxizilor de fier începând cu orizonturile superioare.
Teoria modernă a reducerii oxizilor metalici se bazează pe lucrările oamenilor de știință sovietici A. A. Baikov, M. A. Pavlov, I. A. Sokolov, S. T. Rostovtsev, G. I. Chufarov. În conformitate cu principiul secvenței transformărilor stabilit de A. A. Baikov, reducerea oxizilor de fier are loc pe etape — de la cel mai înalt oxid la cel mai scăzut, până la formarea fierului metalic.
Instabilitatea termodinamică a oxidului de fier (wustit) la temperaturi sub 570° C determină o schemă de reducere a Fe2O3 cu formarea intermediară doar a oxidului de fier magnetic Fe3O4care este redus la fier prin reacție:
Pentru procesul din furnal, este mai importantă o schemă de reducere în trei etape care include formarea și reducerea wustitei. Procesele au loc la temperaturi de peste 570° C prin următoarele reacții:
Starea de echilibru pentru reacțiile de mai sus este caracterizată de raporturile corespunzătoare ale presiunilor parțiale ale CO și CO2. Reducerea este posibilă la compozițiile inițiale ale fazei gazoase, permițând procesul cu reducere de potențial izobar, adică la
Pentru reacția 1, compoziția de echilibru a fazei gazoase coincide practic cu ordonata de 100% CO2în Fig. 32. Compoziția de echilibru a fazei gazoase pentru reacțiile 2 și 3 corespunde curbelor 2 și 3 din această figură.
Pentru a asigura această condiție, trebuie să existe un exces de CO în gazul de furnal față de conținutul de echilibru. După cum se poate observa din Fig. 32, această condiție este îndeplinită de-a lungul întregii înălțimi a furnalului pentru toate etapele de reducere. Gazul de furnal se scurge prin grătar cu o utilizare incompletă a capacităților sale de reducere. Acest lucru se datorează ratelor insuficiente de reacție ale interacțiunii fazei gazoase cu materialele care conțin fier, în special în orizonturile superioare ale furnalului la temperaturi scăzute. Este posibilă creșterea gradului de utilizare a capacității de reducere a gazului prin îmbunătățirea condițiilor de contact al acestuia cu materialele care conțin fier și prin pregătirea mai temeinică a acestora pentru topirea în furnal.
Mecanismul de reducere a oxizilor de fier de către gaze este complex și include o serie de etape de natură chimică și de difuzie. În condiții de temperaturi și presiuni scăzute, conform teoriei adsorbției-autocatalitice, un rol important îl joacă etapele de adsorbție a gazului agent reducător pe suprafața oxidului, reacția moleculelor de agent reducător adsorbite cu oxigenul din rețeaua cristalină a oxidului, transformarea acestuia în rețea cristalină metalică și desorbția produșilor de reacție gazoși. La temperaturi și presiuni mai ridicate, în special la dimensiuni semnificative ale bucăților din materialele reduse, etapele de difuzie ale procesului de reducere, în special difuzia prin stratul metalic redus, devin foarte importante.
În funcție de starea acestui strat, difuzia poate avea un caracter diferit. În cazul porilor comunicanți deschiși, moleculele de gaz ale agentului de reducere și ale produsului de reducere pot fi transportate una către cealaltă în faza gazoasă care umple porii.
În cazul unei structuri cristaline dense a stratului redus, în locul difuziunii moleculelor de gaz, care nu este realizabilă în aceste condiții, difuziunea ionilor (în principal Fe2+, Fe3+) prin transfer de releu de-a lungul vacanțelor rețelei cristaline (wustită) sau migrație de-a lungul internodurilor rețelei (magnetită și hematită).
În condițiile procesului de domeniu, difuzia reactivilor gazoși prin porii din fazele solide pare să prevaleze în timpul reducerii materialului predominant poros cu structură complexă și al formării de produse poroase. Cu toate acestea, în granulele individuale, difuzia trebuie să se realizeze prin structura cristalină. Deoarece procesele de reducere cu gaze au loc în furnal într-o gamă largă de temperaturi (de la 200 la 1000 °C), cu modificări semnificative ale stării materialelor care se reduc și modificări ale proprietăților fluxului de gaze, influența principalilor factori asupra ratelor de reducere poate fi diferită în funcție de schimbarea condițiilor. Principalii factori care afectează rata de reducere a oxizilor de fier în condițiile de topire din furnal sunt proprietățile materialelor reduse în sine, condițiile de temperatură ale reducerii și proprietățile fluxului de gaz agent de reducere.
