Наблюдаемые процессы в сталеплавильных и ферросплавных печах характеризуются взаимодействием металлической, шлаковой и газовой фаз, а также взаимодействием компонентов внутри этих фаз. Рассмотрим взаимодействие компонентов в некоторых системах, состоящих из газообразных и твердых веществ, твердых фаз и газообразных, жидких несмешиваюшихся фаз и газов.
Если внешние условия (температура и давление) для данной металлургической системы остаются постоянными, то развитие процессов взаимодействия протекает в направлении установления в ней равновесия. При изменении внешних условий равновесие нарушаетcя. Причем, изменение внешнего давления не будет смещать равновесие той реакции, которая не сопровождается изменением объема газообразных веществ. В равновесной системе из нескольких компонентов любая группа взаимодействующих веществ находится в соответствии равновесия, аналогичном тому , которое имеет место при отсутствии всех прочих составляющих системы.
Например, в равновесной газовой системе СО—О2—СО2, характеризуемой реакцией
2СО + О2 ⇔ 2СО2
и константой равновесия К(а), состояние равновесия и константа не изменятся после внесения в систему четвертого компонента – углерода, хотя при этом будут осуществляться новые взаимодействия по реакциям
Ств + СО2 ⇔ 2СО
Ств + О2 ⇔ СО2
2Ств + О2 ⇔ 2СО
характеризующимся соответственно константами равновесия К(б), К(в) и К(Г). Изменение энергии Гиббса общей реакции равно алгебраической сумме изменений энергий Гиббса всех отдельных реакций.
Практический интерес представляет реакция (б), для которой
ΔG= 40800-41,70*T и lgKp = (8916/T) + 9,113.
Эта реакция, известная как реакция Бема—Будуара, имеет развитие при восстановлении оксидов металла углеродом. Будуар опытным путем изучал равновесие в системе кислород—углерод.
На практике восстановительные процессы углеродистыми реагентами осуществляют в большинстве случаев посредством газовой фазы. Например, восстановление по реакции FеОтв + СО ⇔ Fе + С02 обеспечивают хорошим контактом газа с поверхностью твердого FеО.
Восстановление кремния из кремнезема достигается за счет контакта кусков кокса и кварца и взаимодействия с оксидом углерода по реакциям:
SiO2 + 2С⇔ Si + 2СО,
SiO2 + 2СО ⇔ Si + 2С02,
2С02 + 2С ⇔ 4СО.
Участием в восстановлении кремния газовой фазы обеспечивается непрерывность процесса до полного израсходования какого-либо из компонентов. Восстановление оксида металла оксидом углерода в общем виде описывается реакцией МеО + СО ⇔ Ме + С02. Константа равновесия этой реакции косвеного востановителя Кр = рСО2/ рСО, т.е. равна соотношению парциальных давлений углеродистого газа и оксида углерода.