Термодинамічний аналіз умов перебігу процесів навуглецювання заліза твердим вуглецем при відновленні з вюститу

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.31498/2225-6733.53.1.2026.359813

Ключові слова:

відновлення, навуглецювання, хімічна реакція, термодинамічний аналіз, твердий вуглець, вюстит, карбід заліза, вільна енергія Гіббса, гранична температура, ентальпія, ентропія, чавун

Анотація

Стаття присвячена дослідженню процесів навуглецювання заліза при відновленні з вюститу. У роботі проаналізовано сучасні наукові підходи до пояснення механізму навуглецювання заліза при його відновленні з вюститу твердим вуглецем. Показано, що в науковій літературі та на інтернет-ресурсах існують різні трактування цього процесу: як послідовності двох реакцій (відновлення Fe з FeO і подальшого утворення Fe₃C з відновленого Fe) або як єдиного процесу безпосереднього утворення карбіду заліза з вюститу. Окремі групи дослідників пов’язують навуглецювання заліза з дією газу CO, твердого вуглецю або їх спільною участю. На підставі результатів попередніх власних термодинамічних досліджень доведено неможливість перебігу реакцій (як окремих, так і спільної) відновлення заліза з вюститу та його навуглецювання газом CO за температур реальних металургійних процесів. Метою роботи є термодинамічний аналіз умов перебігу процесів навуглецювання заліза при відновленні його з вюститу твердим вуглецем як за окремими, так і за спільною хімічними реакціями, що їх описують, та з урахуванням всіх можливих комбінацій агрегатних станів речовин у реакціях. Методика дослідження базується на розрахунку температурної залежності зміни вільної енергії Гіббса для можливих варіантів зазначених реакцій із використанням виведених рівнянь на основі стандартних значень ентальпій і ентропій речовин, а також їх ентальпій і ентропій плавлення. У результаті проведеного термодинамічного аналізу встановлено, що жоден із варіантів окремих реакцій відновлення заліза з вюститу та подальшого навуглецювання утвореного заліза не може реалізуватися в реальних умовах роботи відновних печей. Доведено, що процеси відновлення та навуглецювання заліза не є послідовними стадіями, а відбуваються одночасно як єдиний процес утворення карбіду заліза з вюститу. Показано, що термодинамічно та фізико-хімічно можливим є лише варіант реакції безпосереднього утворення Fe₃C з вюститу за участю твердого вуглецю при температурах, що перевищують температуру плавлення FeO. Отримані результати уточнюють механізм відновлення заліза з гематиту при використанні твердого вуглецю та термодинамічно обгрунтовують, що кінцевим продуктом такого процесу є лише високовуглецеве залізо – чавун. Правильне уявлення про зазначений процес дозволить створити його науково обґрунтовану фізико-хімічну модель, яка може бути використана для подальших досліджень і розробки інноваційних технологій прямого отримання сталі із залізорудної сировини з перспективами значного підвищення ефективності та енергозбереження сучасного сталеплавильного виробництва

Посилання

  1. Ефименко Г. Г., Гиммельфарб А. А., Левченко В. Е. Металлургия чугуна. Київ: Вища школа, 1974. 288 с.
  2. Смирнов В. О., Білецький В. С. Фізичні та хімічні основи виробництва. Донецьк: Східний видавничий дім, 2005. 148 с.
  3. 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. Pp. 82–108. DOI: https://doi.org/10.1002/chin.200618232.
  4. Літовченко П. І., Іванова Л. П. Технологія конструкційних матеріалів. Харків: НА НГУ, 2016. 306 с.
  5. Поляков О. І., Гасик М. І. Електрометалургія феросплавів, спеціальних сталей і сплавів. Дніпропетровськ: Журфонд. 2009. 116 с.
  6. Яцков М. В., Войцешевський Б. Д. Хімія. Рівне: НУВГП. 2015. 247 с.
  7. 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 Дніпровського державного технічного університету (технічні науки). Кам’янське: ДДТУ, 2021. Вип. 2(39). С. 16–26. DOI: https://doi.org/10.31319/2519-2884.39.2021.2.
  8. Пантейков С. П. Розрахунок температур перебі-гу хімічних реакцій процесу ступінчастого відновлення заліза з гематиту газом СО і газифікації твердого вуглецю за мірами хімічної спорідненості речовин до кисню. International Science Journal of Engineering & Agriculture. 2022. Vol. 1(2). Pp. 1–8. DOI: https://doi.org/10.46299/j.isjea.20220102.1.
  9. Пантейков С. П. Термодинамічний аналіз умов перебігу хімічних реакцій навуглецювання заліза газом СО при відновленні з вюститу. Вісник Приазовського державного технічного університету. Серія: Технічні науки. 2024. Вип. 49, т. 1. С. 175–183. DOI: https://doi.org/10.31498/2225-6733.49.1.2024.321243.
  10. Пантейков С. П., Романенко А. А., Бондаренко Я. І. Дослідження можливості перебігу процесу навуглецювання заліза газом CO при відновленні з вюститу. Наука і металургія: збірник тез Всеукраїнської науково-технічної конференції, м. Дніпро, 19–20 листопада 2025. С. 56.
  11. Демченко М. Т. Поважний С. Ф., Цибровський Г. Г. Системи технологій. Донецьк: ДонДАУ, 2001. 314 с.
  12. Wang Z. Study of Iron Carburization in Co-Based Gas Mixtures : Ph.D. dissertation. Pennsylvania, USA : The Pennsylvania State University, 2007.
  13. Мовчан В. П., Бережний М. М. Основи металургії. Дніпропетровськ: Пороги, 2001. 336 с.
  14. Доменний процес / В.М. Ковшов та ін. Дніпропетровськ: Інститут Технології, 1998. 212 с.
  15. Peacey J. G., Davenport W. G. The Iron Blast Furnace: Theory and Practice. Pergamon of Canada, Ontario : 1979. 266 p. DOI: https://doi.org/10.1016/B978-0-08-023218-8.50005-4.
  16. Селегей А. М., Іващенко В. П., Безшкуренко О. Г. Аналіз сучасних теоретичних та технологічних методів і обладнання та перспектив розвитку завантаження доменних печей. Теорія і практика металургії. 2022. № 4(135). С. 30–45. DOI: https://doi.org/10.34185/tpm.4.2022.05.
  17. Geerdes M., Toxopeus H., van der Vliet C. Modern Blast Furnace Ironmaking: An Introduction. Amsterdam: IOS Press, 2009. 164 p.
  18. Ковшов В. Н., Петренко В. А., Верещак В. И. Моделирование доменного процесса. Днепропетровск: Институт технологии, 1997. 109 с.
  19. Денисюк Р. О. Хімічна технологія. Житомир: Вид-во ЖДУ ім. І. Франка, 2017. 350 с.
  20. Determination of Direct Reduction Conditions of Mill Scale / Yucel O., Demirci F., Turan A., Alkan M. High Temperature Materials and Process-es. 2013. Vol. 32(4). Pp. 405 – 412. DOI: https://doi.org/10.1515/htmp-2012-0167.
  21. Reoxidation Behavior of the Direct Reduced Iron and Hot Briquetted Iron during Handling and Their Integration into Electric Arc Furnace Steelmaking: A Review / L. Kieush et al. Metals. Vol. 14(8). Ar-ticle 873. DOI: https://doi.org/10.3390/met14080873.
  22. Research Progress of Iron Carburization in Blast Furnace / Zhang Z., Zhang J., Jiao K., Liu Z. 6th International Symposium on High-Temperature Metallurgical Processing. Springer, Cham, 2015. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-319-48217-0_80.
  23. Carbon Oxide Monoxide Reduction and Compacts Accompanying Swelling of lron / Nasr M. l., Omar A. A., Hessien M. M. El-Geassy A.-A. ISIJ International. 1996. Vol. 36(2). Pp. 164–171. DOI: https://doi.org/10.2355/isijinternational.36.164.
  24. Iguchi Y., Endo S. Carburized carbon content of reduced iron and direct carburization in carbon composite iron ore pellets heated at elevated temperature. ISIJ International. 2004. Vol. 44(12). Pp. 1991–1998. DOI: https://doi.org/10.2355/isijinternational.44.1991.
  25. Гришин О. М., Надточій А. А. Вплив добавок заліза на кінетику відновлення оксиду хрому вуглецем і карбідами. Вчені записки ТНУ ім. В.І. Вернадського. Серія: Технічні науки. 2019. Т. 30(69), ч. 2, С. 24–29. DOI: https://doi.org/10.32838/2663-5941/2019.6-2/05.
  26. Stability of Cementite Formed from Hematite and Titanomagnetite Ore / Longbottom R. J., Ostrovski O., Zhang J., Young D. Metallurgical and Materials Transactions B. 2007. Vol. 38. Pp. 175–184. DOI: https://doi.org/10.1007/s11663-006-9005-2.
  27. Carbon deposition on iron surfaces in CO–CO2 atmosphere / S. Geng et al. Ironmaking & Steelmaking. 2015. Vol. 42(9). Pp. 714–720. DOI: https://doi.org/10.1179/1743281215Y.0000000049.
  28. Carbonising mechanism and carbon distribution behaviour during direct reduction in shaft furnace / Q. Lu et al. Ironmaking & Steelmaking. 1999. Vol. 26(2). Pp. 122–126. DOI: https://doi.org/10.1179/030192399677004.
  29. Kim D.-Y., Heo Y.-U., Sasaki Y. Cementite For-mation from Magnetite under High Pressure Conditions. ISIJ International. 2013. Vol. 53(6). Pp. 950–957. DOI: https://doi.org/10.2355/isijinternational.53.950.
  30. Kazemi M., Sichen D. Effect of Experimental Conditions on Cementite Formation During Reduction of Iron Ore Pellets. Metallurgical and Materials Transactions B. 2016. Vol. 47. Pp. 3519–3526. DOI: https://doi.org/10.1007/s11663-016-0780-0.
  31. Reduction and Carburization Behaviors of Iron Oxide Composite with Iron Carbide and Free Carbon / Higashi R., Maruoka D., Iwami Yu., Murakami T. ISIJ International. 2024. Vol. 64(15). Pp. 2107–2114. DOI: https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2024-271.
  32. Кириченко А. Г., Насекан Ю. П., Колесник Н. Ф. Влияние гранулометрического состава красного шлама на кинетику науглероживания. Вестник Нац. техн. ун-та «ХПИ». Темат. вып.: Новые решения в современных технологиях. 2011. № 33. С. 7–11.
  33. Можаренко Н. М., Параносенков А. А., Загоровская Н. М. Влияние параметров доменной плавки на процессы растворимости углерода в чугуне. Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. 2005. Вып. 11. С. 21–26.
  34. The carburization of iron oxide with carbon monoxide: Modifications of hägg iron carbide / E. M. Cohn et al. Journal of Applied Chemistry. 2007. Vol. 5(8). Pp. 418–425. DOI: https://doi.org/10.1002/jctb.5010050810.
  35. Murakami T., Fukuyama H., Nagata K. Mechanisms of Carburization and Melting of Iron by CO Gas. ISIJ International. 2001. Vol. 41(5). Pp. 416–421. DOI: https://doi.org/10.2355/isijinternational.41.416.
  36. Hayashi S., Iguchi Y. Synthesis of Iron Carbide by Reaction of Iron Ores with H2–CO Gas Mixtures Bearing Traces of Sulfur. ISIJ International. 1997. Vol. 37(1). Pp. 16–20. DOI: https://doi.org/10.2355/isijinternational.37.16.
  37. Hayashi S., Iguchi Y. Production of Iron Carbide from Iron Ores in a Fluidized Bed. ISIJ International. Vol. 38(10). Pp. 1053–1061. DOI: https://doi.org/10.2355/isijinternational.38.1053.
  38. Carburization of iron using CO−H2 gas mixture / H.-S. Hwang et al. Metals and Materials International. 2004. Vol. 10. Pp. 77–82. DOI: https://doi.org/10.1007/BF03027366.
  39. Shin M., Oh J. S., Lee J. Carburization, Melting and Dripping of Iron through Coke Bed. ISIJ International. 2015. Vol. 55(10). Pp. 2056–2063. DOI: https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2015-115.
  40. Carbothermal reduction of mill scales formed on steel billets during continuous casting / S. M. E. Suarez et al. Hyperfine Interactions. 2021. Vol. 242. Article 29. DOI: https://doi.org/10.1007/s10751-021-01769-9.
  41. До питання про безперервні та суміщені мета-лургійні процеси / Губін Г. В., Скідін І. Е., Саітгареєв Л. Н., Губін Г. Г. Гірничий вісник. 2022. Вип. 110. С. 168–171. DOI: https://doi.org/10.31721/2306-5435-2022-1-110-168-172.
  42. Mirzajonova S., Esonova M. Corbotermic reduc-tion processes components of from wastes of copper concentration plant. Eurasian Journal of Academic Research. 2025. Vol. 4(12 Special Issue). Pp. 712–715. DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.14899776.
  43. Acceleration of Carburization and Melting of Reduced Iron in Iron Ore–Carbon Composite Using Different Types of Carbonaceous Materials / T. Murakami et al. ISIJ International. 2017. Vol. 57(11). Pp. 1928–1936. DOI: https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2017-249.
  44. Юнес Р., Опрышко И. А., Лобода П. И. Анализ технологий прямого восстановления оксидов металлов с применением печей с вращающимся подом. Вісник Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут». Серія: Машинобудування. 2011. № 61. С. 184–192.
  45. Out of C and CO, which is a better reducing agent at 673K? URL: https://www.quora.com/Out-of-C-and-CO-which-is-a-better-reducing-agent-at-673K (дата звернення: 15.12.2025 р.).
  46. Пантейков С. П., Осташко О. М., Романенко А. А. Аналіз термодинамічних умов перебігу хімічних реакцій відновлення заліза з гематиту твердим вуглецем за літературними даними. Молоді вчені 2024 – від теорії до практики: тези доповіді ХІV Всеукраїнської конференції молодих вчених, м. Дніпро, 21 березня 2024 р. С. 61–65.
  47. Розрахунок термодинамічних температур перебігу хімічних реакцій процесу ступінчастого відновлення заліза з гематиту твердим вуглецем / Пантейков С. П., Романенко А. А., Бондаренко Я. І., Осташко О. М. Збірник наукових праць ДДТУ: (тематичний випуск) «До 95-річчя кафедри металургії ім. проф. В.І. Логінова ДДТУ». Кам’янське: ДДТУ, 2024. С. 53–62. DOI: https://doi.org/10.31319/2519-2884.tm.2024.5.
  48. Лобурець А. Т. Хімічна термодинаміка. Полтава: ПНТУ ім. Ю. Кондратюка, 2016. 85 с.
  49. Цветкова Л. Б. Фізична хімія: теорія і задачі. Львів: Магнолія, 2008. 415 с.
  50. Солдаткіна Л.М. Хімічна термодинаміка в схемах, таблицях, формулах, рисунках. Одеса: «Одеський національний університет», 2012. 101 с.
  51. Лебідь В.І. Фізична хімія. Харків: Фоліо, 2005. 478 с.
  52. Пантейков С. П. О температурах протекания реакций восстановления железа из гематита твёрдым углеродом с позиций термодинамики. Innovations technologies in science and practice: Proceedings of the VI-th International Scientific and Practical Conference, Haifa, Israel, February 15–18, 2022. Pp. 531–541.
  53. Пантейков С. П. О влиянии степени химического сродства веществ к кислороду на возможность протекания реакций восстановления железа из гематита твёрдым углеродом. Theoretical and science bases of actual tasks: Proceedings of the ХIV-th International Scientific and Practical Conference, Lisbon, Portugal, 12–15 April 2022. Pp. 618–627.
  54. Пантейков С. П. Термодинамічний аналіз процесів відновлення заліза з вюститу твердим вуглецем. Science, Technology and Global Challenges: Proceedings of 7-th International Scientific and Practical Conference, Tokyo, Japan, 05–07 March 2026. Tokyo: CPN Publishing Group, 2026. Pp. 203–212.
  55. Пантейков С. П. Термодинамічний аналіз процесів навуглецювання відновленого заліза твердим вуглецем. Development of science in the XXI century: XXIV-th International Scientific and Practical Conference, Dortmund, Germany, 05–06 March, 2026. 2026. Pp. 130–134.
  56. Пантейков С. П. Термодинамічний аналіз процесів навуглецювання заліза при його відновленні з вюститу твердим вуглецем. Current trends in the development of science and society: Abstracts of the X-th International Scientific and Practical Conference, Oslo, Norway, 10–13 March, 2026. Pp. 184-192.
  57. Хільчевський В. В. Матеріалознавство і технологія конструкційних матеріалів. Київ: Либідь, 2002. 328 с.
  58. Трапезніков О. П. Визначення параметрів лазерного опромінення тонких швидкорухомих заготовок та проектування оптичної системи. URL: https://mcic.kpi.ua/2019_3.htm (дата звернення: 15.03.2026 р.).
  59. Гасик М. И., Лякишев Н. П. Физикoхимия и технология электроферрoсплавов. Днепропетровск: ГНПП «Системные технологии», 2005. 448 c.
  60. Effects of Reducing Time on Metallization Degree of Carbothermic Reduction of Tall Pellets Bed / Xin J., Lin W., Ming-xu L., Fengman S. Journal of Northeastern University Natural Science. 2016. Vol. 37(12). Pp. 1720–1725. DOI: https://doi.org/10.12068/j.issn.1005-3026.2016.12.011.
  61. Chen Y. R., Zhang F. New Development in Decarburization Research and Its Application to Spring Steels. High Temperature Corrosion of Materials. 2023. Vol. 100(3-4). Pp. 109–143. DOI: https://doi.org/10.1007/s11085-023-10181-3.
  62. Cornacchia G., Faccoli M., Roberti R. Metallurgical Investigation of a Steel Miner’s Chisel From Ponte Val Gabbia III Site. The Journal of The Minerals, Metals & Materials Society. 2015. Vol. 67. Pp. 260–271. DOI: https://doi.org/10.1007/s11837-014-1219-1.
  63. Coproduction of DRI Powder and Semicoke from Siderite Ore and Low Rank Coal by Excessive Coal-based Direct Reduction in Rotary Kiln / Ya. Luo et al. ISIJ International. 2016. Vol. 56(1). Pp. 78–87. DOI: http://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2015-390.
  64. Bao S., Ringdalen E. Slag formation in silicon and ferrosilicon production using quartz, limestone and iron source. International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials. 2025. Vol. 32(4). Pp. 859–868. DOI: https://doi.org/10.1007/s12613-024-3052-z.
  65. Чернега Д. Ф. Основи металургійного виробництва металів і сплавів. Київ: Вища школа, 2006. 503 с.
  66. Analysis on Ancient Bloomery Ironmaking Technology: The Earliest Ironmaking Evidence in the Central Plains of China Was Taken as the Research Object / Li S., Li Ya., Zhu R. Wang H. Met-als. 2022. Vol. 12(8). Article 1307. DOI: https://doi.org/10.3390/met12081307.
  67. Пінчук С. І., Чигиринець О. Е. Хімія твердого тіла (короткий курс). Київ: Видавничий дім АртЕк, 2018. 124 с.
  68. Пантейков С. П., Романенко А. А., Бондаренко Я. І. Термодинамічні дослідження процесу навуглецювання заліза твердим вугле-цем при відновленні з вюститу. Інноваційні технології в науці та освіті. Європейський досвід: матеріали VІІІ Міжнародної конференції, м. Дніпро, 20–24 грудня 2025 р. Дніпро : Жур-фонд, 2025. С. 133–136.
  69. Ripan R., Ceteanu I. Chimie anorganică. Volu-mul 2. Chimia metalelor. București: Editura Didactică și Pedagogică, 1967. 806 p.
  70. Стовба Я. В., Перескока В. В., Камкина Л. В. Оценка возможности использования железо- и марганецсодержащих отходов для получения углеродистого ферромарганца. Сотрудничество для решения проблемы отходов : Материалы VI Международной конференции, Харьков, 8–9 апреля 2009 г. Харьков: НТУ «ХПИ», 2009. С. 72–73.
  71. Ali M.L., Fradet Q., Riedel U. Kinetic mechanism development for the direct reduction of single hematite pellets in H2/CO atmospheres. Steel Research International. 2022. Vol. 93(12). Article 2200043. DOI: https://doi.org/10.1002/srin.202200043.

##submission.downloads##

Опубліковано

2026-03-26

Як цитувати

Пантейков , С., Романенко , А., Бондаренко , Я., & Лопушин , О. (2026). Термодинамічний аналіз умов перебігу процесів навуглецювання заліза твердим вуглецем при відновленні з вюститу. Вісник Приазовського Державного Технічного Університету. Серія: Технічні науки, 1(53), 243–257. https://doi.org/10.31498/2225-6733.53.1.2026.359813

Номер

Том 1 № 53 (2026): Вісник ПДТУ. Серія: Технічні науки

Розділ

136 Металургія

Ліцензія

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Журнал "Вісник Приазовського державного технічного університету. Серія: Технічні науки" видається під ліцензією СС-BY (Ліцензія «Із зазначенням авторства»).

Дана ліцензія дозволяє поширювати, редагувати, поправляти і брати твір за основу для похідних навіть на комерційній основі із зазначенням авторства. Це найзручніша з усіх пропонованих ліцензій. Рекомендується для максимального поширення і використання неліцензійних матеріалів.

Автори, які публікуються в цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:

1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, яка дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи в цьому журналі.

2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди, які стосуються неексклюзивного поширення роботи в тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи в цьому журналі.