содержание      ..     5      6      7      8     ..

Глава 2 МЕТАЛЛОТЕРМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ, ИХ СПЛАВОВ И НЕКОТОРЫХ НЕМЕТАЛЛОВ

§ 1. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ОКСИДОВ



Металлотермический метод, открытый в 1856 г. Н. Н. Бекетовым, нашел применение как в промышленности, так и для лабораторного получения металлов, сплавов и некоторых неметаллов. Возможность метал-лотермического получения металлов и сплавов определяется физико-химическими свойствами исходных и получаемых веществ и тепловыми условиями проведения реакций.

Количество теплоты, выделяющейся во время проведения реакции, должно хватить как на нагревание веществ выше температуры плавления наиболее тугоплавкого из получаемых компонентов, так и на тепловые потери за время от начала реакции до окончания расслаивания продуктов реакции на шлак и металл.

При восстановлении оксидов МnO2 и Мn2O3 они разлагаются в зоне реакции с выделением кислорода и образованием оксида марганца Мn3O4. Выделяющийся кислород разбрасывает реакционную массу и перемешивает продукты реакции, что мешает осаждению получаемого металла на дно тигля. Поэтому эти оксиды нельзя применять для получения марганца или его сплавов. Частичное разложение и испарение наблюдается при алюминотермическом восстановлении оксида хрома (VI) и оксида молибдена (VI). Эти оксиды также нельзя непосредственно использовать для алюминотермического получения металлов. Но эти оксиды можно использовать в качестве добавок к различным оксидам с целью получения сплавов.
 

Определим минимальное количество легковосста-навливаемого оксида, которое следует добавить к трудновосстанавливаемому, чтобы получился двухкомпонент-ный сплав. В результате восстановления оксида алюминием или другим металлом выделяется определенное количество теплоты, которое должно нагреть продукты реакции до определенной температуры: 

t=q/Сср

где q — удельная теплота реакции, т. е. количество теп-лоты, выделяющееся на 1 г реакционной массы; ср — средняя удельная теплоемкость продуктов реакции. 

В действительности с начала реакции до окончания расслаивания продуктов на шлак и металл часть теплоты теряется. Поэтому реальная температура нагревания продуктов реакции составит:

Примем значение t равным температуре плавления наиболее тугоплавкого из получаемых компонентов. Обычно им является шлак — оксид алюминия, плавящийся при 2050°С. При таком условии % ок. является минимально необходимым количеством легковосстанавливаемого оксида в смеси с трудновосстанавливаемым.

Значения удельных тепловых эффектов реакций восстановления соответствующих оксидов алюминием приведены в таблице 4.

Таблица 4

Удельные тепловые эффекты (q) восстановления оксидов алюминием

Исходные вещества (оксиды), а также реактор (тигель) необходимо предварительно просушить при 150— 200°С. (При наличии влаги наблюдается разбрасывание реакционной смеси.) После этого оксиды растирают в порошок и отделяют на сите от неразмельченных частичек. Алюминий берут в виде мелких крупинок. Порошкообразный алюминий, имеющийся в продаже под названием алюминиевой пудры, непригоден для алюминотермических реакций, так как он обычно содержит большое количество окисленного металла; с хорошими же сортами такого неокисленного алюминия реакции протекают слишком бурно, что снижает выход получаемого металла. Высушенные и размельченные исходные вещества отвешивают на технических весах и тщательно перемешивают. При проведении _ реакции следует брать не менее 25—30 г исходных веществ (суммарно). С большим количеством веществ реакции идут еще лучше, и выход металлов увеличивается. Алюминий берут в количестве, равном теоретически рассчитанному, а только в. специальных случаях (выгорание алюминия, получение алюминиевых сплавов) — больше теоретически необходимого количества: Чтобы получить металл или сплав без алюминия, следует брать его несколько меньше теоретически рассчитанного количества (на 3—4%)

Рис. 39. Алюминотермическое восстановление оксида в тигле:
1 — тигель; 2 — смесь оксида с алюминием; 3 — зажигательная смесь; 4 — лента магния.

Рис. 40. Алюминотермическое восстановление оксидов в песке:
1 — металлический ящик; .2 — песок; 3 — бумажный кулак; 4 — смесь оксидов с алюминием; 5 — зажигательная смесь; 6 — лента магний.

Приготовление зажигательной смеси. Существует несколько рецептов приготовления зажигательной смеси:

1) 9 мас. ч. растертого пероксида бария смешивают с 1 мас. ч. порошкообразного алюминия; 2) берут 3 мае. ч. растертого нитрата калия и 1,3 мае. ч. алюминиевой пудры; 3) готовят смесь 4 мае. ч. растертого пероксида бария и 1 мас. ч. порошкообразного алюминия и добавляют 0,7 мас. ч. отдельно растертого хлората калия. Зажигательную смесь хранят в сухой, хорошо закупоренной стеклянной банке; приготовлять ее в больших количествах не рекомендуется.

Заполнение реактора шихтой. В качестве реактора используют магнезиальные или корундовые тигли, так как они термически стойки и вещества при работе с ними меньше загрязняются. Фарфоровые тигли, как правило, разрушаются. Поэтому их нужно помещать в песок, чтобы расплавленная масса не выливалась. Более удобны шамотовые или глиняные тигли, но в этом случае продукт несколько загрязняется кремнием и другими веществами.

Тигель 1 (рис. 39) заполняют на 3/4 его высоты смесью из оксида и восстановителя, утрамбовывают, делают небольшое углубление и засыпают сверху тонким слоем (около 1—1,5 мм) зажигательной смеси. Ленту магния 4 вставляют в углубление, которое затем заполняют зажигательной смесью в форме горки. Если лента магния покрыта слоем оксида, ее следует очистить ножом.

Реакцию можно проводить в песке или в оксиде магния, предварительно прокаленных. В таком материале, насыпанном в стальной ящик, делают углубление, в которое и помещают реакционную смесь в бумажном кульке (рис. 40).

Меры предосторожности. Ввиду того что при реакции выделяется очень много теплоты и происходит разбрасывание раскаленных частиц, необходимо соблюдать меры предосторожности. Реакцию проводят в вытяжном шкафу, откуда убирают все легковоспламеняющиеся материалы. Тигель помещают на песок. Работают в защитных очках.

Проведение опыта. Зажигательную смесь поджигают при помощи магниевой ленты. Если имеются магниевые стружки, то можно поджечь магний и бросить его на зажигательную смесь.

Разделение продуктов реакции. Продукты реакции (металл и шлак) очень прочно удерживаются в тигле. Поэтому после окончания реакции тигель охлаждают, разбивают и «королек» металла отделяют от шлака. Иногда кусочки металла остаются в шлаке в виде включений. В этом случае шлак нужно разбить на кусочки и отобрать металл; кусочки Шлака, приставшего к металлу, удаляют с помощью молотка на стальной плите.

Выход продуктов реакции. Выход продуктов реакции в лабораторных условиях в лучшем случае составляет 80—90% от теоретического. Чаще он составляет 60—70%- Выход в значительной степени определяется чистотой отделения металла от шлака, в котором металл часто остается в виде мелких трудноотделяемых включений.

содержание      ..     5      6      7      8     ..