Восстановительные процессы в пирометаллургии широко используют для получения металлов или их сплавов из таких химических соединений как простые или сложные оксиды, галогениды, сульфиды. В качестве восстановителей применяют водород, оксид углерода, углерод, карбид кальция, более активные металлы, а также электрический ток. При современном развитии техники более эффективными являются способы химического восстановления, т.е. восстановителем служит вещество, сродство которого к металлоиду, связывающему металл в химическое соединение, выше чем у восстанавливаемого металла. Поэтому процесс их взаимодействия будет сопровождаться появлением в системе металла в свободном виде вследствие уменьшения энергии Гиббса. Например, процесс восстановления
оксидов металлов в присутствии твердого восстановителя описывается двумя совместно протекающими реакциями MeO + CO ⇄ Me + CO2 (1) CO2 + C ⇄ 2CO (2) -------------------------------------------------------- MeO + C ⇄ Me + CO (3) При таком механизме реакции восстановления выбор условий, при которых реакция (1) будет протекать в сторону образования металла, зависит от термодинамических характеристик как реакции газового восстановления (1), так и реакции Будуара (2). Реакция (1) пойдет в прямом направлении только тогда Рсо газовой фазы будет больше Рсо равновесного для восстанавливаемого оксида, но меньше Рсо равновесного для реакции газификации твердого углерода. Так как термодинамические характеристики зависят от температуры, то совместное протекание реакций (1) и (2) возможно лишь начиная с определенных температур, характерных для каждого из оксидов. Поведение компонентов перерабатываемого сырья в металлургических процессах определяется физико-химическими свойствами находящихся в нем соединений. Наиболее часто металлы в сырье находятся в виде оксидов и более сложных окисленных соединениях (сульфатов, карбонатов, гидроксидов, силикатов), а также в виде сульфидов, хлоридов и т.п. Их поведение в металлургических процессах определяется прочностью химического соединения. Большинство реакций происходит при постоянном (атмосферном) давлении, и если при протекании реакции выделяется тепло, то они называются экзотермическими и при этом происходит снижение теплосодержания (энтальпии) системы ( ). Реакции же протекающие с поглощением тепла, называются эндотермическими, и их протекание приводит к увеличению энтальпии ( ). Прямое восстановление металлов имеет ограниченное значение при производстве металлов в связи с несовершенством контакта между кусковыми материалами. Главенствующую роль в реальных металлургических процессах играет газообразный восстановитель – оксид углерода СО, и получение металла идет по реакции
МеО + СО Ме + СО2.
Эта реакция обратима. В зависимости от условий (температуры, состава, газовой фазы в печи) происходит либо восстановление металла из оксида, либо его окисление диоксидом углерода. За счет кислорода дутья в первую очередь окисляется углерод по реакции
С + О2 СО2 + 393770 кДж.
Выделяющееся при этом тепло обеспечивает расплавление перерабатываемых материалов. При избытке углерода в печи кислород дутья быстро расходуется, при высоких температурах диоксид углерода вступает во взаимодействие с углеродом, окисляя его по реакции
С + СО2 2СО – 172400 кДж.
Реакцию окисления твердого углерода диоксидом углерода называют реакцией Будуара. Восстановление оксидов металлов, имеющих несколько ступеней окисления, носит сложный характер. Например, восстановление железа в зависимости от температуры протекает по следующим схемам:
Fe2O3 Fe3O4 Fe (при температуре ниже 570 С); Fe2O3 Fe3O4 FeO Fe (при температуре выше 570 С).
Во многих пирометаллургических процессах цветной металлургии происходит взаимодействие между сульфидами и оксидами
MeIS + MeIIO MeIO + MeIIS.
В этом случае направление реакции будет зависеть от сродства металла МеI и MeII к кислороду. Разновидностью восстановительных процессов является металлотермическое восстановление – процесс восстановления металлов из их соединений (оксидов, сульфидов и галогенидов) другим более активным металлом:
MeIX + MeII = MeI + MeIIX.
Этот процесс протекает с выделением тепла (экзотермическая реакция, при которой энергия Гиббса G 0). Металлотермические процессы используют при производстве ферросплавов, титана, магния, циркония, гафния, урана и других металлов.
2.5 Разделение продуктов отстаиванием, испарением и конденсацией
Отстаивание является одним из методов разделения гетерогенных систем, образующихся при производстве металлов и состоящих, по крайней мере, из двух несмешивающихся фаз. Разделение взаимно нерастворимых продуктов происходит за счет расслаивания вследствие различия их плотностей. В металлургической практике две разновидности отстаивания – выделение твердых частиц из водных растворов в гидрометаллургии или твердых включений из расплавов, а также разделение жидких продуктов металлургических плавок (например, металла и шлака). Скорость отстаивания возрастает при увеличении разности плотностей фаз, снижении вязкости среды и размера оседающих включений. Испарение (сублимация) и конденсация имеют место во многих пирометаллургических процессах. Эти процессы лежат в основе методов получения и разделения некоторых металлов, различающихся по их способности переходить в парообразное состояние. При охлаждении пары летучих металлов или их соединения конденсируются в виде жидкостей или твердого продукта. Способность к испарению некоторых летучих компонентов может приводить к их безвозвратным потерям. Наиболее летучими металлами при сравнительно низких температурах являются ртуть, кадмий, натрий, цинк и магний. Для осуществления процесса испарения необходимо затратить энергию. Количество теплоты, затрачиваемое на испарение вещества, называется теплотой испарения (парообразования). Процесс, обратный по цели и направлению испарению, называется конденсацией. Он проводится с целью перевода вещества из парообразного (газообразного) состояния в жидкое или твердое, путем его охлаждения или сжатия. Широкое распространение в цветной металлургии получили процессы дистилляции (перегонки) и ректификации. Сущность дистилляции заключается в разделении жидких смесей и осуществляется путем частичного испарения жидкости и последующей конденсации пара. При необходимости более глубокого разделения компонентов проводят повторную перегонку конденсата и остатка, и этот процесс называется ректификацией
Список литературы
1. Тарасов А.В. Общая металлургия /А.В. Тарасов, Н.И. Уткин – М.: Металлургия, 1997. – 592 с. 2. Коротич В.И. Металлургия черных металлов /В.И. Коротич, С.Г. Братчиков – М.: Металлургия, 1987. 240 с. 3. Шварцман Л.А. Начала физической химии для металлургов /Л.А. Шварцман, А.А. Жуховицкий – М.: Металлургия, 1974. – 352 с.
