11.05.2018

Алюмотермическое восстановление трудновосстановимых окислов


При восстановлении трудновосстановимых окислов, например окислов бора и титана, отрицательная величина изменения изобарного потенциала значительно меньше, чем при протекании реакций, рассмотренных выше, а при восстановлении таких окислов, как ZrO2, BaO и CaO значение изобарного потенциала при высоких температурах является положительной величиной. Поэтому в состоянии равновесия этих реакций в шлаковой фазе будет находиться значительная часть окислов (например, ориентировочная оценка равновесных концентраций при восстановлении окиси бария алюминием дает величину nBa = 0,02 моль, что соответствует извлечению бария менее 1%).

Для повышения извлечения трудновосстановимых металлов необходимы специальные условия выплавки, способствующие развитию реакции (1) вправо, например, такие, как связывание образующейся окиси алюминия в прочные алюминаты, растворение в железе таких металлов, как бор или титан, введение кремния для образования силицидов циркония и т. д.

Высказанное выше предположение о том, что при протекании внепечного алюминотермического восстановления окислов реально получаемые соотношения Men:MenOm далеки от равновесных и что выход металла определяется в значительной степени кинетическими особенностями протекания процесса, находит подтверждение и при восстановлении трудновосстановимых окислов, в частности при получении ферротитана. Определенная информация о степени приближения реально получаемого состава этого сплава к равновесному может быть получена при исследовании химического состава корольков, остающихся в шлаке и контактирующих со шлаковым расплавом в течение большего периода времени, чем капли металла, из которых образовался слиток. Химический состав подобных крупных корольков (d > 1 мм), извлеченных из шлака промышленной плавки, проведенной на холодной шихте; показан в табл. 5 (в слитке металла этой плавки содержалось 26,37% Ti и 6,55% Al). При внепечном восстановлении двуокиси титана алюминием отношение Ti : Al в сплаве не удается поднять выше 3,0—3,5, а при производстве ферротитана это соотношение не превышает 5,0—5,5; однако, как следует из химического состава корольков (см. табл. 5) в результате длительного их контактирования с жидким шлаком отношение Ti : Al может повыситься до 7,5—8,0.
Из приведенных данных следует, что несмотря на высокие скорости взаимодействия, характерные для внепечной плавки с использованием порошкообразных шихт, время контакта металлической и шлаковой фаз до их расслоения и кристаллизации оказывается недостаточным и что увеличение периода, в течение которого жидкий металл контактирует с расплавленным шлаком, может привести к более полному завершению восстановительных реакций. К такому же выводу приводит анализ результатов лабораторной выплавки ферротитана (на 100 г концентрата), в которой время контакта металлической и шлаковой фаз увеличивали путем нагрева плавильного горна в печи ТГ-3 до 1570 К и охлаждения расплава вместе с печью в течение 8 ч. Средняя масса плавок составляла 63,0 г при содержании титана 25,44% и алюминия 5,76%, в то время как плавки, выполненные в аналогичных условиях, но без нагрева горна, содержали 21,20% Ti и 10,34% Al (масса слитка 59,4 г).

Помимо незавершенности восстановительных реакций, выход металла в слиток уменьшается еще и из-за неполного осаждения восстановленного металла, остающегося в шлаке в виде корольков.

Ниже приведена полная масса восстановленного ферротитана (слиток + корольки), полученного в промышленных плавках в разных условиях: плавку 1 проводили на горячей шихте (температура нагрева шихты 500 К) и в горне, футеровку которого нагревали до 670 К, плавку 2 — на горячей шихте, но без нагрева горна, плавку 3 — в холодном горне и без нагрева шихты. Все плавки проводились на шихте одинакового состава.

Полная масса плавок ферротитана, проведенных в различных условиях, приведена ниже:
Различные тепловые условия проведения плавок предопределяют разный выход металла и различия в его химическом составе, однако полная масса восстановленного металла с учетом остающихся в шлаке корольков во всех плавках оказывается практически одинаковой, что является подтверждением высказанного выше предположения о незначительном влиянии изменения температуры процесса (в пределах реально возможных изменений температуры при проведении промышленной плавки) на полноту протекания восстановительных реакций. Изменение химического состава сплава по мере уменьшения потерь металла в шлаках согласуется с результатами анализа химического состава корольков ферротитана.

Таким образом, приведенные выше результаты термодинамических расчетов и экспериментальных исследований показывают, что полнота взаимодействия окислов металлов с алюминием, помимо термодинамической характеристики процесса, в значительной степени определяется кинетическими условиями протекания реакций, а выход металла в слиток, кроме того, зависит от условий разделения металлической и шлаковой фаз, образующихся в результате протекания процесса.





Яндекс.Метрика