Методы получения чистых металлов
Обновлено: 04.05.2024
ХИМИЯ – это область чудес, в ней скрыто счастье человечества,
величайшие завоевания разума будут сделаны
именно в этой области.(М. ГОРЬКИЙ)
Таблица
Менделеева
Универсальная таблица растворимости
Коллекция таблиц к урокам по химии
Общая характеристика и способы получения металлов
Значительная химическая активность металлов (взаимодействие с кислородом воздуха, другими неметаллами, водой, растворами солей, кислотами) приводит к тому, что в земной коре они встречаются главным образом в виде соединений: оксидов, сульфидов, сульфатов, хлоридов, карбонатов и т. д. В свободном виде встречаются металлы, расположенные в ряду напряжений правее водорода (Аg, Нg, Рt,Аu, Сu), хотя гораздо чаще медь и ртуть в природе можно встретить в виде соединений.
Минералы и черные породы, содержащие металлы и их соединения, из которых выделение чистых металлов технически возможно и экономически целесообразно, называют рудами.
Получение металлов из руд — задача металлургии.
Металлургия — это и наука о промышленных способах получения металлов из руд, и отрасль промышленности.
Любой металлургический процесс — это процесс восстановления ионов металла с помощью различных восстановителей. Суть его можно выразить так:
Чтобы реализовать этот процесс, надо учесть активность металла, подобрать восстановитель, рассмотреть технологическую целесообразность, экономические и экологические факторы.
В соответствии с этим существуют следующие способы получения металлов:
Пирометаллургия
Пирометаллургия — восстановление металлов из руд при высоких температурах с помощью углерода, оксида углерода (II), водорода, металлов — алюминия, магния.
Например, олово восстанавливают из касситерита SnО2, а медь — из куприта Cu2O
прокаливанием с углем (коксом):
SnО2+ 2С = Sn + 2СО ↑; Cu2O + С = 2Cu+ СО ↑
Сульфидные руды предварительно подвергают обжигу при доступе воздуха, а затем полученный оксид восстанавливают углем:
2ZnS + 302 = 2ZnО + 2SO2 ↑; ZnО + С = Zn + СО ↑
сфалерит (цинковая обманка)
Из карбонатных руд металлы выделяют также путем прокаливания с углем, т. к. карбонаты при нагревании разлагаются, превращаясь в оксиды, а последние восстанавливаются углем:
FeСO3 = FеО + СO2 ↑ ; FеО + С = Fе + СО ↑
сидерит (шпатовый железняк)
Восстановлением углем можно получить Fе, Сu, Zn, Сd, Ge, Sn, Рb и другие металлы, не образующие прочных карбидов (соединений с углеродом).
В качестве восстановителя можно применять водород или активные металлы:
К достоинствам этого метода относится получение очень чистого металла.
2) TiO2+ 2Мg = Тi + 2МgO (магнийтермия)
Чаще всего в металлотермии используют алюминий, теплота образования оксида
которого очень велика (2А1 + 1,5 O2 = Аl2O3 + 1676 кДж/моль). Электрохимический ряд напряжений металлов нельзя использовать для определения возможности протекания реакций восстановления металлов из их оксидов. Приближенно установить возможность этого процесса можно на основании расчета теплового эффекта реакции (Q), зная значения теплот образования оксидов:
где Q1— теплота образования продукта, Q2 -теплота образования исходного вещества.
Доменный процесс (производство чугуна):
C + O2 = CO2, CO2 + C ↔ 2CO
3Fe2O3 + CO = 2(Fe 2 Fe 3 2)O4+ CO2
(Fe 2 Fe 3 2)O4+ CO= 3FeO + CO2
FeO + CO= Fe + CO2
(чугун содержит до 6,67% углерода в виде зерен графита и цементита Fe3C);
Выплавка стали (0,2-2,06% углерода) проводится в специальных печах (конвертерных, мартеновских, электрических), отличающихся способом обогрева. Продувание воздуха, обогащенного кислородом, приводит к выгоранию из чугуна избыточного углерода, а также серы, фосфора и кремния в виде оксидов. При этом оксиды либо улавливаются в виде отходящих газов (CO2, SO2), либо связываются в легко отделяемый шлак – смесь Ca3(PO4)2 и CaSiO3. Для получения специальных сталей в печь вводят легирующие добавки других металлов.
Гидрометаллургия
Гидрометаллургия — это восстановление металлов из их солей в растворе.
Процесс проходит в два этапа: 1) природное соединение растворяют в подходящем реагенте для получения раствора соли этого металла; 2) из полученного раствора данный металл вытесняют более активным или восстанавливают электролизом. Например, чтобы получить медь из руды, содержащей оксид меди СuО, ее обрабатывают разбавленной серной кислотой:
Затем медь либо извлекают из раствора соли электролизом, либо вытесняют из сульфата железом:
Таким образом, получают серебро, цинк, молибден, золото, уран.
Электрометаллургия
Электрометаллургия — восстановление металлов в процессе электролиза растворов или расплавов их соединений.
Этим методом получают алюминий, щелочные металлы, щелочноземельные металлы. При этом подвергают электролизу расплавы оксидов, гидроксидов или хлоридов.
Методы получения чистых металлов
Восстановление окислов металлов водородом применяется для по лучения чистых германия, вольфрама, молибдена, висмута и железа; аналогичным путем получается рений из перрената калия.
Исходным материалом для производства германия служит его чистая двуокись, восстановление которой осуществляют в графитовых лодочках, помещенных в трубчатую печь с наружным обогревом. Для уменьшения потерь от улетучивания низшего окисла германия GeO процесс ведут сначала при 600°, затем при 800—900°. В той же печи при температуре выше 960° порошок германия переплавляют в слитки.
Для получения чистого германия необходимо применять лодочки из особо очищенного графита; примеси, содержащиеся в обычном графите, могут попадать в германий, снижая его качество.
Существенное влияние на качество продукта оказывает чистота водорода. Поскольку для восстановления 1 кг германия требуется около 600 л водорода, содержание примесей в последнем должно быть менее 0,002 мг/м3. Очистку водорода от сопутствующих газов — кислорода, азота, сероводорода, углекислоты — производят обычно с помощью титановой стружки, нагретой до 900°. Хорошим сорбентом большинства сопутствующих газов является активированный уголь, охлажденный до температуры жидкого азота; при этом поглощаются также остатки влаги, конденсация которой способствует коагуляции аэрозолей. Очистку от аэрозолей осуществляют пропусканием водорода через несколько слоев фильтровальной бумаги; хорошим материалом для фильтров служит ткань Петрякова.
При соблюдении надлежащих условий получается германий высокой чистоты; однако такой металл еще не пригоден для полупроводниковой техники и требует дополнительного рафинирования приемами, описанными ниже при изложении кристаллофизических методов.
Восстановление водородом является единственным технологическим методом, применяемым в настоящее Бремя в промышленном масштабе для получения чистых вольфрама и молибдена.
Порошки металлического вольфрама и молибдена, полученные при восстановлении водородом хорошо очищенных ангидридов, после обработки металлокерамическим способом дают компактный металл, пригодный для производства изделий (проволоки, листа и др.).
Восстановление окислов углеродом используют главным образом для получения технически чистых металлов, нуждающихся в дальнейшем рафинировании, превращающем их в металлы высокой чистоты. Этот метод применяют для ряда цветных, большинства малых и некоторых редких металлов.
Оригинальным вариантом метода является разработанный К. Болке способ получения ниобия в вакууме по реакции
Приготовленный для этой цели карбид ниобия измельчают в порошок и смешивают с пятиокисью ниобия в требуемом соотношении. Брикеты смеси прокаливают в вакууме при температуре около 1600°. Для полного удаления углерода в виде СО в состав шихты вводят небольшой избыток пятиокиси ниобия, в последующих операциях металлокерамической обработки — главным образом высокотемпературной сварки — избыток пятиокиси ниобия улетучивается в вакууме при температуре ниже точки плавления металла. Этим способом получается компактный ниобий высокой степени чистоты.
Металлотермическое восстановление применяют в производстве титана, цирконня, гафния, тория, ниобия, тантала, урана и других металлов.
Восстановление двуокиси металла кальцием в вакууме или инертном газе используют для получения тория, циркония, гафния и титана.
Восстановление хлоридов магнием применяют в промышленном масштабе для получения титана и циркония.
Важнейшим технологическим процессом производства металлического урана является магние- или кальциетермическое восстановление из чистого тетрафторида, которое осуществляют в тиглях, помещенных в герметически закрытые аппараты (бомбы). Для получения урана, применяемого в атомной энергетике, необходимо пользоваться специально очищенным тетрафторидом и ректифицированным магнием или кальцием.
При всех методах металлотермического восстановления вначале получают технические металлы, обычно загрязненные металлом-восстановителем, которые в дальнейшем рафинируют. Однако по ряду примесей такие металлы могут быть ультрачистыми даже без дополнительного рафинирования; например, технический металлический уран, полученный из хорошо очищенного от редких земель фторида, является ультрачистым по этим примесям.
Электролизом водных растворов или расплавленных сред получают такие чистые редкие металлы, как галлий, торий, тантал, бериллий, цирконий и др.
Галлий чистотой 99,9% получают электролизом раствора галлата натрия, содержащего небольшое количество свободной щелочи. В качестве катода используют жидкий галлий, в качестве анода — графитовый стержень, нержавеющую сталь или никель. Процесс ведут при температуре 45—50°.
Тантал, содержащий сотые доли процента основных примесей, может быть получен электролитическим разложением пятиокиси тантала, растворенной в смеси расплавленных солей К2ТаF7, KF и КСl. Пятиокись тантала в расплаве диссоциирует; при электролизе на катоде выделяется тантал, а на аноде — кислород. Электролиз ведут в тигле из графита, железа или никеля при 750°. Тигель служит анодом, а опушенный в тигель стержень из графита, молибдена или никеля — катодом. Осаждающийся на катоде танталовый порошок счищают, отмывают от солей и сушат.
Электролизом расплавленных солей получают чистый бериллий. В качестве электролита применяют обычно смесь солей ВеСl2 и NaCl в весовом соотношении 1:1, плавящуюся при температуре 215°. Катодом является никелевый тигель, в котором осуществляется процесс, анодом — графитовый стержень, вставленный в тигель через отверстие в крышке. Температура электролита 350°. Металлический бериллий снимают со стенок тигля в горячем состоянии, отжимают от электролита на прессе и промывают.
За последнее десятилетие металлы высокой чистоты приобретают все большее значение в технике.
Атомная энергетика применяет металлы (уран, торий, бериллий и др.) очень высокой чистоты по примесям элементов, обладающих большим сечением захвата нейтронов; например, примесь бора в металлическом уране не должна превышать 1*10в-5—1*10в-6% т. е. 0,1—0,01 г бора в тонне урана.
Металлы, применяемые в полупроводниковой технике, по ряду примесей требуют еще большей степени чистоты. Содержание меди и никеля в монокристаллическом германии, идущем на производство приборов, должно быть не более 1*10в-7%, т. е. не должно превышать 1 мг на тонну.
В результате повышенных требований в послевоенные годы возникла новая по степени чистоты группа металлов — металлы особо высокой чистоты, называемые чаще ультрачистыми или сверхчистыми.
В настоящее время чистые металлы разделяются на три группы: технически чистые, химически (и спектрально) чистые и особо чистые, в технически чистых металлах содержание основного вещества обычно не превышает 99,9%: в химически и спектрально чистых оно, как правило, не ниже 99,99% и в особо чистых — не ниже 99,999%.
Классификация эта не свободна от элементов условности. Во-первых, содержание основного вещества для большей части металлов определяют вычитанием суммы определяемых примесей из 100%. Следовательно, эта величина тем ближе к действительной, чем выше достигнутая чувствительность и точность методов анализа примесей и чем большее количество их определено в чистом металле. Поскольку обычно определяют не все возможные примеси, а только наиболее вредные, то вычисленное таким образом содержание основного металла всегда несколько выше действительного. Во-вторых, в эту упрощенную техническую классификацию часто не укладываются металлы, чистые и даже сверхчистые по отдельной примеси или по группе примесей. Так, например, металлическая сурьма марки Су0, содержащая менее 1*10в-4% золота и благородных металлов, является высоко чистой по этим примесям, но по сумме других примесей не подходит даже под раздел технически чистого металла. Металлический уран, сверхчистый по примесям редких земель, бора, лития и кадмия, по сумме примесей, не вредных для атомной энергетики, иногда едва подходит под категорию технически чистого металла. Очевидно, что в таких случаях можно говорить о металле сверхвысокой чистоты только по группе определенных примесей, а не по содержанию основного вещества.
В то же время в металлах, применяемых в полупроводниковой технике, часто ограничивают не только содержание вредных примесей, но и общее содержание всех примесей; в этих случаях содержание основного металла составляет иногда по терминологии металлургов шесть, семь и даже восемь девяток и такие металлы могут быть отнесены к группе особо чистых.
Уместно отметить, что самые чистые металлы довоенного времени только в виде редкого исключения достигали содержания основного вещества пять девяток (99,999%), содержание основного вещества в большинстве химически чистых металлов не превышало трех девяток (99,9%). Разработка технологических методов получения некоторых металлов чистотой шесть и больше девяток является большим успехом металлургии послевоенных лет.
В связи со сравнительной новизной и быстрым развитием производства металлов высокой и особо высокой чистоты в технической литературе нет еще единого общепринятого способа обозначения степени чистоты металлов. Металлурги и химики обычно дают содержание примеси в весовых процентах. Нередко выражают содержание примесей в граммах на тонну или в частях примеси на миллион частей металла высокой чистоты. Несколько реже применяют атомные проценты.
Наряду с этим физики обозначают чистоту полупроводниковых материалов (например, ультрачистого германия) количеством атомов примесей, содержащихся в одном кубическом сантиметре вещества. Последняя размерность удобна для физиков и радиотехников, поскольку содержание примесей в полупроводниковых металлах очень мало и контролируется главным образом измерением плотности носителей тока. Хотя источниками носителей тока в области рабочих температур могут быть не только примеси, но также собственные электроны полупроводника и дефекты решетки, можно с некоторыми приближениями считать, что для материалов с проводимостью, значительно отличающейся от собственной, плотность носителей тока определяется количеством ионизованных атомов примеси, растворенных в полупроводниковом материале. Если один атом примеси дает в зону проводимости один электрон или одну дырку, что имеет место, например, для элементов V и III групп периодической системы, растворенных в германии (или кремнии), то плотность носителей тока будет соответствовать числу атомов этого элемента в 1 см3 германия. Ультрачистый германий, содержащий один атом примеси на сто миллионов атомов германия, т. е. 0,01 г/г, или 1*10в-6%, с точки зрения физиков является еще довольно грязным металлом, содержащим в 1 см3 4,46*10в14 атомов примеси, являющихся носителями тока и значительно снижающих его сопротивление.
Любые современные строения, инсталляции, малые архитектурные формы в большинстве основаны на металлоконструкциях. Это не всегда относится к беседкам, МАФам и другим.
Благодаря инновационным технологиям появилась возможность резать и обрабатывать металл с высокой точностью и намного проще, быстрее.
Металлические изделия и крепеж должны отличаться высокой прочностью, устойчивостью. Ведь многие из них постоянно контактируют с последствиями проливных дождей, перепадов.
Контейнерные перевозки считаются одним из недорогих видов транспортирования. Но сегодня контейнера используются не только для транспортировки грузов.
На рынке металла никогда не было отмечено падение спроса. Металлопрокат, имея огромный ассортимент, всегда остается востребованным материалом. Там где спрос, там.
Часто люди, которые только начинают свой бизнес, связанный с приемкой металла, могут отмечать, что цены на металлолом не стабильны. Это действительно так, и странного в.
Современная металлургическая промышленность производит огромное количество проката. Наиболее востребованный - лист нержавеющий купить, который выгоднее всего на сайте.
Зависимость от альтернативной энергетики ощущается человеком сильней с каждым днем. Для начала скажем об энергетике в общем. Она охватывает выработку, передачу, сбыт.
Описанные методы получения чистых металлов не обеспечивают той высокой степени чистоты, которая требуется для их применения в ряде новых отраслей науки и техники. Поэтому в последние годы особенно большое внимание уделяется методам рафинирования металлов.
Современные методы рафинирования металлов можно подразделить на три основные группы: а) химико-металлургические, включая карбонильные и йодидные, б) электролитические и в) физические и кристаллофизические.
Химико-металлургические методы рафинирования весьма разнообразны. К ним можно отнести все способы очистки металлов, использующие химическое взаимодействие примесей или очищаемого металла с каким-либо введенным реагентом. В одних процессах удаление примесей происходит в виде малорастворимых соединений — окислов, интерметаллидов, сульфидов, хлоридов и т. д. или в виде соединений, обладающих высокой упругостью пара. В других процессах вводимый реагент, не взаимодействуя с примесями, образует летучее соединение с очищаемым металлом, а полученное чистое соединение подвергается термической диссоциации.
В качестве примера процессов первого типа можно указать на метод окислительного рафинирования, при котором примеси металла окисляются в расплавленной ванне и удаляются в виде шлака. Этот метод применим главным образом для удаления сравнительно больших количеств примесей. Для удаления примесей, содержащихся в очень малых количествах, необходимо поддерживать высокую концентрацию кислорода в металле. Этим способом могут быть получены весьма чистые благородные металлы.
Химико-металлургическими методами производят рафинирование технического висмута, включающее это практикуется во многих случаях) несколько технологических операций: а) удаление примеси меди и железа в форме Сu2S и FеS обработкой расплавленного металла серой или сернистым натрием; б) окисление примесей — мышьяка, сурьмы, селена и теллура — продувкой воздуха через расплавленный металл и удаление их в щелочной шлак; в) удаление примесей серебра и золота цинкованием; г) очистка металла от свинца и цинка хлорированием газообразным хлором. Металлический висмут, подвергнутый такому рафинированию, содержит примесей в сумме менее 0,001 %.
Поскольку карбонил-процессу в настоящем томе посвящена специальная глава, ограничимся кратким описанием йодидного метода, предложенного Ван-Аркелем и нашедшего за последние годы большое применение в промышленности редких металлов. Этот метод применяют для получения тория, титана, циркония, гафния и полупроводникового кремния.
Йодидное рафинирование заключается в обработке очищаемого обычно технически чистого металла парами йода в вакууме. Образующийся летучий йодид металла разлагается при соприкосновении с накаленной проволокой, на которой осаждается чистый плотный металл. Таким образом, процесс основан на обратимой реакции
При образовании летучих йодидов очищаемых металлов большинство примесей технического металла не улетучиваются: например, в губчатом титане остается примесь окислов и нитридов, не взаимодействующих с парами йода в определенных температурных условиях. На рис. 1 представлена схема устройства вакуумного аппарата для очистки йодидным способом титана и циркония.
Понятие о металлургии: общие способы получения металлов
Металлургия — это наука о промышленных способах получения металлов. Различают черную и цветную металлургию.
Черная металлургия — это производство железа и его сплавов (сталь, чугун и др.).
Цветная металлургия — производство остальных металлов и их сплавов.
Широкое применение находят сплавы металлов. Наиболее распространенные сплавы железа — чугун и сталь.
Чугун — это сплав железа, в котором содержится 2-4 масс. % углерода, а также кремний, марганец и небольшие количества серы и фосфора.
Сталь — это сплав железа, в котором содержится 0,3-2 масс. % углерода и небольшие примеси других элементов.
Легированные стали — это сплавы железа с хромом, никелем, марганцем, кобальтом, ванадием, титаном и другими металлами. Добавление металлов придает стали дополнительные свойства. Так, добавление хрома придает сплаву прочность, а добавление никеля придает стали пластичность.
Основные стадии металлургических процессов:
- Обогащение природной руды (очистка, удаление примесей)
- Получение металла или его сплава.
- Механическая обработка металла
1. Нахождение металлов в природе
Большинство металлов встречаются в природе в виде соединений. Наиболее распространенный металл в земной коре — алюминий. Затем железо, кальций, натрий и другие металлы.
2. Получение активных металлов
Активные металлы (щелочные и щелочноземельные) классическими «химическими» методами получить из соединений нельзя. Такие металлы в виде ионов — очень слабые окислители, а в простом виде — очень сильные восстановители, поэтому их очень сложно восстановить из катионов в простые вещества. Чем активнее металл, тем сложнее его получить в чистом виде — ведь он стремится прореагировать с другими веществами.
Получить такие металлы можно, как правило, электролизом расплавов солей, либо вытеснением из солей другими металлами в жестких условиях.
Натрий в промышленности получают электролизом расплава хлорида натрия с добавками хлорида кальция:
2NaCl = 2Na + Cl2
Калий получают пропусканием паров натрия через расплав хлорида калия при 800°С:
KCl + Na = K↑ + NaCl
Литий можно получить электролизом расплава хлорида лития в смеси с KCl или BaCl2 (эти соли служат для понижения температуры плавления смеси):
2LiCl = 2Li + Cl2
Цезий можно получить нагреванием смеси хлорида цезия и специально подготовленного кальция:
Са + 2CsCl = 2Cs + CaCl2
Магний получают электролизом расплавленного карналлита или хлорида магния с добавками хлорида натрия при 720–750°С:
Кальций получают электролизом расплавленного хлорида кальция с добавками фторида кальция:
Барий получают из оксида восстановлением алюминием в вакууме при 1200 °C:
4BaO+ 2Al = 3Ba + Ba(AlO2)2
Алюминий получают электролизом раствора оксида алюминия Al2O3 в криолите Na3AlF6:
3. Получение малоактивных и неактивных металлов
Металлы малоактивные и неактивные восстанавливают из оксидов углем, оксидом углерода (II) СО или более активным металлом. Сульфиды металлов сначала обжигают.
3.1. Обжиг сульфидов
При обжиге сульфидов металлов образуются оксиды:
2ZnS + 3O2 → 2ZnO + 2SO2
Металлы получают дальнейшим восстановлением оксидов.
3.2. Восстановление металлов углем
Чистые металлы можно получить восстановлением из оксидов углем. При этом до металлов восстанавливаются только оксиды металлов, расположенных в ряду электрохимической активности после алюминия.
Например , железо получают восстановлением из оксида углем:
2Fe2O3 + 6C → 2Fe + 6CO
ZnO + C → Zn + CO
Оксиды металлов, расположенных в ряду электрохимической активности до алюминия, реагируют с углем с образованием карбидов металлов:
CaO + 3C → CaC2 + CO
3.3. Восстановление металлов угарным газом
Оксид углерода (II) реагирует с оксидами металлов, расположенных в ряду электрохимической активности после алюминия.
Например , железо можно получить восстановлением из оксида с помощью угарного газа:
3.4. Восстановление металлов более активными металлами
Более активные металлы вытесняют из оксидов менее активные. Активность металлов можно примерно оценить по электрохимическому ряду металлов:
Восстановление металлов из оксидов другими металлами — распространенный способ получения металлов. Часто для восстановления металлов применяют алюминий и магний. А вот щелочные металлы для этого не очень подходят – они слишком химически активны, что создает сложности при работе с ними.
Алюмотермия – это восстановление металлов из оксидов алюминием.
Например : алюминий восстанавливает оксид меди (II) из оксида:
3CuO + 2Al = Al2O3 + 3Cu
Магниетермия – это восстановление металлов из оксидов магнием.
CuO + Mg = Cu + MgO
Железо можно вытеснить из оксида с помощью алюминия:
При алюмотермии образуется очень чистый, свободный от примесей углерода металл.
Активные металлы вытесняют менее активные из растворов их солей.
Например , при добавлении меди (Cu) в раствор соли менее активного металла – серебра (AgNO3) произойдет химическая реакция:
2AgNO3 + Cu = Cu(NO3)2 + 2Ag
Медь покроется белыми кристаллами серебра.
При добавлении железа (Fe) в раствор соли меди (CuSO4) на железном гвозде появился розовый налет металлической меди:
CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu
При добавлении цинка в раствор нитрата свинца (II) на цинке образуется слой металлического свинца:
3.5. Восстановление металлов из оксидов водородом
Водород восстанавливает из оксидов только металлы, расположенные в ряду активности правее алюминия. Как правило, взаимодействие оксидов металлов с водородом протекает в жестких условиях – под давлением или при нагревании.
CuO + H2 = Cu + H2O
4. Производство чугуна
Чугун получают из железной руды в доменных печах.
Печь последовательно загружают сверху шихтой, флюсами, коксом, затем снова рудой, коксом и т.д.
1- загрузочное устройство, 2 — колошник, 3 — шахта, 4 — распар, 5 — горн, 6 — регенератор
Доменная печь имеет форму двух усеченных конусов, соединенных основаниями. Верхняя часть доменной печи — колошник, средняя — шахта, а нижняя часть — распар.
В нижней части печи находится горн. Внизу горна скапливается чугун и шлак и отверстия, через которые чугун и шлак покидают горн: чугун через нижнее, а шлак через верхнее.
Наверху печи расположено автоматическое загрузочное устройство. Оно состоит из двух воронок, соединенных друг с другом. Руда и кокс сначала поступают в верхнюю воронку, а затем в нижнюю.
Из нижней воронки руда и кокс поступают в печь. во время загрузки руды и кокса печь остается закрытой, поэтому газы не попадают в атмосферу, а попадают в регенераторы. В регенераторах печной газ сгорает.
Шихта — это железная руда, смешанная с флюсами.
Снизу в печь вдувают нагретый воздух, обогащенный кислородом, кокс сгорает:
Образующийся углекислый газ поднимается вверх и окисляет кокс до оксида углерода (II):
CO2 + С = 2CO
Оксид углерода (II) (угарный газ) — это основной восстановитель железа из оксидов в данных процессах. Последовательность восстановления железа из оксида железа (III):
Последовательность восстановления оксида железа (III):
FeO + CO → Fe + CO2
Суммарное уравнение протекающих процессов:
При этом протекает также частичное восстановление примесей оксидов других элементов (кремния, марганца и др.). Эти вещества растворяются в жидком железе.
Чтобы удалить из железной руды тугоплавкие примеси (оксид кремния (IV) и др.). Для их удаления используют флюсы и плавни (как правило, известняк CaCO3 или доломит CaCO3·MgCO3). Флюсы разлагаются при нагревании:
и образуют с тугоплавкими примесями легкоплавкие вещества (шлаки), которые легко можно удалить из реакционной смеси:
Читайте также: