Получение чистых металлов, применяемых в качестве теплоносителей, в том числе и щелочных, составляет комплекс технологических этапов их производства.
Получение чистых металлов при термической диссоциации летучих соединений основано на способности некоторых соединений металлов разлагаться при высокой температуре. Так, некоторые металлы ( например, титан, цирконий) образуют с иодом при сравнительно низкой температуре летучие соединения - иодиды, которые легко отделяются от примесей.
Получение чистых металлов из руд очень затруднено вследствие высокой температуры плавления этих металлов и чрезвычайной химической активности при высоких температурах. В этих условиях металлы подгруппы титана легко соединяются с кислородом, галогенами, серой, углеродом, азотом, образуют сплавы почти со всеми металлами.
Получение чистых металлов затрудняется и тем, что хром, молибден и вольфрам, будучи тугоплавкими, при высоких температурах обладают высокой химической активностью и в связи с этим получать эти металлы обычными металлургическими способами невозможно.
Однако получение чистых металлов в промышленных объемах пока нерационально. В то же время при некоторой плотности дислокации металл получает повышение прочности.
Для получения чистых металлов предпочтительны плотные крупнокристаллические осадки, так как в этих осадках удельная поверхность граней, меньше, чем в мелкокристаллических, а следовательно, будет меньше и количество пор и капиллярных зазоров, благоприятствующих включению примесей по сравнению с мелкокристаллическим осадком.
Для получения чистого металла после процесса аффинажа проводят электролитическое или пирометаллургическое рафинирование, например перегонку в вакууме или атмосфере инертных газов.
Рафинирование.
Рафинирование - это совокупность технологических операций, приводящая к удалению излишних или вредных примесей из металлов и сплавов.
Цель рафинирования - получение чистых металлов и сплавов.
Потребность в чистых металлах и сплавах возникла лишь в середине 20-го века, с развитием новых направлений в технике:
-
атомной
энергетики (ядерной энергетики) и
необходимости получения чистых топливных
(
)
и конструкционных (
Zr,
Be,
Li)
материалов, не содержащих вредных
примесей с большой способностью к
поглощению тепловых нейтронов;
- радиоэлектроники и вычислительной техники, в материалах которых(Ge, Si и т. д.) нежелательны примеси, изменяющие тип проводимости полупроводника;
- реактивной авиации и космической техники, для нужд которых требуются жаропрочные и жаростойкие материалы, получаемые на основе чистых тугоплавких металлов(W, Ti, Mo, Nb, Ta);
- порошковой металлургии, требующей порошки из чистых металлов и сплавов;
- получения композиционных материалов на металлической основе;
- производства прецизионных сплавов и массивных монокристаллических отливок.
Окислительное рафинирование.
Окислительное рафинирование - самый распространенный способ очистки металлов от примесей. Он применяется при получении Fe (стали), Ni, Cu, Pb, Sn и т. д. Основная идея метода - окисление вредных и излишних примесей и перевод их в виде оксидов в оксидную или газовую фазу не растворяющуюся в металле. При производстве стали оксидной фазой является шлак, при рафинировании меди - штейн (сульфидный расплав). Окислителями при реализации процесса окислительного рафинирования являются: чаще всего газообразный кислород, реже диоксид углерода, пары воды, используются также конденсированные окислители. При этом примеси в виде галогенидов или сульфидов отделяются и образуют самостоятельную фазу, например штейн.
Ликвационное рафинирование.
Ликвация - нарушение однородности расплава, протекающее в жидком или затвердевающем металле.
Гетерогенизация расплава обусловлена различием в характере и величине сил взаимодействия между частицами расплава. При этом происходит обеднение компонентами одних участков объема расплава и обогащение других. Причем чем больше интервал кристаллизации (TL-TS), тем больше степень ликвации компонентов расплава.
Различие в характере и величине сил межчастичного взаимодействия может приводить к отделению друг от друга больших объемов расплава. В этом случае происходит разделение по плотности фаз.
В процессе кристаллизации слитка или непрерывно литой заготовки ликвация носит дендритный и зональный характер и является явлением нежелательным.
Дендритная ликвация проявляется в микрообъемах сплава, сравнимых с размерами зерен и устраняется высокотемпературным гомогенизирующим отжигом.
Зональная ликвация проявляется во всем объеме слитка или заготовки и уменьшается при увеличении скорости охлаждения расплава вследствие уменьшения сечения слитка, использования водоохлаждаемых кристаллизаторов (МНЛЗ) и пр.
Косвенно явление ликвации проявляется при реализации процессов окислительного рафинирования, раскисления и пр.