2. Одержання металів, їх сплавів і деяких неметалів

Відновлення оксидів. Металотермічний метод, відкритий у 1856 р. М.М. Бекетовим, знайшов застосування як в промисловості, так і для лабораторного одержання металів, сплавів і деяких неметалів. Можливість металотермічного одержання металів і сплавів визначається як фізико-хімічними властивостями вихідних і кінцевих речовин, так і тепловими умовами проведення реакцій.

Кількості теплоти, яка виділяється під час проведення реакції, повинно вистачити як на нагрівання речовин вище температури плавлення самого тугоплавкого з одержуваних компонентів, так і на теплові втрати за час від початку реакції до закінчення розшарування продуктів реакції на шлак і метал. При відновленні більшості оксидів Fe₂O₃, Fe₃O₄, Co₃O₄, CoO, NiO, МnО₂, Мn₂О₃, Мn₃О₄, СrО₃, МоО₃, МоО₂, V₂O₅, SnO₂, CuO, Cu₂O алюмінієм теплоти, що виділяється, цілком достатньо як на нагрівання продуктів реакції, так і на теплові втрати. Тому ці оксиди легко відновлюються алюмінієм. Майже у всіх випадках утворюється метал, який осідає на дно тигля.

При відновленні оксидів МnО₂ і Мn₂О₃ вони розкладаються в зоні реакції з виділенням кисню і утворенням оксиду марганцю Мn₃О₄. Кисень, що виділяється, розкидає реакційну масу і перемішує продукти реакції, що заважає осадженню одержуваного металу на дно тигля. Тому ці оксиди не можна застосовувати для одержання марганцю або його сплавів. Часткове розкладання і випаровування спостерігається при алюмотермічному відновленні оксиду хрому (VI) і оксиду молібдену (VI). Ці оксиди також не можна безпосередньо використовувати для алюмотермічного одержання металів. Але ці оксиди можна використовувати як добавки до різних оксидів з метою одержання сплавів.

Оксиди можна використовувати для одержання двох-, трьохкомпонентних сплавів. При відновленні деяких оксидів (Сr₂О₃, Nb₂O₃, Ta₂O₃, SiO₂, TiO₂, ZrO₂, B₂O₃) алюмінієм теплоти, що виділяється, недостатньо для нагрівання продуктів реакції, вище за їх температури плавлення. Але якщо до них додати необхідну кількість оксидів які легко відновлюються, то реакція пройде і сплав осяде на дно тигля.

Визначимо мінімальну кількість оксиду, що легко відновлюється, яку слід додати до оксиду, що важко відновлюється, щоб утворився двокомпонентний сплав. У результаті відновлення оксиду алюмінієм або іншим металом виділяється певна кількість теплоти, яка повинна нагрівати продукти реакції до певної температури:

де q – питома теплота реакції, тобто кількість теплоти, що виділяється на 1 г реакційної маси; Ср – середня питома теплоємність продуктів реакції.

Насправді, від початку реакції до закінчення розшарування продуктів на шлак і метал частина теплоти втрачається. Тому реальна температура нагрівання продуктів реакції складе:

де q₁ – кількість теплоти, що втрачається реакційною масою.

Якщо прийняти, що теплоємність продуктів реакції і теплові втрати є постійною величиною, то

оскільки теплові втрати в конкретних випадках також представляють величину постійну.

Для визначення мінімальної кількості оксиду, що легко відновлюється, яку слід додати до оксиду, що важко відновлюється, складемо рівняння:

Це рівняння визначає питомий тепловий ефект відновлення суміші двох оксидів, в якому, % ок. – відсоток оксиду, що легко відновлюється, q₁ – його питомий тепловий ефект відновлення, q₂ – питомий тепловий ефект відновлення оксиду, що важко відновлюється.

Після сумісного зведення двох останніх рівнянь і перетворень отримаємо:

Приймемо значення t рівним температурі плавлення найтугоплавкішого з одержуваних компонентів. Як правило, ним є шлак – оксид алюмінію, який плавиться при 2050°С. Значення питомих теплових ефектів реакцій відновлення відповідних оксидів алюмінієм наведені в таблиці 1.

Таблиця 1