2(2). Электролиз расплавленных солей

Этот способ применяют при производстве щелочноземельных металлов, в частности, магния и алюминия. Указанные металлы образуют высокопрочные трудновосстановимые окислы (MgO, Al₂O₃). Эти окислы невозможно восстановить углеродом, а водородом их восстанавливать экономически невыгодно.

Практически расплавы солей подвергают электролизу.

При производстве магния процесс идет по реакции: MgCO₃ + Cl₂ + C  MgCl₂ + CO

Магний получают из морской воды путем испарения влаги. Далее карбонат магния смешиваются с коксом и указанную смесь хлорируют при определенной температуре. В результате этого получается жидкий хлорид магния, который заливают в электролизер.

Электролизер представляет собой ванну с крышкой; в ванне установлены электроды: катод и анод. На электроды подается напряжение, включается ток и в соляной жидкой ванне происходит процесс электролиза.

Магний получают при t = 651С. После заполнения ванны электролизера магнием, в электролизер опускается вакуумный ковш с трубой, через которую жидкий металл вытягивается из электролизера в ковш из-за разницы давлений в ковше (-) и электролизере (+ нормальное давление). Затем из ковша жидкий металл разливают в формы (чушки).

Электролиз солей используется для получения алюминия.

Т.к. глинозем имеет температуру плавления свыше 2500С, его смешивают с легкоплавким плавнем криолитом (Na₃AlF₆). При температуре около 1000С глинозем растворяется в криолите полностью. При этом происходит диссоциация: Al₂O₃  2Al³⁺ + 3O^2-

В промышленных условиях в электролизере формируют криолитовый расплав с глиноземом. В ванне электролизера происходит электролиз глинозема в солевом расплаве криолита. На катоде образуется алюминий, а на аноде нейтрализуются ионы кислорода.

Al² + 3e ^-  Al

2O^2- - 2e ^-  O₂

Жидкий алюминий удаляется из электролизера при помощи вакуумного ковша. В этом случае криолит служит растворителем и практически мало расходуется.

Вместе с тем, из-за наличия паров воды в воздухе на аноде образуется HF – фтористый водород.

2(1). Промышленная классификация металлов в элементарном состоянии. Основные виды металлических сплавов.

Е сть несколько видов классификаций металлов. В основу классификационных признаков положены свойства металлов, их распределение в природе, назначение, применение и так далее.

1. на основе признаков:

Черные металлы (на основе железа: сталь, чугун)

Цветные металлы: легкие (алюминий, магний) и тяжелые (медь, свинец, никель).

Металлы делят на тугоплавкие; редкие; рассеянные; благородные; драгоценные и т.д.

2. по плотности, которая находится в периодической зависимости от номера элемента:

Легкие металлы (плотность менее 5 г/см³): алюминий, скандий, титан. Минимальную плотность имеет литий (0,53 г/см³)

Тяжелые металлы. Максимальную плотность имеет осмий (22,6 г/см³).

3. по температуре плавления:

Легкоплавкие металлы. Минимальная температура плавления у ртути (-33,6)

Тугоплавкие металлы (температура плавления выше 1500 градусов). Максимальная температура плавления у вольфрама (3380).

4. также металлы делятся в зависимости от своей структуры. Например, железо имеет такую классификацию:

1. феррит (α-Fe) имеет объемно-центрированную кубическую решетку. В центре куба расположен атом углерода.

При комнатной температуре сплавы с содержанием углерода до 2,14% имеют структуру ферритов (решетка ОЦК). При температуре больше 768 градусов происходит превращение феррита в аустенит. В зависимости от содержания углерода в железе изменяется количество аустенита в сплаве.

2. аустенит (γ-Fe) имеет гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК), которая характеризуются тем, что атомы углерода располагаются в центре каждой грани куба, а в междоузлиях находятся атомы железа. Структура аустенита является характерной для нержавеющей стали (с высокими коррозионными свойствами). Добавлении в сталь аустенитообразующих элементов (никель, азот) в присутствии добавок хрома позволяет получать при комнатных и более низких температурах аустенитные структуры.

Металлические сплавы – вещества, обладающие металлическими свойствами и состоящие из двух и более элементов, из которых хотя бы один является металлом. Различают однофазные сплавы (твердые растворы), механические смеси и химические соединения (интерметаллиды). Твердые растворы – это фазы переменного состава, в которых различные атомы образуют общую кристаллическую решетку. Интерметаллиды образуются при сильном взаимодействии между металлами.

Сплавы можно разделить на группы, используя в качестве признака технологию производства: пирометаллургия; гидрометаллургия; реакторные технологии.

Пирометаллургические технологии (высокотемпературные) реализуются в печах, реакторах, теплогенераторах и связаны с протеканием окислительно-восстановительных процессов, как правило, выше температур горения топлива.

Гидрометаллургические процессы включают в себя растворение рудного материала в воде, кислотах, щелочах и др. растворителях (водная металлургия).

В результате процесса выщелачивания, т.е. растворения, образуется раствор (щелок), содержащий полезные компоненты и осадок, в котором содержатся вредные и нерастворившиеся компоненты. Затем щелоки перерабатывают методом электролиза или цементации, а нерастворившиеся осадки вновь подвергают обработке другим раствором для извлечения полезных компонентов. Реакторные технологии реализуются при получении урановых и трансурановых элементов, а также изотопов в ядерных реакторах.

1(2). Способы восстановления металлов. Восстановление твердым углеродом, двуокисью углерода и водородом.

Восстановление жел. руд до металла является основным звеном современной технологии металлургического производства. В подавляющем большинстве случаев восстановление ведется в доменных печах.

Самым дешевым восстановителем является углерод. Углеродосодержащее топливо используется для большинства пирометаллургических процессов из-за его низкой цены.

Во всех руднотермических процессах создают условия оптимального соотношения объема восстановительных газов и количества твердого восстановителя при определенной высокой температуре процесса, что обеспечивает наилучшие условия восстановления металлов из окислов в печи.

Процесс восстановления осуществляют таким образом, чтобы восстановительный потенциал газовой фазы обеспечивал следующие условия: Н  0 – изменение энтальпии; G  0 – изменение свободной энергии реакции; H = -Q

Окислы железа восстанавливаются твердым углеродом стадийно: Fe₂O₃  Fe₃O₄  FeO  Fe

Fe₂O₃ + CO  Fe₃O₄ + CO₂

Fe₃O₄ + CO  FeO + CO₂

Процесс восстановления окислов железа до металлического железа протекает при строго определенном соотношении СО и СО₂ в газовой фазе.

Поэтому в промышленных условиях процессы восстановления окислов твердым углеродом проводят таким образом, чтобы обеспечивать строго определенную температуру, при которой соотношение Р_СО/Р_СО2 позволит получать из FeO чистое железо.

При карбовосстановительном процессе сам процесс ведут таким образом, чтобы часть углерода, сгорая, поддерживала заданную температуру процесса, а другая часть расходовалась на создание восстановительной атмосферы, которая позволила бы осуществить процесс поэтапного восстановления окислов до чистого металла. В реальных условиях возможно прямое восстановление окислов железа твердым углеродом. Этот процесс протекает непосредственно в месте контакта твердого углерода с окислом железа по реакции: Fe₃O₄ + C  Fe + CO₂

FeO + C  Fe + CO₂

Сложность процесса углетермического восстановления указывает на необходимость создания и обеспечения протекания реакции прямого (с твердым углеродом) и косвенного (за счет СО) восстановления.

Для многих других металлов углетермическое восстановление протекает по более простому механизму. Например, процесс восстановления вольфрама твердым углеродом можно записать в виде: WO₃ + C  W + CO₂ или WO₃ + C  W + CO. По этим реакциям получают в основном металлические порошки.

Многие металлы представлены в природе сульфидами, которые также могут восстанавливаться твердым углеродом.

Кроме СО в качестве восстановителя используется газообразный водород:

MeO + H₂ = Me + H₂O

При восстановлении водородом окислы металлов восстанавливаются от высшего окисла к низшему вплоть до чистого металла.

Процесс восстановления окислов протекает при определенной температуре и соотношении давления паров воды к давлению водорода в системе (Р_Н2О/Р_Н2).

В реальных условиях процессы восстановления окислов являются сложными и многофакторными, так как при сжигании углеродсодержащих материалов и углеводородных топлив все реакции восстановления протекают при наличии паров воды в системе.

Поэтому в руднотермических процессах контролируют состав газовой фазы на содержание СО, Н₂, СО₂, Н₂О.

Сульфидные руды можно восстановить водородом по реакции: MeS + H₂ = Me +H₂S.