Восстановительная плавка – процесс получение металлов за счет восстановления его оксидов углеродистыми восстановителями или водородом и перевода пустой породы в шлак

Восстановительная плавка – процесс получение металлов за счет восстановления его оксидов углеродистыми восстановителями или водородом и перевода пустой породы в шлак. Этим способом получают многие металлы – свинец, олово и. т. д. Реакцию восстановления оксидов металла углеродом, например, оксида свинца, можно записать следующим уравнением:

PbО + С = Рb + СО.

Подобные реакции идут вправо – в сторону восстановления металла, если прочность химической связи кислорода с углеродом в оксиде углерода больше прочности связи кислорода с металлом. Прочность химических связей называют сродством и характеризуют в химической термодинамике величиной изобарно–изотермического потенциала, обозначаемого символом ∆Z. Изобарный потенциал измеряют в джоулях. Физический смысл его – максимальная работа, которую может совершить реакция. Эту работу условно считают отрицательной, поэтому отрицательная величина ∆Z указывает на работоспособность реакции – возможность самопроизвольного ее протекания.

Сродство какого-либо элемента к кислороду или сере (изобарный потенциал образования оксида или сульфида) зависит от температуры. Эта зависимость выражается уравнением вида:

Z = A + BТ lgT+CT+…,

где   А, В, С – коэффициенты, определяемые из опыта; Т – абсолютная температура, °К.

Зависимость сродства от температуры по этим уравнениям можно представить графически, как это сделано на (рис. 4), где величина ∆Zдана на один моль кислорода, участвующего в реакции образования оксида. Воспользовавшись графиком, вычислим изобарный потенциал реакции восстановления оксида свинца углеродом при 800° С.

Восстановление PbО можно представить разностью двух реакций – II и I:

I. 2С + О2 = 2СО  • • • ∆ZCO

II. 2Рb + О2 = 2РbО • • • ∆ZРbО

bО  + 2C = 2Pb + 2CO

Z = ∆ZСО – ∆ZРbО.

Если разность получилась отрицательной, следовательно, реакция пойдет вправо, свинец будет восстанавливаться.

Восстановление твердых оксидов твердым углеродом происходит медленно из-за малой поверхности контакта реагирующих веществ. Даже при тонком измельчении частицы оксидов и углерода соприкасаются неплотно. К тому же продукт реакции – металл, получающийся в местах соприкосновения, прекращает реакцию в данной точке.

Схема восстановления окислов углеродом: авосстановление твердого окисла: 1 частицы оксида; 2 частицы углерода; 3 металл образовавшийся при восстановления; б восстановление оксида в расплаве: 1 газовые пленки из СО и СО2 вокруг углерода; 2 частицы углерода; 3 – расплав оксидов.

Твердый углерод может быть энергичным восстановителем только в том случае, если зерна его омываются жидким или парообразным оксидом. Если же оксиды находятся в твердом состоянии, они быстро восстанавливаются газообразным оксидом углерода:

МеО + СО = Me+ СО2.

Оксид углерода получается по реакции

С + СО2 = 2СО.

В расплавах, плохо смачивающих углерод, а такие встречаются часто, частицы углерода окружены газовой пленкой, состоящей из СО и СО2. Восстановление здесь происходит также в результате взаимодействия между С и СО2.

Водород для восстановления оксидов применяют реже, он дороже и взрывоопасен. Водород бывает, необходим в тех случаях, когда углерод может образовать с металлами нежелательные карбиды, например при восстановлении вольфрама и молибдена из оксидов по реакциям:

 

WO3 + 3С = W + 3СО,

МоО3 + 3С = Мо + 3СО.

 

Одновременно с восстановлением образуются карбиды WC и Мо2С.

Многие металлы представлены в природе сульфидами. Для оценки возможности восстановления сульфидов углеродом по реакции:

 

2MeS+ С = 2Ме + CS2

Рассматривают стандартные изобарные потенциалы образования сульфидов, характеризующий сродство элементов к сере.

В большинстве случаев углерод не пригоден для непосредственного восстановления металлов из сульфидов. Также мало пригоден для этого и водород: линия H2S расположена высоко, что указывает на невозможность реакции типа:

MeS+ Н2 = Me+ H2S.

В металлургической практике природные сульфиды металлов сначала переводят в оксиды, которые затем восстанавливают углеродом. Например, сульфид свинца – галенит окисляют кислородом воздуха при температуре около 1000 °С:

2PbS + 3О2 = 2РbО + 2SO2.

Образовавшийся при этом оксид свинца восстанавливают углеродом.

По подобным реакциям получают из сульфида цинк. на рис. 4 линия ZnO имеет излом, соответствующий точке кипения металла при 907 °С. Восстанавливаясь при температуре около 1200 °С, цинк получается в виде паров, которые отводят из печи, охлаждают и таким образом конденсируют в виде жидкого или твердого металла (в зависимости от температуры в конденсаторе).

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector