Рафинирование металлов-восстановителей

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 11Следующая ⇒

Содержание примесей в металлах, получаемых методами металлотермии, определяется их содержанием в исходных материалах, в том числе, в восстановителях. В связи с этим требования, предъявляемые к чистоте металла-восстановителя, должны соотноситься с количеством примесей в восстанавливаемом соединении, а также с ограничениями содержания примесей в получаемом металле. Например, в соответствии с нормативами, разработанными на алюминиевый порошок, используемый при восстановлении металлов из рудных концентратов, в зависимости от марки алюминиевого порошка содержание основного компонента в нём может изменяться от 83 до 96,9 %, а суммарное содержание примесей составлять от 3 до 14%.

Значительно более высокие требования к металлам-восстановителям по содержанию примесей предъявляют при получении продуктов из индивидуальных соединений, что делает необходимым их рафинирование. Рассмотрим основные технологические приёмы, применяемые для рафинирования металлов-восстановителей.

Распространённым способом очистки кальция, магния и натрия является вакуумная дистилляция. Этот метод основан на различии давления паров рафинируемого металла и примесей. Он пригоден как для отгонки из металла более летучих примесей, так и для возгонки самого металла. В последнем случае в остатке будут концентрироваться менее летучие примеси.

В результате вакуумной дистилляции получают кальций с содержанием не менее 99,5 % Са, магний с содержанием 99,99 % Mg. Чистота металлов может быть повышена, если их подвергнуть повторной дистилляции

Для получения особо чистого алюминия применяют дистилляцию через субфторид алюминия. Метод основан на протекании обратимой реакции:

АlF₃ + 2Аl 3AlF.

Образующийся по реакции газообразный субфторид алюминия переносится в конденсатор, где распадается с образованием чистого алюминия. В оптимальных условиях этим способом может быть получен металл с содержанием 99,999–99,9999 % Al.

К другой группе процессов относится электролитическое рафинирование алюминия и магния. Сущность этого метода заключается в анодном растворении алюминия или магния из сплавов, содержащих исходные металлы, и выделении чистых металлов на катоде. При этом более электроположительные элементы накапливаются в анодном сплаве, не растворяясь в электролите, а менее электроположительные переходят в электролит, не разряжаясь на катоде.

В результате электролитического рафинирования могут быть получены алюминий с содержанием 99,995–99,999 % Al и магний, по чистоте не уступающий дистиллированному металлу.

Для рафинирования магния широко применяют его переплав с флюсами, содержащими хлорид магния. В состав флюсов входят также хлориды и фториды щелочных и щёлочноземельных металлов. Хлорид магния взаимодействует с такими примесями, как натрий и калий, переводя их в солевой расплав, который наряду с этим адсорбирует из металла неметаллические примеси.

С целью очистки магния от металлических примесей и кремния применяют контактирование расплавленного металла с хлоридами титана и циркония или с такими металлами, как марганец, титан, цирконий. В результате протекания реакций в системе образуются интерметаллиды активных металлов и примесей, которые малорастворимы в магнии и выводятся из него.

Разработаны и другие способы рафинирования рассматриваемых металлов. Например, жидкий алюминий продувают хлором; при этом образующиеся газообразные хлориды обволакивают и выносят на поверхность металла частицы неметаллических примесей. Для глубокой очистки металлов применяют метод зонной кристаллизации, основанный на различии в распределении примесей между жидкой и твёрдой фазами металла, и др.

Измельчение

С целью улучшения контакта между компонентами шихты, повышения однородности её состава металлы-восстановители используют в металлотермических процессах в измельчённом виде. Уменьшение размера частиц металла-восстановителя способствует повышению плотности шихты и, следовательно, позволяет увеличить количество металлотермической смеси, загружаемой в аппарат.

Вместе с тем уменьшение размера частиц активных металлов приводит к увеличению степени их поверхностного окисления, имеющего место в процессе измельчения, при хранении и шихтовке. Оксидная плёнка на поверхности металла-восстановителя обусловливает снижение скорости протекания металлотермической реакции и способствует увеличению степени загрязнения получаемого металла кислородом. При этом, чем более химически активен металл-восстановитель по отношению к кислороду, тем больше критический размер частиц, до которого его целесообразно измельчать. Поэтому, если алюминий обычно используют в металлотермических процессах в виде порошка, то магний или кальций, как правило, в виде гранул или стружки.

В практике металлотермических процессов применяют различные способы измельчения химически активных металлов. Рассмотрим наиболее характерные из них.

Методы измельчения металлов-восстановителей можно разделить на две основные группы: механическое измельчение и диспергирование расплавов. Диспергирование расплавленных металлов используют для получения их порошков и гранул.

Широкое распространение получил способ распыления расплава металлов газом с помощью форсунок. По этому способу расплавленный металл под давлением подают в распыливающую форсунку. На выходе из форсунки струя металла разбивается на мелкие капли потоком воздуха или инертного газа. Капли быстро кристаллизуются и охлаждаются. Полученный порошок пневмотранспортом подаётся на рассеивание по фракциям. Размер образующихся частиц металла зависит от вязкости, поверхностного натяжения расплава и энергии газового потока. С целью уменьшения окисления металла в случае проведения процесса диспергирования на воздухе на поверхность расплава загружают флюсы, состоящие из смеси KCl, NaCl, CaF₂.

Описанный способ является типичным в производстве порошка алюминия. Согласно техническим условиям на алюминиевый порошок, используемый при получении ферросплавов, его гранулометрический состав должен удовлетворять следующим требованиям:

Фракция, мм	0,1	0,1–1,0	1,0–3,0
	Содержание, %
I сорт	20	70	15
II сорт	25	65	20

Процесс распыления расплава осуществляют и под действием центробежных сил при сливе струи металла во вращающийся с большой скоростью перфорированный стакан или на дисковое устройство. На размер образующихся капель влияют скорость вращения и размер отверстий в стакане. Наиболее чистые порошки алюминия и магния получают в результате центробежного распыления металла из оплавляемых вращающихся цилиндрических заготовок в инертной среде или высоком вакууме.

Разработан способ получения гранул магния посредством центробежного дробления струи расплава с введением в него солевой добавки для исключения возгорания металла. Для достижения необходимого качества гранулированного магния требуется точная дозировка металла и солевой добавки. Чрезмерное уменьшение солевой составляющей приводит к появлению недопустимого количества частиц игловидной формы, которые образуются из капель металла, не защищённых солевой оболочкой. При транспортировке гранул с помощью пневмонасоса происходит истирание хрупкой солевой оболочки, что делает возможным частичное отделение её от магния.

Помимо магния, в виде гранул получают и кальций. Размеры применяемых в металлотермических процессах гранул кальция составляют 3–4 мм.

Рассмотрим далее механические способы измельчения твёрдых металлов-восстановителей.

Магний и кальций достаточно хорошо обрабатываются резанием. Поэтому при проведении ряда металлотермических процессов они используются в виде стружки различных типов и размеров. Стружку металлов-восстановителей готовят на токарных и фрезерных станках; во избежание её окисления операцию осуществляют в инертной атмосфере. Натрий является пластичным металлом, в связи с чем его нарезают на кусочки специальными ножницами. Для измельчения магния и кальция применяют также операции дробления и помола в мельницах.

Известен следующий способ измельчения магния. Магний, полученный после дистилляции, дробят молотом. Полученные куски разрезают на гильотинных ножницах и измельчают в мельницах. Измельчённый продукт пропускают через сито для отсева пыли. Ситовый анализ частиц магния следующий:

Размер отверстия сита, мм	2	0,84	0,59	0,42	0,25
Количество продукта, прошедшего через сито, %	90–99	25–55	10–35	2–15	0–1

Такой магниевый порошок имеет насыпную массу около 0,22 г/см³, а после утряски – 0,25 г/см³.

Измельчение кальция осуществляют во вращающейся молотковой дробилке. Механическими способами получают и мелкодисперсные порошки магния и кальция. Например, магний размером частиц 220 мкм образуется в результате царапания компактного металла стальной щёткой в виде ленты. При этом царапающую ленту укрепляют на вращающемся барабане, а пластину магния прижимают к ней и придают пластине возвратно-поступательное движение. Порошок магния размером частиц 90 мкм получают на фрезерных станках специальной конструкции. Известен способ получения кальция с размером частиц около 250 мкм, заключающийся в виброистирании кусков металла в модифицированной шаровой мельнице в атмосфере аргона.

Физические свойства

Условия проведения металлотермических реакций в значительной степени определяются физическими свойствами металлов-восстановителей. В частности, теплопроводность металлотермических шихт и, следовательно, характер их нагрева в печи восстановления зависят от теплопроводности металлов-восстановителей. Переход металлов-восстановителей в расплав интенсифицирует протекание металлотермической реакции, а их испарение является существенным фактором, влияющим как на скорость горения металлотермической смеси, так и на условия расслаивания металла и шлака. Плотность металлов-восстановителей обусловливает количество шихты, загружаемой в аппарат восстановления.

К основным физическим свойствам металлов-восстановителей, которые необходимо учитывать при анализе металлотермических реакций, относятся следующие:

	Al	Mg	Са	Na
Плотность при 20 °С, г/см³	2,70	1,74	1,54	0,97
Плотность расплавленного металла, г/см³	2,38	1,59	1,36	0,93
Коэффициент теплопроводности при 20 °С, Вт/(м∙К)	238	167	125	128
Вязкость расплавленного металла, мПа∙с	1,24	1,32	1,22	0,68

Температуры фазовых переходов и термодинамические параметры металлов-восстановителей и некоторых их соединений, представляющих интерес в металлотермии, показаны в табл. 3 и 4.

Таблица 3

Температура ( t ) и энтальпии (Δ H ) фазовых превращений

Дата добавления: 2019-02-26; просмотров: 213; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!