§ 45. Общие способы получения металлов
Пирометаллургические методы
Пирометаллургические методы получения металлов основаны на восстановлении металлов из их руд при высокой температуре различными веществами с восстановительными свойствами. Наиболее распространённые восстановители — уголь, оксид углерода(II), водород, алюминий. В качестве примеров приведём используемые для получения металлов как в промышленности, так и в лаборатории реакции восстановления цинка углём и оксидом углерода(II), меди и вольфрама — водородом, железа и хрома — алюминием:
«math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»ZnO«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»C«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mover»«mo»=«/mo»«mi»t«/mi»«/mover»«mo»§#160;«/mo»«mi»Zn«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mi»CO«/mi»«mtext»§#8593;«/mtext»«mo»;«/mo»«/math»
«math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»ZnO«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mi»CO«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mover»«mo»=«/mo»«mi»t«/mi»«/mover»«mo»§#160;«/mo»«mi»Zn«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«msub»«mi»CO«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mtext»§#8593;«/mtext»«mo»;«/mo»«/math»
«math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»CuO«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mover»«mo»=«/mo»«mi»t«/mi»«/mover»«mo»§#160;«/mo»«mi»Cu«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mtext»§#8593;«/mtext»«mo»;«/mo»«/math»
«math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»WO«/mi»«mn»3«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»3«/mn»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mover»«mo»=«/mo»«mi»t«/mi»«/mover»«mo»§#160;«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»W«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»3«/mn»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mtext»§#8593;;«/mtext»«/math»
«math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»Fe«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mn»3«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»2«/mn»«mi»Al«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mover»«mo»=«/mo»«mi»t«/mi»«/mover»«mo»§#160;«/mo»«mn»2«/mn»«mi»Fe«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«msub»«mi»Al«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mn»3«/mn»«/msub»«mo»;«/mo»«/math»
«math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»Cr«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mn»3«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»2«/mn»«mi»Al«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mover»«mo»=«/mo»«mi»t«/mi»«/mover»«mo»§#160;«/mo»«mn»2«/mn»«mi»Cr«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«msub»«mi»Al«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mn»3«/mn»«/msub»«mo».«/mo»«mo»§#160;«/mo»«/math»
Рассмотрим более подробно процесс получения железа в составе его сплавов — чугуна и стали.
Основной источник железа — это руды, содержащие такие минералы, как магнетит (Fe3O4) и гематит (Fe2О3). Полезными примесями, улучшающими качество выплавляемого из руды железа, являются соединения Mn, Ni, Co, Сг, В, V. Их называют легирующими добавками. Соединения As, P, S, Pb, Zn — вредные примеси, ухудшающие свойства железа.
В настоящее время в производстве стали используют два основных способа.
Согласно первому традиционному способу получение стали проводят в две стадии. На первой из них получают чугун, который на второй стадии перерабатывают в сталь.
Для получения чугуна железо восстанавливают углеродом и угарным газом, который образуется при неполном сгорании угля. В доменную печь загружают смесь железной руды, специально обработанного угля, называемого коксом, и добавляют для понижения температуры плавления известняк. Такую смесь, называемую шихтой, вводят в доменную печь сверху, откуда она перемещается вниз в зону более высокотемпературного нагревания, где температура поднимается до 1600 °С и смесь расплавляется.
Вдуваемый снизу в доменную печь воздух обеспечивает горение углерода с выделением большого количества теплоты и образованием угарного газа, который восстанавливает железо из его оксидов. Восстановленное железо уже при температуре около 1000 °С науглероживается, и образуется сплав, называемый чугуном. В нём, помимо железа, содержатся графит и цементит — карбид железа Fe3C с суммарным содержанием углерода приблизительно от 2 до 6 %.
Расплав чугуна периодически отбирают, изолируя его от шлака. Химические процессы, протекающие в разных зонах доменной печи, представлены на рисунке.
При переработке чугуна в сталь на второй стадии процесса избыточный углерод, а нередко и другие примеси, например кремния, фосфора, серы, окисляют при высокой температуре кислородом воздуха. Для этого используют разные установки — мартеновские печи, конвертеры, электропечи. Образующиеся оксиды неметаллов всплывают в виде шлака или испаряются. Наряду с окислением примесей происходит также частичное окисление железа с образованием оксида железа(II), который растворяется в расплавах чугуна и стали. Оксид железа(II) восстанавливают, добавляя в расплав кремний, марганец или алюминий в качестве восстановителей. Образующийся шлак из оксидов отделяют от расплава железа.
Второй способ производства стали одностадийный, его называют прямым. В нём стадия получения чугуна отсутствует, меньше выброс углекислого газа в атмосферу. Являясь более экономичным, он постепенно вытесняет первый способ. Для получения стали железную руду измельчают, а затем обжигают с относительно небольшим количеством кокса во вращающихся печах. Полученные железорудные окатыши, содержащие оксиды железа, подвергают действию газообразного восстановителя в специальных реакторах.
В качестве восстановителя используют смесь метана, оксида углерода(II) и водорода. Водород и оксид углерода(II) образуются из метана при его окислении кислородом в присутствии катализатора в специальных аппаратах по реакции:
«math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mn»2«/mn»«msub»«mi»CH«/mi»«mn»4«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»§#1054;«/mi»«msub»«mrow»«mn»2«/mn»«mo»§#160;«/mo»«/mrow»«mrow/»«/msub»«/msub»«mover»«mo»=«/mo»«mi»t«/mi»«/mover»«mo»§#160;«/mo»«mn»2«/mn»«mi»CO«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»4«/mn»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»§#1053;«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mo».«/mo»«/math»
Образование металлического железа можно представить уравнениями реакций:
«math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»Fe«/mi»«mn»3«/mn»«/msub»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mn»4«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»4«/mn»«mi»CO«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mover»«mo»=«/mo»«mi»t«/mi»«/mover»«mo»§#160;«/mo»«mn»3«/mn»«mi»Fe«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»4«/mn»«msub»«mi»CO«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mtext»§#8593;;«/mtext»«/math»
«math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»Fe«/mi»«mn»3«/mn»«/msub»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mn»4«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»4«/mn»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mover»«mo»=«/mo»«mi»t«/mi»«/mover»«mo»§#160;«/mo»«mn»3«/mn»«mi»Fe«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»4«/mn»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mtext»§#8593;«/mtext»«mo».«/mo»«/math»
Полученное при восстановлении губчатое железо (окатыши) подвергают переплавлению в электродуговых печах. При этом, вводя необходимые добавки, железо легируют для получения того или иного сорта высококачественных сталей — коррозионностойких, инструментальных, конструкционных, электротехнических, жаропрочных и др.