Алюминотермический способ получения железа
16 лет успешной работы в сфере подготовки к ЕГЭ и ОГЭ!
1602 поступивших (100%) в лучшие вузы Москвы
Подготовка к ЕГЭ, ОГЭ и предметным Олимпиадам в Москве
Записаться на годовой курс!- home
- map
У Вас возникли вопросы?
Мы обязательно Вам перезвоним:
Получение железа алюмотермией
Описание.
Сейчас мы получим железо из оксида при помощи порошка алюминия. Такой способ получения металла из руды называется алюмотермией. Сейчас мы готовим смесь порошкообразного алюминия и оксида железа, так называемый термит. На дне тигля алюминиевая фольга. Слегка утрамбуем термит и подготовим углубление для зажигательной смеси. Поместим зажигательную смесь в ямку. Используем магниевый фитиль, чтобы поджечь термит. Способом алюмотермии можно получить очень чистое, свободное от углерода железо. Вы видите, как раскалился тигель. Температура реакции превышает 3000 градусов Цельсия. Внутри тигля – расплавленное железо и шлаки. К наружной поверхности тигля прилипли песчинки. Даже песок оплавился при высокой температуре. Восстановленное металлическое железо притягивается к магниту.
Источник
Алюминотермия (алюминотермические реакции)
АЛЮМИНОТЕРМИЯ, в технике — совокупность производственных процессов, в которых применяется изобретенный в 1894 г. германским профессором Гольдшмидтом способ восстановления металлов из их окислов, основанный на том, что металлический алюминий при высоких температурах способен окисляться за счет кислорода металлических окислов. Реакция эта м. б. объяснена правилом Вертело, являющимся, однако, только некоторым приближением; согласно правилу, из нескольких возможных химических реакций имеет место та реакция, при которой выделяется наибольшее количество теплоты. Теплота, выделяющаяся при сгорании алюминия в Аl2О3, равна 7140 cal и превосходит теплоту сгорания (окисления) других металлов. На практике для протекания реакции восстановления окислов алюминием требуется наличность некоторых других факторов; так, например, часто для получения удовлетворительного результата необходимо прибавить вещества, вызывающие усиление реакции, или прибавить флюсы (например, плавиковый шпат CaF2), или сплавлять восстановляемые окислы с энергично действующими металлами, или, как при восстановлении хрома, прибавлять хромовокислые соли.
Для ускорения реакции прибавляют также бертолетовую соль КСlO3 (при получении В, Ве, Cr, Se, Ti, Th). Большое значение для правильного протекания реакции имеет выбор соответствующего металлического окисла и его количество: МnO2, например, реагирует с алюминием очень энергично, МnО — слишком слабо; наилучшим образом реакция восстановления марганца из его окислов протекает при смеси обоих окислов.
Алюминотермические реакции протекают с выделением большого количества тепла (температура реакций достигает 3000°С), причем восстановленный расплавленный металл нагревается до белого каления, расплавленные же глиноземистые шлаки всплывают наверх. Смесь окисла металла с алюминием в пропорции, необходимой для протекания реакции восстановления, называется термитом. В зависимости от наименования окисла металла, входящего в смесь, различают термиты железные, хромовые, марганцевые и другие. Чтобы вызвать реакцию, необходимо термитовую смесь предварительно зажечь; довольно высокую температуру воспламенения термита получают сжиганием небольшого количества легко воспламеняющейся зажигательной смеси из алюминиевого порошка с перекисью бария.
Алюминотермия дает возможность получить трудно-восстанавливаемые металлы и металлоиды, как, например, хром, марганец, бериллий, бор, в значительных количествах и в исключительно чистом виде. Особое значение алюминотермия получила в производстве высококачественных металлических сплавов различных специальных сталей. Застывшие шлаки по твердости превосходят корунд и в пульверизированном виде представляют очень хороший шлифовальный материал корубин, или искусственный корунд. Из железного термита, т. е. смеси окиси железа с алюминием, получают по способу Гольдшмидта малоуглеродистое ковкое железо — термитовое железо, — обладающее приблизительно следующими механическими свойствами: временное сопротивление на разрыв — 38,7 кг/мм 2 , удлинение — 19%, при химическом составе в %: С — 0,1; Мn — 0,8; Si — 0,09; S — 0,03; Р — 0,04; Сu — 0,09; Аl — 0,07; остаток — Fе. Реакция термита производится в особых железных тиглях с магнезитовой футеровкой. Расплавленное железо собирается на дне тигля, а сверху плавают состоящие почти из чистого глинозема шлаки, занимающие в тигле в три раза больший объем, чем железо, между тем как вес шлаков составляет половину веса употребленного термита; из 1 кг железного термита получают около 1/2 кг железа.
Различают два способа производства литья термитового железа из тиглей: 1) опрокидыванием специальных тиглей вместимостью от 1 до 25 кг термита, доведенного уже до состояния реакции; при этом способе литья необходимо предварительно слить верхний плавающий слой шлаков, занимающий около 3/4 всего объема массы, — эта работа, во избежание утечки железа, требует некоторой сноровки и м. б. исполнена лишь опытными литейщиками; для загрузки тигля на дно его сперва насыпают небольшое количество термита, который воспламеняют зажигательной смесью; когда реакция сгорания началась, наполняют весь тигель термитом и затем постепенно, по мере опускания реагирующей массы, добавляют остальное количество термита; 2) непосредственным спуском расплавленной массы из т. н. автоматического тигля через отверстие в магнезитовом камне, заделанном в дно такого тигля, при чем сперва вытекает расплавленное железо, а за ним шлак; автоматические тигли делают воронкообразной формы из листового железа с магнезитовой футеровкой вместимостью от одного до нескольких сот кг термита; диаметр спускного отверстия, например, у тигля на 50 кг, колеблется в пределах 10-15 мм; загружают эти тигли сразу всей массой термита, которую воспламеняют упомянутой зажигательной смесью.
Реакция железного термита, помимо производства ферросплавов и специальных сталей, находит также весьма широкое применение в металлообрабатывающей промышленности для сварки железных и стальных изделий. В целом ряде сварочных работ, например, для сварки железных труб, валов, станин, стержней и прочих, используют только высокую температуру реакции термита, получающееся же во время этого процесса термитовое железо в самой сварке никакого участия не принимает. В этом случае свариваемые концы очищают, притягивают друг к другу впритык при помощи особого зажимного аппарата (фиг. 1), окружают стык формой из огнеупорного материала, в которую затем выливают из специального тигля расплавленную массу термита. Последняя в продолжение точно известного промежутка времени успевает нагреть стык до необходимой для сварки температуры, после чего достаточно несколько подтянуть гайки зажимного аппарата, чтобы вызвать необходимое для надежной сварки давление свариваемых концов друг на друга. По окончании сварки аппарат разбирают, а наварившуюся вокруг стыка термитовую массу удаляют легкими ударами молотка (фиг. 2).
Другой способ сварки при помощи железного термита основан на использовании не одной только высокой температуры реакции сгорания Аl, но и восстановленного этой реакцией сильно нагретого, мягкого, малоуглеродистого железа, при чем применяемые при этом приемы сварки отличаются от таковых при сварке нагревом с давлением.
Расплавленную термитовую массу либо льют из специальных тиглей по удалении шлаков, либо спускают из воронкообразных, т. н. автоматических, тиглей при помощи примитивного спускового приспособления (фиг. 3) в расположенную непосредственно под тиглем форму из огнеупорной массы, при чем сперва вытекает находящееся на дне тигля расплавленное железо, а за ним шлаки, для отвода которых в верхней части формы имеется специальное отверстие. Для литья восходящим током форму обычно снабжают соответствующим литником. Этот способ применяют для сварки железнодорожных рельсов, при чем одновременно со сваркой стыка получаются прочно сваренные с рельсами стыковые накладки из мягкого термитового железа; такая сварка дает спокойный ход подвижного состава, а на ж. д. с электрической тягой, кроме того, уменьшает сопротивление обратному току, проводником которого служат рельсы. Этот способ сварки находит широкое применение во флоте, на верфях, на заводах и т. д. для сварки гребных и трансмиссионных валов, для исправления поломок этих валов и пороков в стальном фасонном литье и поковках, для наварки изношенных деталей машин и т. д. Даже поломки чугунных изделий при тщательном ведении процесса поддаются исправлению этим способом сварки, при чем термитовая реакция в этих случаях служит главным образом для подогрева поверхностей излома, а соединение частей достигается струей расплавленного чугуна; для подогрева достаточно 0,25-0,35 кг термита на см 2 поверхности излома. Наконец, термит дает возможность в случае внезапных поломок деталей машин при отсутствии запасных частей быстро получить расплавленную сталь соответствующего состава для новых отливок. Кроме того, алюминотермическими реакциями пользуются в производстве искусственного корунда, ферротитана, феррованадия и ферромолибдена.
Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 1 — 1927 г.
Источник
Алюминотермический способ получения металлов и плавильный горн для его осуществления
Владельцы патента RU 2465361:
Изобретение относится к внепечному производству чистых металлов и сплавов в оксидных металлотермических процессах, в частности алюминотермических, протекающих за счет выделения тепла в химических реакциях восстановления металлов из оксидов или концентратов. В способе экзотермическую шихту загружают в тонкостенный цилиндр, который предварительно устанавливают в шахте плавильного горна коаксиально его перфорированным стенкам. Пространство между тонкостенным цилиндром и перфорированными стенками шахты засыпают зернистым газопроницаемым огнеупорным материалом, затем тонкостенный цилиндр удаляют, а шихту засыпают сверху также зернистым газопроницаемым огнеупорным материалом. После этого инициируют начало экзотермической реакции, во время которой из реакционной зоны через зернистый газопроницаемый огнеупорный материал и перфорированные стенки шахты плавильного горна происходит отвод газов, а после окончания реакции и выпуска шлака осуществляют разборку горна и отделяют слиток от остатков шлака. На внутренней поверхности корпуса плавильного горна закреплена металлическая сетка, а диаметр тонкостенного цилиндра из жести равен 0,6-0,8 диаметра корпуса. Изобретение позволяет уменьшить потери металла со шлаком, создать оптимальные условия восстановления металла путем повышения скорости перемещения реакционной зоны и отделения основных процессов восстановления металла от перехода примесей из шлака в металл. 2 н.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл.
Изобретение относится к внепечному производству чистых металлов и сплавов в оксидных металлотермических процессах, в частности алюминотермических, протекающих за счет выделения тепла в химических реакциях восстановления металлов из оксидов или концентратов.
Известны способы внепечного получения металлов или сплавов в алюминотермических процессах, осуществляемые в плавильных горнах, футерованных огнеупорным кирпичом. Например, в способе выплавки ферротитана перед началом плавки на подину горна насыпают часть шихты и зажигают магниевым порошком, электрической дугой и т.д. Через 30-40 секунд после зажигания начинают равномерно загружать шихту с таким расчетом, чтобы она закрывала тонким слоем поверхность колошника в течение всей плавки (1. Алюминотермическое производство ферросплавов и лигатур / Ю.Л.Плинер, С.И.Сучильников, Е.А.Рубинштейн. — М.: Научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1968. — С.94-95).
Известен способ внепечной выплавки феррониобия в наклоняющемся плавильном агрегате, при котором из бункера смешанная шихта поступает по желобу в наклоняющийся плавильный горн, установленный на вагонетке. Слив металла и шлака осуществляют в чугунную нефутерованную изложницу, на дне которой укладывают слиток металлического хрома. Сначала сливают часть шлака так, чтобы слой шлака несколько превышал толщину слитка феррониобия, с целью образования гарниссажа на внутренней поверхности сборной изложницы, затем сливают остальной шлак и металл. Расплав охлаждают в изложнице в течение 2,5 ч, затем ее разбирают и после дополнительной выдержки металл и шлак отправляют на разделку (2. Алюминотермия / Н.П.Лякишев, Ю.Л.Плинер, Г.Ф.Игнатенко, С.И.Лаппо. — М.: Металлургия, 1978. — С.293-295).
Один из основных недостатков внепечной алюминотермической плавки — высокие температуры кристаллизации шлака в связи с невозможностью применения больших количеств флюсующих добавок вследствие напряженности теплового баланса плавки. В процессе плавки в результате начавшейся экзотермической реакции восстановления образуются продукты реакции — металл и шлак. Выделяющиеся в реакционной зоне газы (продукты разложения гидратов и карбонатов, присутствующих в компонентах шихты, или другие газы, выделяющиеся из металлических компонентов шихты, а также заполняющий поровое пространство воздух) при температуре процесса многократно увеличиваются в объеме и должны быть выведены из зоны реакции.
Известен плавильный футерованный горн для выплавки металла (например, ферротитана или феррониобия, или др.), состоящий из разборной чугунной шахты цилиндрической формы, установленной на передвижной вагонетке. Шахта цилиндрической формы с некоторым утолщением в нижней части выполняется в виде разъемных половин. Площадка тележки, на которой установлена шахта, футерована шамотным кирпичом. Швы шахты тщательно заделывают листовым асбестом и промазывают огнеупорной глиной (1. С.95, рис.55).
Однако производственные технологии и современные конструкции горна не предусматривают отвод газов из зоны реакции, что приводит к выбросу газов через расплав металла и шлака. При этом металл и шлак перемешиваются, что препятствует их разделению, а при интенсивном течении реакции плавка сопровождается выбросами металла и шлака из горна. Течение процесса регулируют термичностью шихты, ее брикетированием, изменением соотношения высоты горна к его диаметру и другими приемами. Основная причина потерь металла — это проплавление шихты, сопровождаемое перемешиванием расплава выделяющимися в зоне реакции газами, что является недостатком указанных выше способа и плавильного горна. Кроме того, недостатком является сложность организации непрерывных технологических процессов.
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в уменьшении потерь металла со шлаком, создании оптимальных условий восстановления металла путем повышения скорости перемещения реакционной зоны и отделения основных процессов восстановления металла от перехода примесей из шлака в металл.
Указанная задача решается тем, что алюминотермический способ получения сплавов, включающий заполнение футерованного горна экзотермической шихтой, инициирование протекания экзотермической реакции, выпуск шлака и отделение металла от шлака, характеризуется тем, что экзотермическую шихту загружают в тонкостенный цилиндр, который предварительно устанавливают в шахте плавильного горна коаксиально его перфорированным стенкам, пространство между тонкостенным цилиндром и стенками шахты засыпают зернистым газопроницаемым огнеупорным материалом, затем тонкостенный цилиндр, разделяющий экзотермическую шихту и зернистый газопроницаемый огнеупорный материал, удаляют, шихту засыпают сверху также зернистым газопроницаемым огнеупорным материалом, инициируют начало экзотермической реакции, во время которой происходит дренажный отвод газов через газопроницаемый огнеупорный материал и перфорированные стенки горна, а после окончания реакции и выпуска шлака осуществляют разборку горна и отделение слитка от остатков шлака.
Для осуществления указанного способа и решения поставленной задачи предложен плавильный горн для алюминотермического способа получения металлов, содержащий шахту, корпус цилиндрической формы и огнеупорное основание, характеризующийся тем, что в стенках корпуса шахты выполнены отверстия, на внутренней поверхности корпуса закреплена металлическая сетка, а горн снабжен тонкостенным цилиндром из жести, диаметр которого равен 0,6-0,8 диаметра корпуса шахты и который установлен в огнеупорном основании коаксиально стенкам корпуса с возможностью свободного продольного передвижения относительно корпуса шахты.
Особенностью изобретения является то, что заявляемый алюминотермический способ получения металлов или сплавов осуществляется с организованным дренажным отводом газов из зоны проплавления шихты через газопроницаемую засыпку и перфорированный корпус горна. В результате экзотермической реакции в верхнем слое шихты образуется подвижный слой металла и шлака, перемещающийся сверху вниз следом за реакционным фронтом. По мере развития экзотермической реакции слой металла и шлака увеличивается, газы из реакционного слоя удаляются через поровое пространство шихты и изолирующей засыпки через сетку и отверстия в корпусе горна. В процессе плавки опускающийся слой металла и шлака выполняет роль жидкого поршня, сжимающего газы в поровом пространстве горна под реакционным слоем шихты, сформированным с помощью предварительно устанавливаемого, а затем удаляемого тонкостенного цилиндра, в цилиндрический «брикет». Газопроницаемость зернистого огнеупорного материала и отверстия в стенках корпуса обеспечивают отвод газов в процессе плавки из шихты ниже реакционной зоны. При такой организации газового потока из зоны реакции происходит нагрев нижележащих слоев шихты теплом отходящих газов. Известно, что нагрев экзотермической шихты на 100°C эквивалентен повышению термичности шихты на 32 ккал/кг (134 кДж/кг) (1. С.24). Плавка протекает в большом диапазоне линейных скоростей перемещения реакционной зоны без выброса газов через слой металла и шлака.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 дан общий вид горна (после заполнения шихтой и огнеупорной засыпкой); на фиг.2 — общий вид горна в сборе на момент начала осуществления способа; на фиг.3 изображено протекание процесса плавки с отводом газов из зоны проплавления шихты; на фиг.4 изображен момент способа в конце плавки после образования слитка металла под шлаком.
Плавильный горн для алюминотермического способа получения металлов (фиг.1) содержит шахту, состоящую из корпуса 1, который выполнен цилиндрической формы и на внутренней поверхности которого закреплена металлическая сетка 2. Горн снабжен тонкостенным цилиндром 3 из жести, диаметр d которого равен 0,6-0,8 D диаметра корпуса шахты. В стенках корпуса 1 шахты выполнены отверстия 4. Корпус 1 шахты закреплен на стационарном огнеупорном основании 5 с углублением для формирования слитка (или передвижной тележке, на чертеже не показано), а тонкостенный цилиндр 3 установлен в основании коаксиально стенкам корпуса с возможностью свободного продольного передвижения относительно корпуса шахты.
Способ осуществляют следующим образом.
Тонкостенный цилиндр 3, предварительно установленный в основании горна коаксиально стенкам корпуса 1, заполняют экзотермической шихтой 6 (фиг.1). Затем пространство между временно установленным цилиндром 3 и внутренней поверхностью корпуса 1 с закрепленной на ней металлической сеткой 2 заполняют огнеупорным материалом 7. Сетка 2, закрепленная на внутренней поверхности корпуса, предохраняет от высыпания огнеупорного материала 7. После заполнения шихтой цилиндра 3 и создания огнеупорного газопроницаемого слоя цилиндр 3 удаляют из горна (фиг.2), а верхнюю часть горна засыпают теплоизолирующим слоем 8 огнеупорного материала, через который вводят запал 9 для инициирования экзотермического процесса.
На фиг.3 изображено протекание процесса плавки с организованным дренажным отводом газов из зоны проплавления шихты: верхний слой А — шлак с огнеупорным газопроницаемым слоем 8, под ним — слой Б жидкого металла, ниже — реакционный слой В. Стрелками показан выход газов через металлотермическую шихту, огнеупорный газопроницаемый слой и перфорированные стенки корпуса.
На фиг.4 изображен момент способа в конце плавки после образования слитка металла 10 под шлаком 11. К концу плавки в горне на границе металлотермической шихты и огнеупорного газопроницаемого слоя образуется прошлакованный слой 12 огнеупорного газопроницаемого материала. По окончании плавки шлак 11 выпускают через летку 13 в шлаковню 14.
Пример конкретного осуществления способа.
Для производства 200-250 кг ферровольфрама ФВ-75 (ГОСТ 17293-93) из вольфрамита (WO3 51,8%, FeO 2,83%, MnO 13,34%, CaO 2,32%, SiO2 26,18%, Al2O3 2,09%) используется футерованный огнеупорным кирпичом горн следующих размеров (применяемый в настоящее время способ):
H — высота 1000 мм; D — диаметр корпуса 700 мм; d — диаметр тонкостенного цилиндра — 500 мм. Горн устанавливают на основание из дробленного кварца с приямком глубиной 200 мм.
Состав шихты, кг:
| 1 | Концентрат | 362 |
| 2 | Окалина | 70 |
| 3 | Селитра калиевая | 10 |
| 4 | Ферросилиций ФС 75 | 3 |
| 5 | Известь | 17 |
| 6 | Плавиковый шпат | 10 |
| 7 | Al порошок | 75 |
| Общая масса шихты | 547 |
Термичность шихты 504 ккал/кг (2109 кДж/кг).
После перемешивания в смесителе, шихта засыпается в горн без утрамбовки. Горн закрывают технологической крышкой с отверстием в центре для поджигания шихты и отвода газов.
Для сравнения приводятся результаты плавки (предлагаемый способ), выполненной в перфорированном горне аналогичных размеров, с таким же составом, массой и термичностью шихты. Для плавки применялся перфорированный горн с огнеупорным газопроницаемым материалом вышеуказанных размеров.
Диаметр плавильного пространства определяется диаметром тонкостенного удаляемого перед плавкой цилиндра (d=500 мм).
| Параметр плавки | Футерованный горн | Перфорированный горн | |
| 1 | Время горения шихты, мин. | 14 | 10 |
| 2 | Линейная скорость перемещения фронта горения шихты, мм/с | 1,43 | 2,00 |
| 3 | Скорость проплавления шихты, кг/(м 2 ·мин) | 199 | 280 |
| 4 | Содержание вольфрама в сплаве, % | 71,6 | 73,4 |
| 5 | Степень извлечения ведущего элемента (W), % | 93,5 | 95,4 |
Предлагаемый металлотермический способ получения металла и плавильный горн для его осуществления обеспечивает уменьшение потерь металла со шлаком за счет создания оптимальных условий восстановления металла: организация дренажного отвода газов из зоны проплавления шихты исключает выброс металла в верхнюю часть горна; повышение скорости перемещения реакционной зоны способствует отделению основного процесса восстановления металла от процесса перехода примесей шлака в металл.
Конструкция горна позволяет также организовать конвейерное производство металла. После выпуска шлака горн откатывают (убирают), и под вытяжной зонт устанавливают следующий горн, подготовленный к плавке. Горн предыдущей плавки разбирают, огнеупорный газопроницаемый материал остывает на поддоне, при этом убирают слиток и остатки шлака. Все операции с горном на выплавку 200-250 кг металла от момента зажигания шихты до извлечения слитка занимают около 30 минут.
1. Способ алюминотермического получения металлов и сплавов, включающий заполнение футерованного металлического корпуса шахты плавильного горна экзотермической шихтой, инициирование протекания экзотермической реакции, выпуск шлака и отделение металла от шлака, отличающийся тем, что экзотермическую шихту загружают в тонкостенный цилиндр, который предварительно устанавливают в шахте плавильного горна коаксиально его перфорированным стенкам, пространство между тонкостенным цилиндром и перфорированными стенками корпуса шахты засыпают зернистым газопроницаемым огнеупорным материалом, затем тонкостенный цилиндр удаляют, шихту засыпают сверху также зернистым газопроницаемым огнеупорным материалом, инициируют начало экзотермической реакции, во время которой из реакционной зоны через зернистый газопроницаемый огнеупорный материал и перфорированные стенки корпуса шахты плавильного горна происходит отвод газов, а после окончания реакции и выпуска шлака осуществляют разборку горна и отделяют слиток от остатков шлака.
2. Плавильный горн для алюминотермического получения металлов и сплавов, содержащий шахту, корпус которой выполнен цилиндрической формы, и огнеупорное основание, отличающийся тем, что в стенках корпуса шахты выполнены отверстия, на внутренней поверхности корпуса закреплена металлическая сетка, а горн снабжен тонкостенным цилиндром из жести, диаметр которого равен 0,6-0,8 диаметра корпуса шахты, установленным в огнеупорном основании коаксиально стенкам корпуса шахты с возможностью свободного продольного передвижения относительно корпуса шахты.
Источник
