Przykłady metod hutniczych otrzymywania metali

Zobacz slidy

Treść prezentacji

Slide 1

Przykłady hutniczych metod otrzymywania metali

Slide 2

Plan prezentacji: 1. Otrzymywanie żelaza metodą wielkopiecową. 2. Otrzymywanie krzemu - rozkład termiczny SiH4.. 3. Metoda Czochralskiego. 4. Metoda topienia strefowego. 5.Aluminotermia, glin jako reduktor. 6. Zastosowanie aluminotermii. 2

Slide 3

Występowanie żelaza w przyrodzie Chemicznie czyste żelazo jest metalem srebrzystobiałym, jest miękkie, ciągliwe i kowalne. W przyrodzie spotyka się sporadycznie żelazo rodzime, np. w postaci drobnych wtrąceń w skałach bazaltowych lub jako żelazo meteoryczne. Normalnie jednak żelazo występuje w przyrodzie w stanie związanym. Praktycznie wszystkie gleby i skały zawierają zanieczyszczenia związkami żelaza. Techniczne znaczenie jako rudy tego metalu mają przede wszystkim: magnetyt Fe3O4, hematyt -Fe2O3, limonit (mieszanina minerałów, głównie getytu FeOOH) i syderyt FeCO3. Piryt, FeS2, przerabia się głównie na kwas siarkowy. 3

Slide 4

Otrzymywanie żelaza metodą wielkopiecową Otrzymywanie żelaza metodą techniczną polega na redukcji rud tlenkowych koksem. Powstający produkt, żelazo surowe, czyli surówka, zawiera około 4 węgla, jest kruchy i daje się formować tylko przez odlewanie lub skrawanie. Surówkę przerabia się na stal zawierającą mniej niż 1,7 węgla, znacznie mniej kruchą, kowalną, dającą się hartować. Wytwarzanie surówki odbywa się w wielkich piecach. Ładowanie pieca odbywa się od góry przez gardziel, przez którą wprowadza się na przemian warstwami rudę i koks. Do rudy dodawane są topniki, tj. materiały, które razem ze złożem płonnym i innymi zanieczyszczeniami utworzą w piecu łatwo topliwą mieszaninę krzemianów wapnia i glinu, a także żelaza i manganu, zwaną żużlem wielkopiecowym. Jeżeli zanieczyszczenia rudy mają charakter kwasowy, tzn. są bogate w SiO2, używa się topników zasadowych, najczęściej wapna palonego. Jeżeli natomiast zanieczyszczenia mają charakter zasadowy (wapień, dolomit) używa się topników kwasowych (gliny, skaleni). 4

Slide 5

Powietrze potrzebne do spalania koksu wdmuchiwane jest przez dysze umieszczone u dołu pieca. Zostaje ono uprzednio podgrzane do temperatury około 900 oC co znacznie ułatwia osiągnięcie wewnątrz pieca wysokiej temperatury. Produktem spalania koksu jest w tych warunkach CO. Gazy wędrując ku górze napotykają na przemian warstwy rudy i koksu. Tlenek węgla redukując rudę utlenia się do CO2. Ten natomiast w zetknięciu z kolejną warstwą koksu ulega ponownej przemianie w CO. Procesy zachodzące w warstwach rudy stopniowo przesuwających się ku dołowi zależą od temperatury panującej w danej strefie pieca. W najwyższych jego częściach, gdzie utrzymuje się temperatura około 200 oC, następuje osuszanie i odwadnianie wsadu. Redukcja rozpoczyna się w temperaturze około 500 oC i początkowo polega na redukcji żelaza trójwartościowego do dwuwartościowego. W miarę dalszego wzrostu temperatury następuje redukcja tlenku do metalu wydzielającego się w postaci gąbczastej masy. W tym zakresie temperatur równowaga reakcji (CO2C2CO) jest przesunięta w stronę CO2, co powoduje, że tlenek węgla w zetknięciu z gąbczastym żelazem wydziela węgiel na jego powierzchni tworzący następnie stały roztwór w żelazie. Nawęglanie powoduje obniżenie temperatury topnienia metalu, który zaczyna się topić po osiągnięciu temperatury około 1200 oC. 5

Slide 6

Występowanie krzemu w przyrodzie Zawartość krzemu w zewnętrznych strefach Ziemi wynosi 26,95 wagowo. Jest drugim po tlenie najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem. Krzemionka SiO2 w różnych odmianach polimorficznych (kwarc, trydymit, krystobalit) oraz krzemiany i glinokrzemiany stanowią większość skał tworzących skorupę ziemską. Krzem jest najważniejszym materiałem półprzewodnikowym wytwarzanym na skalę przemysłową. Swymi doskonałymi właściwościami użytkowymi nie ustępuje często germanowi. 6

Slide 7

Otrzymywanie krzemu - rozkład termiczny SiH4 Proces otrzymywania półprzewodnikowego krzemu obejmuje szereg operacji technologicznych stosowanych również do otrzymywania innych substancji o najwyższej czystości. Proces pirolitycznego wydzielania krzemu z fazy gazowej zachodzi w temperaturach 600 1400 oC. Rozkład termiczny SiH4 prowadzi do uzyskania polikrystalicznego lub sproszkowanego mikrokrystalicznego krzemu. SiH4 Si 2H2 Materiał ten poddaje się jeszcze dalszej przeróbce w celu uzyskania najwyższej czystości oraz wielkich monokryształów. W tym celu stosuje się krystalizację metodą Czochralskiego i oczyszczanie metodą topienia strefowego. 7

Slide 8

surowy krzem surowy SiH4 destylacja SiH4 wydzielanie z fazy gazowej (domieszkowanie) topienie strefowe (domieszkowanie) krzem półprzewodnikowy W przemyśle wykorzystuje się na ogół rozkład monosilanu, przez częściową hydrolizę i destylację tego związku. Jest to najważniejszy etap procesu oczyszczania. Wydzielanie krzemu z fazy gazowej przeprowadza się w temperaturze 1100 1200 oC w specjalnej aparaturze. Zmniejszenie zawartości szkodliwych domieszek osiąga się przez beztyglowe topienie strefowe w wysokiej próżni. Taki sposób oczyszczania jest konieczny gdyż krzem w swej stosunkowo wysokiej temperaturze topnienia (1423 oC) reaguje z wszelkimi materiałami naczynia. Oprócz zmniejszenia zawartości domieszek przez wykorzystanie różnic w rozpuszczalności w fazie stałej i ciekłej duże znaczenie ma odparowanie zanieczyszczeń. Monokryształy krzemu o wysokiej czystości chemicznej znajdują coraz szersze zastosowanie w produkcji półprzewodników. 8

Slide 9

Metoda Czochralskiego Polski uczony Czochralski zastosował tę metodę po raz pierwszy w 1916 roku do krystalizacji monokrystalicznych drutów metalowych. W tyglu wstawionym do pieca znajduje się roztopiony metal o temperaturze nieznacznie wyższej od temperatury topnienia. Zarodek krystaliczny, znajdujący się w uchwycie, należy zetknąć z powierzchnią roztopionego metalu i następnie wyciągać kryształ powoli z jednostajną szybkością, przy której średnica narastającego kryształu pozostaje stała. Metoda ta jest obecnie stosowana głównie do hodowania kryształów półprzewodników krzemu oraz germanu. 9

Slide 10

Metoda topienia strefowego Metoda ta polega na wytworzeniu w pręcie krzemu wąskiej strefy stopionej przez ruchomy pierścieniowy grzejnik elektryczny. Ciecz dobrze zwilża krzem, a dzięki temu siły powierzchniowe chronią ją przed wypłynięciem ze strefy wysokiej temperatury. Przy przesuwaniu grzejnika wzdłuż pręta krzemowego po jednej stronie strefy stopionej odbywa się krzepnięcie, a po drugiej topienie, przy czym zanieczyszczenia lepiej rozpuszczalne w cieczy niż w krzemie zestalonym pozostają w znacznej części w cieczy i razem z nią są transportowane do jednego z końców próbki. Wielokrotne powtarzanie tego procesu zawsze w tym samym kierunku, daje materiał monokrystaliczny o najwyższej czystości używany bezpośrednio do wyrobu tranzystorów. Krzem oczyszczany tą metodą należy do materiałów o najwyższej osiągalnej obecnie czystości. 10

Slide 11

Metody aluminotermiczne Metody aluminotermiczne stosuje się do otrzymywania, bez użycia węgla, trudno topliwych i trudno ulegających redukcji metali (takich jak chrom, krzem, bor, kobalt, wanad, mangan) z ich tlenków, przez redukcję glinem. Podstawą metody jest duże powinowactwo glinu do tlenu. W metodzie tej miesza się tlenki z granulowanym aluminium; mieszanina ta nosi nazwę termitu. Do zapalenia tej mieszaniny stosuje się masę złożoną ze sproszkowanego magnezu i substancji oddającej tlen (nadtlenek baru i chloran potasu). Masa ta wytwarza temperaturę umożliwiającą osiągnięcie punktu zapłonu termitu. Duży efekt cieplny reakcji rozgrzewa mieszaninę, utrzymując utworzony metal i tlenek glinu w stanie stopionym. W mieszaninie reakcyjnej panują temperatury przekraczające 2000 oC. Al2O3 wypływa na powierzchnię metalu, zabezpieczając go przed utlenieniem. Opisaną metodą otrzymuje się np. chrom z tlenku chromu (III): 2Al Cr2O3 2Cr Al2O3 H - 455 kJmol W spawaniu aluminotermicznym stosuje się mieszaninę FeO, Fe 2O3 albo Fe3O4 i granulowanego aluminium do spawania części żelaznych. Uwolnione ciepło reakcji powoduje stopienie i rozżarzenie do białości wydzielonego żelaza (temp. do 2400 oC), które tworzy spoinę. Gromadzący się bardzo twardy żużel stopionego Al 2O3, tzw. sztuczny korund, znajduje zastosowanie jako materiał ścierny i do wyrobu tygli ogniotrwałych. 11

Slide 12

Zastosowanie aluminotermii Aluminotermia jest stosowana: do otrzymywania np. chromu, wanadu, manganu; do otrzymywania niektórych żelazostopów, np. żelazowolframu, żelazotytanu i żelazochromu; wykorzystuje się ją także jako sposób uzyskiwania wysokich temperatur, np. przy tzw. termitowym spawaniu szyn.   12

Slide 13

Bibliografia Adam Bielański, Podstawy chemii nieorganicznej tom 2, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2006 pod red. Lothara Kolditza, Chemia nieorganiczna cz. 1, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1994, s. 358-365, 413-417 pod red. Lothara Kolditza, Chemia nieorganiczna cz. 2, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1994, s. 789-794, 1004-1012 Tadeusz Penkala, Zarys krystalografii, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1977 s. 434-438 13

Slide 14

14