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鋁熱法

利用鋁單質(zhì)與其他某些金屬氧化物可以發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成金屬單質(zhì)與鋁的氧化物的原理,來制備某些金屬單質(zhì)或合金的方法。工業(yè)上常用鋁熱法生產(chǎn)鈦鐵、鉬鐵、鈮鐵、硼鐵、釩鐵、鎢鐵、金屬鉻、金屬錳以及鎳基、鈦基、鋁基等中間合金。
鋁熱法
定義
作還原劑生產(chǎn)鐵合金的方法。用鋁還原某些金屬氧化物所釋放出的化學(xué)反應(yīng)熱,就能完成氧化物還原反應(yīng)并得到分離好的合金與爐渣,而不需從外部補(bǔ)充熱量。鋁熱法與用硅鐵作還原劑的硅熱法同屬利用自熱反應(yīng)生產(chǎn)鐵合金的方法,稱金屬熱法,又稱爐外法。它們以鋁粒、硅鐵粉或鋁合金粉作還原劑。鋁熱法主要用來生產(chǎn)含有高熔點(diǎn)金屬與難還原元素的鐵合金、中間合金、鉻與錳等。產(chǎn)品特點(diǎn)是含碳量極低(一般<0.05%)。
優(yōu)點(diǎn)
鋁熱法生產(chǎn)設(shè)備簡單,占地面積小,生產(chǎn)規(guī)?筛鶕(jù)任務(wù)確定,產(chǎn)品品種較多,生產(chǎn)周期短等特點(diǎn)。
簡史
1859年俄國科學(xué)家別克托夫(H.H.BeKeTOBy)在《論若干還原現(xiàn)象》中提到"用鋁還原氧化鋇得到24%Ba和33%Ba的鋇鋁合金"。這是對鋁熱法試驗(yàn)的最早報(bào)告,但當(dāng)時(shí)在工業(yè)上沒有得到使用。1893年戈?duì)柕率┟滋?H.Goldschmidt)發(fā)現(xiàn)金屬氧化物的粉末和粉狀還原金屬(基本上是鋁)的混合料,點(diǎn)火引發(fā)反應(yīng)后,就能自動(dòng)繼續(xù)進(jìn)行,直至爐料反應(yīng)完畢。1898年戈?duì)柕率┟滋卦诘聡娀瘜W(xué)學(xué)會(huì)上做了關(guān)于金屬熱還原法的報(bào)告,人們才知道鋁熱法在工業(yè)生產(chǎn)上已取得良好效果,可以經(jīng)濟(jì)地、大批量地生產(chǎn)不含碳的鐵合金與純金屬。這一年應(yīng)該是鋁熱法用于工業(yè)生產(chǎn)的起點(diǎn)。工業(yè)上用鋁熱法生產(chǎn)的鐵合金主要有:鈦鐵、鉬鐵、鈮鐵、硼鐵、釩鐵、鎢鐵、金屬鉻、金屬錳以及基、鈦基、鋁基等中間合金。

中國以鋁熱法工業(yè)生產(chǎn)鐵合金是從1957年底吉林鐵合金廠生產(chǎn)鉬鐵開始的。

原理
鋁還原氧化物的反應(yīng)屬置換型化學(xué)反應(yīng),鋁熱還原反應(yīng)能否進(jìn)行,可以根據(jù)氧化物的相對穩(wěn)定性來判斷。而氧化物的穩(wěn)定性則根據(jù)氧化物生成自由能ΔF。=-kTlnpO2來判斷。與鐵合金生產(chǎn)有關(guān)的主要氧化物的生成ΔF。

所有氧化物都隨溫度的升高而更易分解,從而也更易還原。各種氧化物的氧勢差在高溫下變小。從圖1可以估計(jì)還原情況。在ΔF。-T圖中,位置低的元素可以還原位置較高的氧化物。兩條ΔF。-T線間的距離越大,則還原反應(yīng)產(chǎn)生的熱量愈多。鋁(或硅)熱還原反應(yīng)的先決條件是ΔF。≤0,即反應(yīng)自由能的負(fù)值越大,鋁熱還原反應(yīng)就越容易進(jìn)行。從ΔF。-T圖分析鋁(或硅)熱還原反應(yīng)時(shí),未考慮動(dòng)力學(xué)過程,所以這種判斷是定性的。所有的金屬熱還原反應(yīng)在較低溫度下的ΔF。比較高溫度下的ΔF。的負(fù)值大,因此在反應(yīng)能夠進(jìn)行的條件下,將反應(yīng)溫度盡可能控制在比較低的水平,這樣對還原反應(yīng)向右進(jìn)行有利。

鋁熱還原反應(yīng)有的可以把金屬全部從相關(guān)的氧化物中置換出來,如鐵、鎢、鉬等;而有的只能進(jìn)行到合金液與爐渣中的氧化物接近平衡,一部分氧化物留在爐渣中。有些氧化物在鋁熱還原過程中被還原成低價(jià)氧化物,如TiO2被還原成TiO,從酸性氧化物轉(zhuǎn)變?yōu)閴A性氧化物,與還原過程產(chǎn)生的AI2O3結(jié)合成鋁酸鹽而留在爐渣中,增加了鈦的損失。

減少方法
為了減少低價(jià)氧化物在爐渣中的損失:

1、是增加還原金屬的加入量,在還原劑過剩的條件下避免低價(jià)氧化物產(chǎn)生;

2、是添加堿性氧化物如CaO、MgO、BaO即可減少爐渣中TiO、MnO等的含量,提高金屬元素的回收率。堿性氧化物還可以降低爐渣的熔點(diǎn)和改進(jìn)爐渣的流動(dòng)性。氧化物與AI2O3組成的二元渣系的液相線變化見圖2。堿性氧化物添加的數(shù)量應(yīng)盡量少,以免增加渣量影響反應(yīng)過程。

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