1.2 Ұнтақты алудың физика химиялық әдістері

1.2.1 Тотықтар мен тұздарды қалпына келтіру. Жалпы жағдайлар. Ұнтақты металлургияда қалпына келтірудегеніміз металды алу үрдісін оның химиялық қосылысынан қалпына келтіруші деп аталатын кейбір зат көмегімен металл емес құрамдасын (оттегі, тұзды қалдықтар және басқа) айыру жолын ұғады. Қалпына келтірудің әрбір үрдісі біруақытта тотығу үрдісі болып табылады: бастапқы химиялық қосылыстан металл емес құрамдасын жоғалтады (қалпына келеді), қалпына келтіруші онымен әрекеттеседі (тотығады).

Жалпы жағдайда қалпына келтірудің қарапайым реакциясы

(1)

мұндағы Ме – алуға қаланатын кез келген металл;

А – МеА қалпына келтіретін қосылыстың металл емес

құрамдасы;

Х – қалпына келтіруші;

Q – реакцияның жылу эффекті.

Реакция барысында қалпына келтіретін металл және қалпына келтірушімен қосылысы пайда болу, сонымен қатар алынған металл Ме және пайда болған қалпына келтіруші ХА қосылысымен әрекеттесу нәтижесінде бастапқы қосылыс қайта пайда болуын Ме біруақытта болуын тілдер білдіреді. Қалпына келтіруші ретінде тек қана сол зат болалады, қайссы үрдістің берілген температурасы кезінде, неғұрлым осы қосылысқа кіретін металл МеА қосылыстын металлемес құрамдасына үлкен химиялық ұқсастығына ие болады.

Қалпына келтірушілер. Қалпына келтіруші Н₂, СО және Н₂ мен СО бірге (генераторлы, табиғи, конвертерленген, сулы, коксты, домналы), кейбір диссоциацияланған газдар, мысалы, аммиак, қатты көміртек (күйе, кокс, термоштыб және т.б.) және металдар (Са, Na, Mg) немесе олардың қосылыстары (карбид немесе кальций гидриды).

Сутегі Н. Табиғатта ең кең тараған және қарапайым элементтерінің бірі. Сутегі су (11% шамасында), мұнай, табиғи жанар газдардың, өсімдік және жануар организмдар құрамына кіреді. Оның саны жер шардың жалпы массасынан 1% шамасында болады. Бірақ біздін планетада сутегі еркін күйінде кездеспейді, осыған байланысты оны өнеркәсіптік алуыдың тиімді тәсілдері үлкен мағынаға ие болады. Таза сутегінің маңызды көзі ретінде су қызмет атқарады, оның коры таусылмайды деп саналады.

Ұнтақты металлургия кәсіпорындары меншікті сутегі станцияларында алынатын сутегімен қолданылады немесе сыйымдылығы 6 м³, 15 МПа дейін қысылған газ баллондарымен пайдалану орнына дейін жеткізіліп пайданылады.

Сутегінің жоғарғы құны қалпына келтіру мақсаттары үшін оны пайдалануын маңызды шектейді.

Көміртек тотығы СО. Техникалық көміртек тотығын оттегі үтлеу қолдануымен аз күкіртікоксты немесе ағаш көмірді газификациялау жолымен алынады.

Бірнеше өндірістін қалдығы болып табылатын өнеркәсіптік газдарын химиялық қосылыстарды қалпына келтіру мақсаттары үшін қолдануы перспективтік мүмкіндік болады.

Диссоцияланған аммиак. Ол сутегінің жақсы алмастырушысы болып табылады. Азот–сутекті қоспаса газ тәрізді аммиактан ыдырату жолымен алынады. Аммиакпен жұмыс істеу кезінде қауіпсіздік өлшемдерін сақтау қажет: сынап монометрлерді немесе қақпақтар мен қолданбайды (аммиак сынаппен бірге жарылыс қоспасын жасайды).

Co, Fe, Ni, W ұнтақтарын өндеу кезінде қалпына келтіргіш ретінде диссоцияланған аммиак пайдалынады.

Конвертерленген табиғи газ. Табиғи газдың негізгі құрамдасы метан (СН₄) болып табылады, табиғи газда әдетте 93–98% метан болады (қалғаны – азот, СО₂ (углерод тотығы), әртүрлі көмірсутектер, күкіртті газдар).

1 – кесекті катализатор; 2 – карбофраксты реактор; 3 – өзекше, оның кеуектрінде никель жайғастырлған

1 Сурет – Конвертерлерген табиғи газды алу үшін пайданылатын пеш

Конверсия үрдісі 900–1100°С кезінде және катализатор қатысуымен метан мен су буымен әрекеттесуінде реакция бойынша негізделеді

, (2)

яғни табиғи газдың 1м³ ден 4м³ газ-қалпына келтіруші алынады.

Конвертерленген табиғи газ 8–10 есе сутегіден арзан және оның сапасына тәуелді темір ұнтағын немесе аз, орташа және легерленген болаттар, темір-мысты, темір-никельді, темір-вольфрамды, вольфрам-никельді және, темір-мыс-никельді қорытпалар ұнтақтарын өңдеу кезінде тотықты қалпына келтіру үшін пайдалынады.

Эндотермиялық және т.б. газдар. Сутекпен салыстырғанда олардың қалпына келтіру қабілеті төмен, бірақ сутегіден 20 есе арзан. Эндогаз табиғи немесе басқа көмір сутекті газдарға маңызды жеткіліксіз шарттарда жандыру жолымен алынады. Табиғи газдан алынатын эндогаздың құрамы: 18–20% СО, 38–40% Н₂, СО 1% жоғары емес және 1% CH₄ (қалғаны N₂). Эндогаз қалдануымен темір, аз– және орташа көміртекті болаттардың ұнтақтары өндіріледі.

Генераторлы және су газдары. Көміртекті болаттардың ұнтақтарын өңдеу кезінде қалпына келтіруші ретінде пайдаланылады. Осы газдар қыздырылған ағаш немесе тас көмірлерімен, коксты ауамен немесе су буларымен әрекеттесу кезінде пайда болады.

1 – камера; 2 – тоңазытқыш; 3 – ротаметр; 5 – қақпақша; 6 – газогенератор; 7 – құбырлы сулы тоңазытқыш; 8 – газ үрлегіш; 9 – жапқыш; 10 – гидросұқпа; 11 – қысым өлшегіш

2 Сурет – Эндогаз даярлау үшін қолданылатын құрылғысының технологиялық сұлбасы

Дамыған металлургиялық өнеркәсіптерінде қалпына келтіру үрдістері үшін домналы немесе коксты өңдірістік газдарын пайдалану мүмкін. Олар қатты қалпына келтірушілер ретінде пайдаланбайды, бірақ олар арзан, сонымен байланысты оларды қолдану экономикалық тиімді деп санайды.

Кокс, термоштыб және ағаш көмірі. Мұнай мен өның өнімдерін, көмірді кокстау жолымен алынатын кокс күшті қалпына келтіруші болып табылады, өйткені бастапқы шикіқұрамға және оның өңдеу әдістеріне байланысты құрамында көмірсутекті түрінде 3% дейін Н₂ және 93–98% С болады. Осыдан басқа кокс құрамына қажетсіз қоспалар кіреді 2–4% S және 0,5–1% күл.

Термоштыб дегеніміз бұл термоантрацитті өңдеу кезіндегі пайда болатын ұсақ қалдықтар. Құрамына 6–11% күл, 3–3,5% дейін S, 5–6% ұшпалы заттар, 0,5% дейін ылғал (термоштыбты құрғаталғаннан кейін) болады.

Күйе. Қалпына келтіруші ретінде шамды немесе газды күйе пайданылады, ол толықсыз жану немесе көмірсутектердің термиялық ыдырау өңімдері болып табылады. Күйе өте жұқа таза қара ұнтақ. Көміртектің жоғары дисперстік бөлшектерінен тұрады.

Металдар. Химиялық қосылыстарды металдармен қалпына келтіру металлотермия деп аталады, ол үрдіс – металлотермиялық қалпына келтіру.

Са, Мg, Al, Na, Zr, Be реакциялары арқылы өткізілетін металлотермиялық қалпына келтіру үрдісін кальциетермиялық, магниетермиялық, алюмотермиялық және т.с.с. деп атайды.

Металлотермиялық қалпына келтіру реакциялары негізінде экзотермиялық, яғни жылу бөлуімен өтеді.

2 Кесте – Металл-қалпына келтіруші және олардың қосылыстардың балқу (алымы) және қайнау (бөлімі) темпаратуралары, °С

Элемент	Металл	Оксид1	Хлорид	Фторид
1	2	3	4	5
Na	97,7/914	1000	800/1465	992/1704
Ca	851/1480	2570	782/2027	1418/2507
Mg	650/1126	2800	714/1418	1262/2227
Al	659/2330	2045	192,4/447	1040/1272
1 Тек қана балқу температурасы келтірілген

Қалпына келтірілген ұнтақтардың технологиясы. Қалпына келтірушілердің саны көп болғандықтан металл ұнтақтарды әртүрлі әдістерімен алу мүмкіндігі болады.

Темір. Темір ұнтақтарын дайындау үшін шикізат ретінді тотыққан кендер және илемделген отқабыршақтар пайдаланылады. Химиялық таза темір тотықтары өнеркәсіптік өндірістің тәжірибесінде өте сирек пайдаланылады, тек қана кейбір арнайы материалдарды алу үшін, өйткені осы жағдайда темір ұнтақ өте қымбат. (мысалы, W–Ni–Fe ауыр қорытпаны алу үшін).

Темір кендерге қалпына келдіру алдында гравитациялық және магниттік байтуы өткізіледі, бұл SiO₂, Al₂O₃ айыруына мүмкіндік береді.

Кен концентраттары отқабыршақтарындағы ерітілмейтін қалдықтардың мөлшері бойынша, олардың құрамына кремнезем, кальций және магний тотықтары кіреді, содан басқа кен концентраттары отқабыршақтардан қымбат, бірақ концентраттарда күкірт пен марганец тотығы мөлшері аз болады. Отқабыршақ қайнатылған көміртекті болаттарды илемдеу кезінде пайда болады және (70–75% темірден құрастырылған) оның көптеген бөлігі тотық түрінде болатын. Металлургиялық зауыттардың илемдеу цехтарында (отқабыршақ) жиналады, оның химиялық құрамы ол тиехнологиялық үрдістің қай операциясында өңдеуіне байланысты.

Легерленген болаттардың отқабыршағы темір ұнтақтарын өңдеу үшін жарамсыз, өйткені олардың құрамында химиялық берік хром, ванадий, марганец және басқа металдар тотықтардың мөлшері көп, оларды қалпына келтіру қиын.

Ұнтақты алу үшін бастапқы материалдарда темір тотық түрінде болады: Fe₂O₃ – гематит, Fe₃O₄ – магнетит және FeO – вюстит.

Темір тотықтарын қалпына келтіру әдістерін қолданылатын қалпына келтіргіші бар агрегаттары бойынша, шикіқұрамы мен оның қалпына келтіру зонасына әперу әдісі бойынша, газ – қалпына келтіргіштің қысымы мен үрдістің температурасы бойынша топтастырады.

Мыс, никель, кобальт. Бұл металдар өттегімен аз ұқсастығына ие болады, осыған байланысты олардың тотықтары Cu₂O, CuO, NiO, Co₂O₃, Co₃O₄ жеңіл қалпына келтіріледі. Шикізат ретінде көсетілген таза химиялық қосылыстар қызмет атқарады немесе сымды, қаңылтырды және сол сияқты өнімдерді илемдеу кезіндегі отқабыршақтар.

Қалпына келтіруді муфельді немесе құбырлы пештерде сутегімен, диссоцияланған аммиакпен немесе ковертерленген табиғи газбен өткізеді.

Қалпына келтіру температурасы салыстырмалы төмен: 400–500°С (Cu); 700–750°С (Ni) және 520–570°С (Co). Қалпына келтіру үрдістің ұзақтылығы бастапқы материалдың тұрақты қабатының қалыңдығына, газ – қалпына келтіруші ағының жылдамдылығына, (пеш арқылы өтуін) материалдық жылдамдығына, температураға және т.б. факторларға тәуелді. Ұзақтығы 1–3 сағат.

Қалпына келтіруден кейін пайда болған кемік ұнтаққа жеңіл үгітіледі. Көрсетілген температурадан жоғары температураларды қолдану қажетсіз; ал кейде қалпына келтіру өнімдері өтен қатты күйежентелуден мүмкін емес, бұл оның кейінгі ұсақтауын қиындатады.

Қазіргі уақытта Ni, Cu және Co ұнтақтарын су ерітінділерінде олардың ерітілген қосылыстарын сутегімен қысым арқылы қалпына келтіру өндірісі кең тараған. Бастапқы шикізат ретінде кен концентраттары немесе металл өңдеудің қалдықтары қызмет атқарады. Алынатын металл ұнтақтардың өзіндік құны төмен, ал сапасы өте жоғары.

Қиын балқитын металдар: вольфрам, молибден, цирконий, тантал және ниобий, легірленген болаттар және қорытпалар.

1.2.2 Электролиз. Ұнтақтардың электролиттік алуы металдың су ерітінділерін немесе оның балқытылған тұздары арқылы тұрақты электр тоғын откізу кезінде ыдырауында негізделеді. Катодта металдың сәйкесінше иондарының сиректетуі:

. (3)

Электролиз кезінде қолданылатын тұздар мен қышқыл ерітінділерін электролит деп атайды, олар өткізушілердің екінші тобына жатады, оларда электрлендіруі көрсетілген химиялық қосылыстардың молекулалар диссоциациясы арқылы пайда болатын оң және теріс иондардың қозғалысымен өткізіледі.