Металлотермия

Металлотермия — восстановление металлов из их соединений (оксидов и т. д.) более активными металлами: алюминием, кальцием, магнием и др. Металлотермические процессы протекают при повышенных температурах, с выделением теплоты. Впервые их изучил и подробно описал русский физико‑химик Н. Н. Бекетов в 1865 г. А начало применения металлотермии в промышленных масштабах относится к рубежу XIX–XX вв.

Металлотермические способы производства металлов более дороги, чем обычная углевосстановительная металлургия (карботермия). Поэтому они используются для получения лишь тех металлов и сплавов, восстановление которых углеродом или невозможно, или приводит к недопустимому загрязнению продукта углеродом и карбидами (соединениями углерода с металлами). Методами металлотермии получают титан в виде губки, другие чистые металлы, некоторые сплавы.

<addc>l</addc>

Выбор металла-восстановителя определяется многими условиями. Необходимо, чтобы он не образовывал с восстанавливаемым металлом сплавов и соединений, а избыток восстановителя и шлак легко отделялись от восстанавливаемого металла. Иначе чистого металла не получится. Кроме того, стоимость полученного продукта должна оправдывать расходы на восстановитель, особенно в случаях многотоннажного производства.

Из восстановителей, применяемых в металлургических процессах, кальций самый активный. Кальцийтермическое восстановление химически прочных оксидов TiO₂, ZrO₂, ThO₂ наиболее полно протекает при 1000–1100 °C. При этих температурах кальций интенсивно испаряется, поэтому восстановление производят в герметически закрытых стальных реакторах, заполненных аргоном.

Выбор соединения, из которого лучше восстанавливать металл, также очень важен. Дело в том, что оксиды некоторых металлов, например TiO₂, легко восстанавливаются только до низших оксидов (TiO), а не до свободного металла. Поэтому, в частности, титан чаще всего восстанавливают магнием из хлоридов — солей хлористоводородной, или соляной, кислоты HCl.

Существует несколько разновидностей металлотермических процессов. Внепечным процессом пользуются, если теплоты, выделяющейся во время реакции, достаточно для получения продуктов в жидком состоянии и удовлетворительного их разделения (а для этого нужны температуры 1750–2300 °C). Пример такого процесса — алюминотермия. При внепечных алюминотермических процессах развивается температура до 3000 °C. При очень большом тепловом эффекте реакция иногда протекает настолько бурно, что интенсивное выделение газов может выбросить часть шихты из реактора или даже разрушить его. В таких случаях в шихту вводят специальные добавки или применяют комплексные восстановители, обладающие меньшей активностью (например, сплавы Al—Si вместо чистого Al). Если же тепловой эффект реакции недостаточен, в шихту вводят подогревающие добавки, например CaSO₄, KClO₃, и другие реагенты с высоким содержанием кислорода или оксиды с меньшей теплотой образования, чем оксид восстанавливаемого металла.

В случаях, когда тепловой эффект металлотермической реакции не обеспечивает достижения достаточной температуры, процесс проводят в электропечи. Тогда его называют печным или электропечным.

Третья разновидность металлотермии — вакуумная — используется для выделения легкоиспаряющихся (летучих) металлов под вакуумом при температурах 800–1400 °C. Так, например, получают магний и некоторые его сплавы. При этом используют оксид магния MgO, а в качестве восстановителей — Al, Si, сплавы Al—Si, CaC₂. Проведение металлотермического восстановления в вакууме позволяет получать металлы без газообразных включений.