Przykłady hutniczych

Przykłady hutniczych

metod otrzymywania

metod otrzymywania

metali

metali

2

Plan prezentacji:

1. Otrzymywanie żelaza metodą wielkopiecową.

2. Otrzymywanie krzemu - rozkład termiczny

SiH

4

.

.

3. Metoda Czochralskiego.

4. Metoda topienia strefowego.

5.Aluminotermia, glin jako reduktor.

6. Zastosowanie aluminotermii.

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 Fe

3

O

4

, hematyt -Fe

2

O

3

,

limonit (mieszanina minerałów, głównie
getytu – FeO·OH) i syderyt FeCO

3

.

Piryt, FeS

2

, przerabia się głównie na

kwas siarkowy.

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 SiO

2

,

używa się topników zasadowych, najczęściej wapna palonego. Jeżeli
natomiast zanieczyszczenia mają charakter zasadowy (wapień, dolomit)
używa się topników kwasowych (gliny, skaleni).

5

Powietrze potrzebne do spalania koksu
wdmuchiwane jest przez dysze
umieszczone u dołu pieca. Zostaje ono
uprzednio podgrzane do temperatury
około 900

o

C 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 CO

2

. 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

o

C, następuje

osuszanie i

odwadnianie wsadu. Redukcja rozpoczyna się w temperaturze około 500

o

C 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 (CO

2

+C2CO) jest przesunięta w stronę CO

2

, 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

o

C.

6

Zawartość krzemu w
zewnętrznych strefach Ziemi
wynosi 26,95% wagowo. Jest
drugim po tlenie najbardziej
rozpowszechnionym
pierwiastkiem. Krzemionka SiO

2

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.

Występowanie krzemu w przyrodzie

7

Otrzymywanie krzemu - rozkład

termiczny SiH

4

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

o

C.

Rozkład termiczny SiH

4

prowadzi do uzyskania polikrystalicznego lub

sproszkowanego mikrokrystalicznego krzemu.

SiH

4

= Si + 2H

2

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.

8

surowy krzem

surowy SiH

4

destylacja SiH

4

wydzielanie z fazy

gazowej

(domieszkowanie)

topienie strefowe

(domieszkowanie)

krzem

półprzewodniko

wy

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

o

C w specjalnej aparaturze.

Zmniejszenie zawartości szkodliwych dodatków
osiąga się przez beztyglowe topienie strefowe w
wysokiej próżni. Taki sposób oczyszczania jest
konieczny gdyż krzem w swej stosunkowo
wysokiej temperaturze topnienia (1423

o

C)

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.

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.

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.

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

o

C. Al

2

O

3

wypływa na powierzchnię metalu,

zabezpieczając go przed utlenieniem. Opisaną metodą otrzymuje się np.
chrom z tlenku chromu (III):

2Al + Cr

2

O

3

2Cr + Al

2

O

3

H= - 455 kJ/mol

W spawaniu aluminotermicznym stosuje się mieszaninę FeO, Fe

2

O

3

albo

Fe

3

O

4

i granulowanego aluminium do spawania części żelaznych.

Uwolnione ciepło reakcji powoduje stopienie i rozżarzenie do białości
wydzielonego żelaza (temp. do 2400

o

C), które tworzy spoinę. Gromadzący

się bardzo twardy żużel stopionego Al

2

O

3

, tzw. sztuczny korund, znajduje

zastosowanie jako materiał ścierny i do wyrobu tygli ogniotrwałych.

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.

 

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

14