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