Giáo trình Lý thuyết các quá trình luyện kim - Chương 3

3-7- Hoàn nguyên bằng phương pháp nhiệt kim 3.7.1. Khái niệm chung Phương pháp hoàn nguyên nhiệt kim. được ứng dụng rộng rãi để sản xuất những kim loại và hợp kim không chứa cacbon, đặc điểm chủ yếu của phương pháp này là: - Về thực chất nó là một quá trình hỏa luyện và cũng dựa trên lí thuyết chung của quá trình hoàn nguyên. - Quá trình nhiệt kim thường tỏa nhiệt và lượng nhiệt tỏa ra rất lớn, nhiều khi đủ để tự duy trì quá trình. Ví dụ khi dùng Al làm chất hoàn nguyên...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Giáo trình Lý thuyết các quá trình luyện kim - Chương 33 -7- Hoàn nguyên bằng phương pháp nhiệt kim3.7.1. Khái niệm chung Phương pháp hoàn nguyên nhiệt kim. đ ược ứng dụng rộng rãi đ ể sản xuất những kim loại vàhợp kim không chứa cacbon, đặc điểm chủ yếu của phương pháp này là: - Về thực chất nó là một quá trình hỏa luyện và cũng dựa trên lí thuyết chung của quá trìnhhoàn nguyên. - Quá trình nhiệt kim thường tỏa nhiệt và lượng nhiệt tỏa ra rất lớn, nhiều khi đủ để tự duytrì quá trình. Ví dụ khi dùng Al làm chất hoàn nguyên có thể lợi dụng nhiệt phát ra của phản ứng. 3 0 O2  Al2 O3  H 248  1670 KJ / molO2 2 Al  2 Nếu so sánh với phản ứng cháy cacbon: 0  H 248  394 KJ / molO2 C + O2 = CO2 Ta thấy lượng nhiệt phát ra của phản ứng cháy Al gấp 4 lần lượng nhiệt phát ra của phảnứng cháy C. - Do dùng kim lo ại làm chất ho àn nguyên và không dùng cacbon (hoặc hợp chất chứa C)làm nhiên liệu nên sản phẩm không bị cacbon hóa và tránh được tác dụng của hơi kim loại với khíCO (trong sản xuất kim loại kiềm thổ, nhiệt độ quá trình lớn hơn nhiệt độ sôi của kim loại, nên kimloại sinh ra d ưới dạng hơi). - Quá trình nhiệt kim có thể tiến hành trong lò luyện kim như lò đ iện hoặc tiến hành ở ngoàilò b ằng các thiết bị đặc biệt. Hoàn nguyên nhiệt kim của một số kim loại nào đấy có thể thực hiện được nhờ một kim loạikhác khó hoàn nguyên hơn vì thế thường là kim lo ại quý, đắt, do đó giá thành sàn phẩm cao. Vìnguyên nhân này mà phương pháp nhiệt kim ít được ứng dụng, nó chỉ dùng đ ể luyện một số kimloại khó ho àn nguyên và không chứa cacbon như Cr, Mn, W, Mo, Zb, Ti v.v.. Cũng có khi đ ùng đểsản xuất Fe không chứa cacbon từ quặng.3.7.2. Cơ sở lí luận Trong phương pháp nhiệt kim, chất ho àn nguyên là các kim loại khác hoặc hợp kim củachúng. Như vậy vấn đề đặt ra là đ ối với từng công nghệ cụ thể ta phải chọn cho được chất hoànnguyên. Mu ốn vậy phải dựa vào khả năng và m ức độ hoàn nguyên của các kim loại. Khi đã xácđ ịnh đ ược chất hoàn nguyên rồi ta cần phải tính đến hiệu ứng nhiệt của phản ứng, từ đó xác địnhp hối liệu và nguồn nhiệt bên ngoài đưa vào để duy trì phản ứng nung nóng mẻ liệu và nấu chảychúng. Nghĩa là khi khảo sát một quá trình nhiệt kim cụ thể chúng ta phải xét đến các điều kiệnnhiệt động học và nhiệt học (cân bằng nhiệt) của các quá trình.1. Điều kiện về nhiệt học Phản ứng tổng quát mô tả qúa trình nhiệt kim Me1O + Me2 = Me1 + Me2O Như phần lí luận chung đ ã nêu, để phản ứng nhiệt kim xảy ra theo chiều thuận thì ái lực hóahọc của chất hoàn nguyên Me2 với oxy phải lớn hơn kim lo ại Me1 của oxit kim loại với oxy – Tứclà: 0 0  GMe2O  G Me1O Trong thực tế khi chọn chất ho àn nguyên cho một kim loại nào đó ta phải dựa vào đồ thịElingam biểu diễn quan hệ giữa G0 = f(T) của các phản ứng tạo thành các oxit kim lo ại (hình 2 -1). Trên đồ thị ta thấy những kim loại nào có đường G0 = f(T) nằm dưới thì đ ều có thể ho ànnguyên được các kim loại có đ ường G0 nằm trên nó. Ví dụ, có thể d ùng Al làm chất hoàn nguyêncho các kim loại Mn, Ni, Cu...v.v.. Tất cả các quy luật được nêu trên giản đồ G0 = f(T) là xét đốivới oxit ở dạng nguyên chất, không hình thành dung d ịch. Nhưng trong thực tế của quá trình nhiệtkim các chất phản ứng có thể thay đổi tính chất nhiệt động của nó do sự biến đổi phụ như: Sự nóngchảy, sự bay hơi, sự hòa tan lẫn nhau, để tạo thành dung dịch…v.v.. cho nên vị trí của đường G0 =f(T) có sự thay đ ổi. Vậy cần đánh giá toàn diện các ảnh hưởng trên tới nhiệt động của các oxit kimloại, từ đó rút ra kết luận chính xác về khả năng xảy ra các phản ứng hoàn nguyên. Xuất phát từ yêucầu đó người ta đã nêu lên giá trị về thế hóa oxy của oxit kim loại kí hiệu O. Thế hóa oxy của oxit đ ược biểu diễn: a[2Me ] O   G  O  G  RT ln (3-42) MeO a[2MeO ] Trong đó: GOMeO – là biến thiên thế đẳng áp khi không có ảnh hưởng trên   G - Đặctrưng cho sự biến đổi pha. Điều kiện tiến hành quá trình nhiệt kim loại đối với các oxit kim loại xét theo thế hóa oxycũng tương tự như khi xét với biến thiên thể đẳng áp.  o ( Me2O )   O ( Me1O )Vậy: a(2Me1 ) a(2Me2 ) O 0   G( Me1 ,Me1 ...