Алюмінотермія
Алюмінотермі́я — спосіб відновлення металів з їх оксидів за допомогою алюмінію.
Цей спосіб був відкритий професором Харківського університету М. М. Бекетовим в середині XIX ст. При взаємодії алюмінію з оксидами металів виділяється багато тепла, внаслідок чого температура суміші-реагенту сягає 3000 °С. При такій температурі плавиться не тільки метал, що отримується, а й оксид алюмінію, що утворюється в результаті реакції. Алюмінотермічним способом одержують у вільному стані такі метали, як хром, ванадій, манган і інші.
Суміш магнітного залізняку Fe3O4 з порошком алюмінію називають термітною сумішшю (термітом). Реакцію горіння терміту можна зобразити таким рівнянням:
- 3Fe3O4 + 8Al → 4Al2O3 + 9Fe
Терміт застосовують при термітному зварюванні металевих виробів, а також для інших цілей.
Алюмінотермічне відновлення оксидів металів відбувається за реакцією :
2/у МеxОy + 4/3 Аl = 2x/y Me + 2/3 Аl2O3
і супроводжується значною зміною енергії Гіббса, тому перебіг процесу здійснюється з високим корисним вилученням ведучого елемента.
До особливостей алюмінотермічного процесу належать: виділення значної кількості теплоти завдяки перебігу реакції відновлення і можливість проведення процесів без підведення тепла ззовні. При цьому досягають дуже високої температури (2100—2500 °С), що забезпечує отримання шлаку й металу з температурою, що перевищує початок кристалізації, оптимальний поділ металевої і шлакової фаз, високу швидкість відновного процесу.
Основною умовою проведення алюмінотермічної плавки без підведення теплоти ззовні є рівність або перевищення теплового ефекту відновлення Qe над кількістю теплоти Qp, яку потрібно для розплавлення продуктів реакції і нагрівання розплаву до температури, що забезпечує досить повний поділ металевої і шлакової фаз, а також для компенсації теплових втрат Qn, тобто Qe ≥ Qn.
Залежно від кількості теплоти Qe, що виділяється внаслідок екзотермічних реакцій відновлення, алюмінотермічні процеси поділяють на три групи:
- 1) реакції, які відбуваються мимовільно Qe ≥ Qp + Qn;
- 2) реакції, які потребують компенсації теплових втрат;
- 3) реакції, які потребують введення значної кількості теплоти ззовні.
Алюмінотермічний позапічний процес першої групи можна вести двома способами — у тиглі (горні) із верхнім або із нижнім запалюванням шихти.
Позапічна плавка в тиглі з верхнім запалюванням шихти найпростіша щодо апаратурного оформлення; при цьому спостерігається незначне винесення шихтових матеріалів, оскільки процес плавки починається у верхній частині тиглю, а тверда і порошкоподібна шихта знаходяться під шаром розплаву.
До переваг алюмінотермічних процесів належать такі: можливість відновлення широкої гами елементів з хімічною спорідненістю до кисню менше, ніж алюміній; відновлення оксидів та отримання сплавів і технічно чистих металів з низькою концентрацією вуглецю і домішок кольорових металів; простота апаратурного оформлення процесу та невеликі капітальні витрати; використання високоглиноземистих шлаків для отримання синтетичних шлаків, а також клінкеру високоглиноземистого цементу; можливість використання у шихті значної кількості металевих відходів металів і сплавів (металотермічний переплав); простота отримання, збереження і застосування алюмінієвого порошку порівняно із порошками кальцію або магнію.
До недоліків алюмінію як відновника належать: висока вартість і дефіцитність алюмінію; можливість утворення нижчих оксидів ведучих металів, зменшення термодинамічної ймовірності відновлення оксидів та вилучення металів із шихти; утворення високоглиноземистого шлаку з високою в'язкістю, що зумовлює втрати відновленого металу у вигляді корольків.
- ДСТУ 3753-98 (ГОСТ 295-98) Алюміній для розкислення, виробництва феросплавів та алюмінотермії. Технічні умови.
- Лякишев Н. П., Плинер Ю. Л., Игнатенко Г. Ф., Лаппо С. И. Алюминотермия. М.: Металлургия, 1978. — 424 с.
- Паньков И. А. Разработка технологии получения лигатуры Al-Nb-Si дуплекс-процессом [Архівовано 23 вересня 2015 у Wayback Machine.] Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. — Екатеринбург, 2010.