Рафинирование. Промышленная очистка металлов. Окислительное рафинирование. Окислительное рафинирование - самый распространенный способ очистки металлов от примесей.
Он применяется при получении Fe стали, Ni, Cu, Pb, Sn и т. д. Основная идея метода - окисление вредных и излишних примесей и перевод их в виде оксидов в оксидную или газовую фазу не растворяющуюся в металле.
При производстве стали оксидной фазой является шлак, при рафинировании меди - штейн сульфидный расплав. Окислителями при реализации процесса окислительного рафинирования явлются чаще всего газообразный кислород, реже диоксид углерода, пары воды, используются также конденсированные окислители. В широком смысле к окислительному рафинированию можно отнести и взаимодействие с рафинируемым металлом таких реагентом как Cl,F, S. При этом примеси в виде галогенидов или сульфидов отделяются и образуют самостоятельную фазу, например штейн. 2.2 Ликвационное рафинирование. Ликвация - нарушение однородности расплава, протекающее в жидком или затвердевающем металле. Гетерогенизация расплава обусловлена различием в характере и величине сил взаимодействия между частицами расплава.
При этом происходит обеднение компонентами одних участков объема расплава и обогащение других.
Причем чем больше интервал кристаллизации TL-TS, тем больше степень ликвации компонентов расплава. Такова картина ликвационных явлений в случае образования растворов между компонентами расплава. Различие в характере и величине сил межчастичного взаимодействия может приводить к отделению друг от друга больших объемов расплава. В этом случае происходит разделение по плотности фаз. В процессе кристаллизации слитка или непрерывно литой заготовки ликвация носит дендритный и зональный характер и является явлением нежелательным.
Дендритная ликвация проявляется в микрообъемах сплава, сравнимых с размерами зерен и устраняется высокотемпературным гомогенизирующим отжигом. Зональная ликвация проявляется во всем объеме слитка или заготовки и уменьшается при увеличении скорости охлождения расплава вследствие уменьшения сечения слитка, использования водоохлождаемых кристаллизаторов МНЛЗ и пр. Косвенно явление ликвации проявляется при реализации процессов окислительного рафинирования, раскисления и пр. 2.2.2 Термодинамика процесса образования новой фазы. где - плотность новой фазы m -мольная масса r - радиус зародыша - поверхностное натяжение расплава.
Очевидно, что знак может измениться только при определенном значении слагаемого V , так как слагаемое S всегда больше нуля. Графически зависимость f r представлена ниже следующим рисунком Совершенно ясно, что при r rкр, зародыши новой фазы - термодинамически устойчивые образования, причем rкр тем меньше, чем больше переохлождение расплава Т1 Т2 Т3 относительно температуры равновесного ликвидуса ТL. 2.2.3 Классификация способов ликвационного рафинирования. Ликвационным рафинированием очищают ряд цветных металлов Pb от Cu, Sn от Fe, Zn от Pb и Fe. Этот способ используется для извлечения Ag и Au из Pb и т.д. Ликвационные способы отличаются друг от друга температурными условиями их осуществления.
Они проводятся а при охлождении расплава и последующей выдержке при определенной температуре в этом случае из расплава выпадает фаза, обогащенная примесью б при нагреве твердого сплава до температуры, при которой происходит выплавление легкоплавкой фазы, богатой примесью в при постоянной температуре, при которой в расплав вводятся добавки, обладающие высоким химическим сродством к примеси и образующие с ней самостоятельную фазу. Возможность осуществления того или иного способа рафинирования определяется особенностями диаграм состояния рафинируемый металл - примесь. 2.3 Кристаллизационные методы рафинирования.
За последние 20-30 лет резко возросло потребление особо чистых металлов и полупроводниковых материалов для нужд атомной энергетики, ракетной и космической техники, радиоэлектроники и других отраслей народного хозяйства.
Для получения таких материалов широко используются так называемые кристаллизационные методы рафинирования. Как правило, они применяються на конечной стадии рафинирования с целью удаления из расплава очень малых количеств примесей 10-4-10-7 масс 3.