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收藏词条   编辑词条 还原剂

创建时间:2008-08-02

使金属化合物得到电子还原为金属,或使高价化合物得到电子还原成低价化合物的冶金过程,称作还原过程。在还原过程中能自身失去电子而使另一物质得到电子的物质称为还原剂。有色金属矿在自然界中大多以硫化矿或氧化矿形态存在,金属硫化矿在冶金过程中经过焙烧或烧结焙烧等处理转变成了氧化物后,也可用还原剂将金属氧化物还原成金属。还原金属氧化物是有色金属生产普遍采用的方法,因此还原剂选择好坏在有色金属生产中具有特殊意义。

种类

有固体、气体和液体还原剂。固体还原剂主要有碳质还原剂煤和焦炭以及一些活性金属钙、镁、铝和半金属硅等。气体还原剂主要有H2、CO和天然气。液体还原剂主要有重油。在实际的冶金过程中,用得较多的还原剂有碳(C)、一氧化碳(见间接还原)、氢以及用于金属热还原的钙、镁、铝等金属。

选择原则

一种物质能否被选作某种金属氧化物还原剂的必要条件是,这种物质对氧的亲和势必须大于被还原金属对氧的亲和势。利用金属氧化物ΔGeθ-T图就能比较各种物质对氧的亲和势:曲线越是位于图上方的物质,对氧的亲和势越小;反之是越大。因此可以用曲线位于图下方的物质作为还原剂将曲线位于图上方的金属氧化物还原成金属。在为一种特定矿石或氧化物选择一种还原剂时,总是希望还原反应的标准自由能变化是一个大的负值。这个值可依据反应物和产物的生成自由能中计算出来。在常用还原剂的钙、镁、硅、碳、氢中,钙在温度达到约2373K时具有最大的还原势,镁在低温下具有与钙接近的还原势。然而,钙、镁的还原势在高温下由于它们的低沸点而失效。在全部还原温度范围内,铝的还原势通常比硅强,并在约1873K胜过镁。碳在低温下是一种相当弱的还原剂,但随着温度的增加而有所改善。在还原反应开始时,必须供给热量,如果反应热大,放出足够的热量,反应本身应能持续进行。钙、镁、铝还原一般放出足够的热量,以致不必供给外热。相反,硅、碳和氢的还原通常是在连续供应外热的情况下进行的。根据还原反应的自由能变化,氢似乎很少有被选中的机会,然而情况并非如此,由于氢不污染钨产品而被选用来还原三氧化钨生产金属钨粉。应该考虑的其他因素有元素的高沸点,其化合物的低沸点,原料价格和来源,以及对被还原金属的污染等。常用还原剂价格递减顺序大致为:钙>镁>铝>硅>氢>碳。

固体碳质还原剂

由于这种还原剂价廉及使用方便,是还原冶金过程使用最多的还原剂,包括各种煤、焦炭和木炭。这种还原剂的组成主要包括固定碳(C)、挥发物(主要为碳氢化合物)及灰分。对固体碳质还原剂的要求是含固定碳高,含灰分少,以提高还原剂的有效成分,减少渣量和降低随渣损失的金属量。

木炭的固定碳含量高,灰分含量很少,反应能力强,但来源困难、价格高,只是那些对还原剂要求高的冶金过程才可能选用,在大工业生产中几乎不用。

焦炭成块状,含固定碳高,挥发物少,机械强度大,适于作竖形炉用的还原剂。焦炭来源受当地煤资源的限制,故价格也较贵,尽量少用。

白煤(无烟煤)、烟煤及褐煤等各种煤均可作还原剂,而以白煤最好,因为白煤含挥发物少含固定碳较高。煤的来源广泛,价格便宜,在不影响冶金过程顺利进行的条件下,尽量采用煤作还原剂。

在高温火法冶金过程中采用固体碳质还原剂时,它往往又是维持炉内高温的热量来源,如鼓风炉还原熔炼法炼铅和鼓风炉炼锌都是如此。所以固体碳在高温冶金还原过程中发生的主要反应有二:

C(s)+O2(g)=CO2(g)  (1)        CO2+C(s)一2CO(g)(2)反应(1)称为碳的完全燃烧反应,可以放出大量的热,借以维持高温过程的正常进行。

由于固体碳与固体金属氧化物的接触有限,使两固相间的还原反应受到很大的制约,因此用固体碳作还原剂时,MeO还原所需的还原剂主要靠反应(2)产生的CO。但是反应(2)是一个吸热反应,其进行必然减少碳的燃烧发热值。所以在高温还原冶金过程中,加入的碳既作还原剂用又作发热剂,必须两者兼顾。

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