Получение ферровольфрама из вольфрамитового концентрата алюминотермическим способом

t = , (10)

где ∆Н₁ – теплота образования восстановления оксида, Дж/г-экв;

∆Н₂ – теплота образования оксида металла-восстановителя, Дж/г-экв;
Э₁ и Э₂ – эквивалентные массы восстанавливаемого оксида и металла-восстановителя соответственно;
К – коэффициент, который для алюминотермических реакций принимается равным 3,15.
Используя тепловой баланс величины плавки, по формуле (11) проводят расчет максимальной температуры алюминотермического процесса восстановления оксидов [20,21]:


T_max = (Q - Q₁ + C_{p Ме}Т_{пл Ме} + С_{р МеО}Т_{пл МеО}) / (С_{р Ме} + С_{р МеО}) (11)

где Q – удельный тепловой эффект данной реакции;

Q₁ – соответствует сумме изменений энтальпий продуктов реакции до температуры плавления;
Ме, МеО – продукты реакции;
Т_пл – температура плавления;
С_р – теплоемкость продуктов реакции.
Выведена эмпирическая зависимость для определения температуры реакции, используя расчеты по этому уравнению для алюминотермического восстановления ряда оксидов (12):


Т_max = 730 +22,4 δΗ′, (12)

где δΗ′ - количество тепла данной реакции, кДж/г-атом.

Тепла, выделяющегося в ходе протекания основной реакции восстановления оксида, обычно недостаточно для нормального протекания процесса, полного разделения металла и шлака (получение титана, хрома). Поэтому при проведении внепечной выплавки часто используются добавки в шихту оксидов и других многих соединений (термитные добавки), которые при взаимодействии с алюминием дают значительно большую удельную теплоту процесса, чем основной восстанавливаемый оксид [23].

Повышение расхода восстановителя, увеличение количества шлака - все это является существенными недостатками термитных добавок.
По сравнению с применением термитных добавок наиболее эффективным является предварительный нагрев шихтовых материалов.
Температуру процесса необходимо выбрать так, чтобы она обязательно превышала температуру плавления шлака на 300-400 ⁰С. Значение температуры внепечного процесса необходимо принимать максимально возможное, потому что повышение температуры этого процесса может привести к снижению восстанавливаемости оксидов и повышенному испарению элементов во время плавки, а также это повышение связано с дополнительными затратами [10].
На скорость алюминотермического процесса влияют большое количество факторов. Прежде всего, скорость процесса зависит от теплохимических параметров данной реакционной массы, тепловых условий протекания и механизма алюминотермической реакции.
В конденсированных фазах для оценки скорости процессов используют ниже перечисленные выражения [24]:
а) линейная скорость горения определяется по высоте столба прореагировавшего расплава h:


v_h = (см/сек); (13)

б) объемная скорость горения определяется:

v_s = V_n S = (см³/сек), (14)

где S – поверхность протекания реакции;

в) массу прореагировавших веществ можно определить из соотношения:


v_m = v_s d = = (г/сек), (15)

где d – плотность всех шихтовых материалов.

В зависимости от физико-химических свойств шихтовых материалов и продуктов плавки скорость проплавления шихты должна находиться в пределах от 100 до 400 кг/м²∙мин. Это условие необходимо для нормального протекания промышленной внепечной плавки алюминотермических ферросплавов и лигатур.
Возникновение металлической фазы в виде дисперсных капель - специфическая особенность алюминотермического процесса. Благодаря этому свойству слиток алюминотермического сплава формируется в результате осаждения частиц восстанавливаемого металла через толщину расплава. От размера, плотности и вязкости металлической фазы жидкой металлической капли зависит скорость ее движения через расплавленный шлак. Поверхностные свойства металла определяют продолжительность разделения продуктов реакции.
Жидкая металлическая капля опускается под действием силы тяжести в расплавленном шлаке. Эта капля движется в начале пути ускорено до тех пор пока в связи с увеличением сопротивления вязкой среды, пропорциональной скорости падения, рост скорости капли не прекратится, дальнейшее ее движение становится равномерным с постоянной скоростью v_р [15]. Радиус образовавшейся капли влияет на движение жидкой капли в расплаве.
Так как шихта состоит из порошкообразных компонентов, то в результате протекания алюминотермической реакции будут образованы мелкие капли металла. Эти капли, опускаясь через расплавленный шлак, застывают на подине горна в виде металлического слитка.
По реакциям (16) и (17) может быть получен ферровольфрам алюминотермическим способом: