Получение ферровольфрама из вольфрамитового концентрата алюминотермическим способом

2/m Me_nO_m= 2 n/m Me + O₂, (3)
константа равновесия данной реакции равна:


. (4)
где K_p - константа равновесия;
- давление кислорода;
Me - металл.

Если решить уравнение относительно давления кислорода , то уравнение (4) будет иметь вид:

(5)

Термодинамически более уместным является восстановление оксидов с максимальным , когда восстанавливают несколько оксидов алюминием.

В соответствии с уравнением (5): по мере протекания восстановительных реакций концентрация Ме_nO_m уменьшается, а концентрация металла растет, что приводит к уменьшению .
Обе реакции восстановления будут иметь равную термодинамическую вероятность в связи с тем, что уменьшение величины , в ходе восстановительных процессов может привести к тому, что прочность оксида, имеющего в чистом виде большее сродство к кислороду.
Из этого следует, что восстанавливаемость оксидов зависит как и от их прочности, определяемой величиной изобарного потенциала по уравнению(2), так и от их концентраций в расплаве. В ходе реакции тепла, выделяемого при алюминотермическом восстановлении триоксида вольфрама, достаточно для протекания до конца [20].
В реакции (1) константа равновесия при 2000 К составляет 210⁴, что соответствует равновесному составу с содержанием 1% волластонита в шлаке и 0,4% WO. Процесс протекает с высоким извлечением полезного ведущего элемента, так как реакция сопровождается значительным изменением энергии Гиббса [20].
Удельный тепловой эффект Q, характеризующий алюминотермический процесс, можно определить [16], как отношение теплового эффекта реакции Q_р к сумме молекулярных масс всех реагирующих веществ ∑М, кДж/кг:


Q = Q_p / ∑М (6)

Для определения удельного теплового эффекта, исходя из результатов многочисленных опытов алюминотермического восстановления оксидов, предложена [17] эмпирическая формула (4):

ℓgQ = (∆Η⁰_{298 К} /360) + 2,33 (7)

где Q – тепловой эффект данного алюминотермического процесса, кДж/кг;

∆Η_{298 К} – тепловой эффект образования оксида, кДж/г·моль.
Суммарный удельный тепловой эффект при условии, что шихта состоит из двух восстанавливаемых соединений, определяют по уравнению (8):


Q = [x (Q₁ – Q₂)/100] + Q₂ (8)

где х – составляет содержание первого соединения в шихте, %;

Q₁ и Q₂ – удельные тепловые эффекты при восстановлении первого и второго оксида соответственно [10].
Температура является вторым важнейшим параметром, характеризующим тепловые условия протекающего алюминотермического процесса. Процесс определения температуры экспериментальным и расчетным путями очень трудоемкий. Трудности возникают из-за отсутствия надежных данных по теплофизическим константам веществ при высоких температурах. При использовании суммарных величин энтальпий продуктов реакции можно рассчитать температуру реакции [21].
По теории Шиндловского А.А. для расчета максимальной температуры металлотермической реакции [22] можно использовать следующее уравнение(9):


t = Q – ∑ (L_пл + L_кип) / ∑С_р, (9)

где ∑С_р – сумма теплоемкостей всех продуктов данной реакции, Дж/моль∙К;

∑(L_пл + L_кип) – сумма скрытых теплот плавления и испарения всех продуктов данной реакции, Дж/моль.
Ключников Н.Г. [20] предлагает уравнение (10), в ходе которого можно определить температуру реакционной массы алюминотермического процесса восстановления оксидов: