ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕОРИЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ: СЛЕДСТВИЯ ДЛЯ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ИЗ РУД

Аннотация

Проанализированы существующие представления о механизме твердофазного восстановления металлов из оксидов. Показано, что ни одна из предложенных до сих пор схем восстановления не позволяет объяснить многообразия практических результатов, вследствие чего сложилось и существует мнение об отсутствии единого механизма восстановления.

Представлены результаты исследований авторами твёрдофазного восстановления углеродом металлов в кусковых магнетитовых, сидеритовых, титаномагнетитовых и хромитовых рудах разных генезиса и месторождений, а также результаты сравнительных экспериментов по восстановлению углеродом металлов в индивидуальных оксидах хрома, кремния и алюминия. Приведено обобщение результатов собственных экспериментальных исследований по карботермическому восстановлению металлов в бедных и комплексных железосодержащих рудах, изменению их электрических характеристик, анализу процессов электро- и массопереноса в условиях восстановления для уточнение общих теоретических представлений о механизме восстановления. Сделано заключение, что общими для всех вариантов восстановления разных металлов являются процессы преобразования кристаллической решётки оксида в кристаллическую решётку металла.

На базе представлений химии и физики твёрдого тела о несовершенных кристаллах, квантовой механики об особенностях распределения и перемещения электронов в металлах и ионных полупроводниках разработаны положения электронной теории твёрдофазного восстановления металлов в кристаллической решётке оксидов. Теория охватывает все известные результаты восстановления с образованием металла на поверхности кусков богатых моноруд, выделение металла внутри комплексных и бедных руд, образование и сублимацию субоксидов. Сформулированы основные положения разрабатываемой электронной теории. В её основе лежат представления о восстановлении как результате обмена электронами между восстановителем и катионами металлов в оксидах путём образования на поверхности оксида и рассеивания в его объёме заряженных анионных вакансий. Превращение ионной связи катионов в оксидах в металлическую связь металлической фазы на поверхности или внутри оксида происходит при слиянии заряженных анионных вакансий, минуя стадию образование атомов металла, без термодинамических затруднений образования металлических зародышей и без перемещения катионов на значительные расстояния. В случае выделения металлической фазы в объёме оксида отсутствует непосредственный контакт между металлом и восстановителем. Вследствие этого при восстановлении железа в комплексных и бедных рудах в металл не попадают примеси из восстановителя, в том числе углерод и сера. Поэтому для восстановления железа из таких руд можно использовать низкокачественный восстановитель, например энергетический уголь. Селективное твёрдофазное восстановление железа в кусковых комплексных рудах позволяет получать металло-оксидный композиционный материал, содержащий чистое первородное железо и ценные оксиды невосстановленных металлов – магния, титана, ванадия.