Металлургия: в запрещенной зоне

Энергоемкость выплавки отечественного металла слишком высока. Металлурги сетуют: нужна коренная модернизация оборудования, стало быть, многомиллиардные капиталовложения. Однако энергоемкость ряда металлургических процессов можно значительно снизить чисто химическим путем в тех же плавильных печах.

Источником открытий принято считать академическую науку, а это открытие, зарегистрированное еще в государственном реестре СССР, было сделано в Московском институте стали и сплавов при весьма ординарных обстоятельствах.

Почти все металлы получают из оксидов, восстанавливая их углеродом или водородом. Но для этого оксид нужно расплавить. Естественно, что чем выше температура плавления оксида, тем выше температура восстановления металла, а стало быть, и энергозатраты. Не думая ни о каких открытиях, а лишь ради науки и высшего образования, ученые решили проверить, насколько справедлива эта металлургическая аксиома.

Чем прочнее кристаллическая решетка металла, тем выше температура его плавления. С другой стороны, от строения кристаллической решетки зависят и его электрические свойства.
Расплавляли оксиды титана, хрома, ниобия, бериллия, магния и замеряли электропроводность, которая, как и следовало ожидать, во всех экспериментах плавно повышалась с ростом температуры. Но — до предела, когда кривая электропроводности вдруг преломлялась и резко шла вверх.

Оксиды металлов можно считать полупроводниками. Тут, в отличие от металлов, с повышением температуры становится все больше свободных электронов, переносчиков электрических зарядов, и проводимость возрастает. Но почему резко, почему скачок? На каком уровне — трамплин?

Вот тут исследователи и обнаружили, что точки переломов совпадают с температурой, при которой у данного оксида начинается процесс восстановления металла. И снова вопрос — почему?

В оксидах, как в полупроводниках, существует своего рода запрещенная зона, некий энергетический барьер, мешающий электронам отрываться от атомов и проводить электрический ток. Чем шире запрещенная зона, тем большая температура требуется для ее преодоления. Скачок наступает в момент, когда температура нагрева оказывается достаточной ддя прорыва, и начинается массовый отрыв атомов кислорода от оксидов металла и их соединение с атомами восстановителя — углерода или водорода. Следовательно, чтобы снизить энергоемкость восстановления металла из оксида, нужно сузить запрещенную зону.

Вероятно, все так и происходит (тут самим ученым не все до конца ясно), но — еще один вопрос. Зачем снижать температуру восстановления за счет сужения запрещенной зоны, если температура плавления любого из металлов периодической системы незыблема и зафиксирована во всех справочниках с точностью до одного градуса? Сужай или расширяй эту запрещенную зону потом — металл все равно сначала нужно расплавить, и тут — природа.

Но возьмем, например, титан. Температура плавления металла — 1165°С, а его двуокись плавится лишь при 1850°С. Вот тут и стоит сузить запрещенную зону. Но как попроще проникнуть в этот микромир?

В процессе расплавления титановой руды (двуокись титана) в шихту добавили оксид металла с гораздо более узкой запрещенной зоной. Обходной маневр не замедлил отразиться на графике проводимости: точка перелома сместилась вниз. Природа хоть и позволила себя обойти, однако, в рамках своих законов. Это как со льдом — посыпанный солью, он плавится при температуре ниже нулевой.

Конечно, попутно с восстановлением металла основного оксида будет восстанавливаться и металл из присадочного оксида. Но чистые металлы в технике используются реже, чем сплавы. Можно подобрать присадочный оксид, металл которого лишь улучшит качество сплава. И открывается еще одна великолепная возможность.

По принятой технологии сплавов каждый из составляющих металлов выплавляют по отдельности, а затем совместно. Т. е. энергию на нагрев до температуры плавление тратят минимум трижды. А можно разом. И сплав нужного состава получить, и температуру восстановления снизить.

А как быть, если из руды нужно все же получить чистый металл? Когда не только добавлять — избавляться приходится от всех оксидов, присутствующих в руде, но не содержащих нужный металл.

В этих случаях запрещенную зону можно сузить лазерным облучением с длиной волны, соответствующей линии поглощения света оксидом восстанавливаемого металла. Фотоны как бы расшатывают химическую связь металла с кислородом, делая запрещенную зону минимально узкой. Если хорошо «прицелиться», удается снизить температуру восстановления в десятки раз.

К сожалению, открытие московских ученых и последующие изобретения до сих пор не повлияли на металлургическую практику.

117936, Москва, Ленинский пр., 4, Московский институт стали и сплавов. Т. 236-99-07. Ю. В. Павлов, А. В. Манухин.

Б. Шумилин