Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Ванюков, А. В. Теория пирометаллургических процессов учеб. пособие

.pdf
Скачиваний:
29
Добавлен:
23.10.2023
Размер:
22.07 Mб
Скачать

А.В. ВАНЮКОВ, В. Я. ЗАЙЦЕВ

ТЕОРИЯ

ПИРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ

Допущено Министерством высшего

исреднего специального образования СССР

вкачестве учебного пособия

для студентов вузов, обучающихся по специальности

«Металлургия цветных металлов»

МОСКВА «МЕТАЛЛУРГИЯ» 1973

УДК 669.2

процессов. В а н ю к о в А. В., З а й ­

Теория пирометаллургических

ц е в В. Я- М., «Металлургия»,

1973, 504 с.

Изложены основы теории строения твердого тела и жидкого со­

стояния вещества, дана взаимосвязь между особенностями строения и важнейшими физико-химическими свойствами различных классов веществ, главным образом окислов и сульфидов. Рассмотрены основы термодинамики дефектных структур в приложении к некоторым сое­ динениям, имеющим большое значение в металлургии. Дай термо­ динамический анализ важнейших пирометаллургических процессов: диссоциации соединений, окисления металлов и сульфидов, восста­ новления соединений, ликвационных процессов, испарения и конден­ сации паров и др. Описаны особенности механизма и кинетики важ­ нейших пирометаллургических процессов, изложены принципиальные пути интенсификации некоторых из них.

Книга предназначена в качестве учебного пособия для студентов металлургических специальностей. Может быть полезна инженерам— производственникам и сотрудникам научно-исследовательских ин­ ститутов, работающим в области цветной металлургии. Ил. 207. Табл. 31. Список лит.: 50 назв.

(6) Издательство «Металлургия», 1973

3103-169

040(01)-73

 

 

 

 

Стр.

Предисловие .................................................................................................

 

6

Введение

.......................................................................................................

 

10

Г л а в а

1.

Строение и физико-химические свойства твердых тел

27

§

1.

Химическая связь в молекулах и

кристаллах . .

27

§

2.

Элементы зонной теории твердых

тел . . . . . .

34

 

§ 3. Уровень Ф ер м и .......................................................................

 

полупроводников

43

 

§ 4. Собственная электропроводность

45

 

§ 5. Дефекты

структуры

кристаллов...................................

46

 

§ 6. Дефекты структуры и электрофизические свойства

 

X

твердых т е л

в.........................................................твердых

т е л а х

 

61

§ 7. Диффузия

 

“Г

Г л а в а II. Фазовые

равновесия

в системах

Me—О, Me—S

68

~

Г§ 1. Краткая характеристика твердых окислов и суль­

фидов . . . ..................................................................................

68

§ 2.

Фазовая

диаграмма системы железо — сера . . .

72

§ 3.

Фазовая

диаграмма системы медь — сера. . . .

77

§ 4.

Фазовая

диаграмма железо — кислород . . . .

79

§ 5.

Фазовая

диаграмма

медь — к и сл ор од ...

80

 

Г л а в а

III. Понятие о термодинамике дефектных кристаллов

83

Г л а в а

IV. Термодинамика процессов диссоциации окислов

102

сульфидов

и галогенидов .......................................................................

 

 

 

§ 1. Диссоциация соединений с образованием конденси­

104

рованных

фаз

постоянного

состава ........................................

 

 

§ 2. Влияние агрегатных превращений на процессы дис­

115

социации

соединений металлов .............................................

образующих

§ 3. Диссоциация

окислов

и сульфидов,

 

р аствор ы .................................................................................

 

 

 

 

 

 

Г л а в а

V. Жидкое

состояние вещ ества........................................

 

 

124

§

1.

Сходство

и

различие

в структуре

твердого

тела

124

и

ж и д к о с т и .....................................................................................

 

 

цветной металлургии . . .

§ 2.

Шлаковые расплавы

127

§ 3.

Строение

оксидных

расплавов ...................................

 

 

130

§ 4-

Диаграммы

состояния шлаковых систем . . . .

138

1*

3

§ 5.

Поверхностное натяжение

шлаковых

расплавов

153

§ 6.

Плотность жидких ш л а к о в .........................................

 

 

 

158

§ 7.

Вязкость

шлаковых

р а сп л а в о в ...............................

 

 

160

§ 8.

Электропроводность

шлаковых

расплавов . . .

167

§ 9.

Диффузия

в

шлаковых

р асп лав ах ..........................

 

 

170

§

10. Строение и некоторые физико-химические свойства

173

сульфидных

расплавов и

ш тей н ов ....................................

 

 

 

§

11. Применение статистической термодинамики к жид­

188

ким шлакам и штейнам.

Активность

компонентов . .

Г л а в а

VI. Контактные явления в конденсированных фазах

212

§

1. Контактная

граница

полупроводников

и

металлов

214

§ 2. Контактная граница металл

(полупроводник)—ион­

 

 

ный

проводник ....................................................................

 

 

 

 

 

228

Г л а в а

VII. Элементы химической кинетики..........................

 

 

240

§

1. Кинетика

гомогенных

р еак ц и й ....................................

 

 

240

§ 2. Кинетика

гетерогенных

р еак ц и й ...............................

 

254

§

3.

Понятие

о к а та л и зе.........................................................

 

 

 

 

 

266

Г л а в а

VIII. Механизм и кинетика диссоциации соединений

278

Г л а в а

IX. Окисление и

сульфидирование

металлов . . .

296

§

1. Кинетика

и

механизм

окисления

металлов . . .

297

§ 2. Основы

окислительного

рафинирования

металлов

321

Г л а в а

X. Восстановительные п р о ц е с с ы ....................................

 

 

331

§

1. Термодинамика

газового восстановления

окислов

332

нелетучих

металлов

окислов...................................................................

летучих

металлов . . .

§ 2.

Восстановление

343

§ 3.

Восстановление

окислов

в системах с

растворами

345

§ 4.

Восстановление

окислов

в

присутствии

твердого

350

у г л ер о д а .........................................................................................

 

 

 

 

 

 

 

 

 

§ 5. М еталлотермия...................................................................

 

 

 

 

 

 

357

§ 6. Кинетика и механизм твердофазного восстановле­

360

ния о к и сл о в ...................................................................................

 

 

окислов

из

шлаковых

расплавов

§ 7.

Восстановление

376

§ 8. Плазменное

восстановление

м еталл ов ........................

 

 

384

§ 9.

Восстановление

металлов

из

сульфидов . . . .

388

Г л а в а

XI. Окисление сульфидов и взаимодействие

сульфи­

392

дов

 

 

 

и о к и сл о в

........................................................

 

 

 

 

 

§ 1. Термодинамика окисления сульфидов и взаимодей­

393

ствия сульфидов

и

окислов.......................................................

 

 

 

 

 

'§ 2. Кинетика

и механизм

окисления сульфидов . . .

417

Г л а в а

XII. Потери металлов со ш лакам и

...............................

 

430

§

1.

Форма нахождения цветных металлов в промышлен­

430

ных

шлаках. Электрохимические потери

 

 

§

2.

Механические потери металлов со шлаком .

. .

439

§

3.

Выбор технологических параметров пирометаллур-

448

гических

процессов и методов обеднения шлака .

. .

Г л а в а XIII.

Основы теории испарения и конденсации

. .

456

§

1. Термодинамика

испарения простых веществ

и .

457

растворов ...................................................................................

 

 

 

 

 

§ 2.

Механизм и кинетика процессов испарения и кон­

 

денсации .......................................................................................

 

 

 

 

465

§ 3. Теоретические основы процесса перегонки

металлов

475

§ 4.

Ректификация

...................................................................

 

 

 

481

Г л а в а

XIV. Кристаллизационные методы

рафинирования

 

м е т а л л о в .................................................................................................

 

 

 

489

 

§

1.

Ликвационное

рафинирование

металлов

. . . .

490

§ 2.

Кинетика процессов ликвационного

рафинирования

492

§ 3.

Направленная

кристаллизация

и зонная

плавка

. 495

Список рекомендуемой литературы

 

 

 

 

502

Чтением курса «Теория пирометаллургических про­ цессов» начинается изучение цикла металлургических дисциплин для студентов специальности «Металлургия цветных металлов».

В период бурной технической революции, когда объем информации удваивается за каждые десять лет, серьез­ ная теоретическая подготовка специалиста приобретает первостепенное значение.

Теоретическая металлургия занимает промежуточное положение между дисциплинами фундаментальными (физика, химия, физическая химия) и технологическими. При изучении этой дисциплины студент впервые встре­ тится с необходимостью использования накопленных им знаний по фундаментальным дисциплинам для решения сложных практических и теоретических задач, он впервые отчетливо почувствует, что естествознание едино и что только синтез всех накопленных им знаний по фунда­ ментальным дисциплинам позволяет глубоко разобраться в явлениях металлургии. По этой причине значение кур­ са теории металлургических процессов в формировании специалиста невозможно переоценить. Только активно владея методами и представлениями современной теоре­ тической металлургии, инженер-металлург может стать хорошим специалистом.

Металлургия, как это неоднократно подчеркивали крупнейшие советские ученые академики А. А. Байков и А. Н. Вольский, представляет собой не только отрасль техники, но и науку о строении и свойствах вещества и за­ кономерностях его превращения в ходе металлургической переработки. Основателем самостоятельной научной дисциплины — теории металлургических процессов — принято считать академика А. А. Байкова, который в 1908 г. впервые ввел такой курс в Петербургском поли­ техническом институте. Большой вклад в создание теории металлургических процессов в цветной металлургии, учи­ тывающий особенности этой отрасли, внес академик

A.Н. Вольский, читавший этот курс в Московском инсти­ туте цветных металлов в 30—60-х годах XX в. Очень мно­ го для развития современной теоретической металлургии сделали крупные отечественные ученые: Н. С. Курнаков,

B.А. Ванюков, О. А. Есин, А. М. Самарин, М. Н. Темкин,

Г. Г. Уразов, Г. Й. Чуфаров, С. Т. Ростовцев, Л. А. Швар­ цман, В. А. Кожеуров, С. И. Филиппов, X. К. Аветисян, В. И. Явойский и многие другие, В основу курса теории металлургических процессов, читаемого металлургамцветникам академиком А. Н. Вольским, была положена химическая термодинамика и фазовые равновесия. Физи­ ко-химические закономерности, присущие металлургиче­ ским процессам, были обобщены и сведены в определен­ ную систему, вскрыты специфические особенности метал­ лургического производства.

Последние годы характеризуются бурным развитием базовых теоретических дисциплин, а вместе с ними и те­ оретической металлургии. По этой причине содержание курса, излагаемого в данном пособии, отличается от то­ го, что дается в пособиях А. Н. Вольского, А. Д. Погорелова и некоторых других. В нем отчасти учтены послед­ ние достижения в области физики твердого тела, химии дефектных кристаллов и теории жидкого состояния ве­ щества. Значительное внимание уделено строению и фи­ зико-химическим свойствам вещества, кинетике и меха­ низму протекания металлургических процессов. В дан­ ном курсе также систематизируются и освещаются зако­ номерности поведения вещества применительно к конк­ ретным пирометаллургическим операциям на основе бо­ лее общих закономерностей физики и физико-химии.

Курс теории металлургических процессов позволит молодому специалисту легче разобраться в сущности яв­ лений, с которыми ему придется встретиться на производ­ стве и в исследовательской работе.

Теоретическая металлургия — основа научных про­ гнозов при разработке новых технологических схем и про­ цессов. Курс теории пирометаллургических процессов не­ обходим также для понимания современной научной ли­ тературы, для ведения научной работы и для подготовки студента к освоению других специализированных дис­ циплин.

Авторы данного пособия надеются, что книга будет полезной не только для студентов, но и для инженеровпроизводственников и сотрудников научно-исследователь- &

ских институтов.

Отказ от традиционной формы изложения материала по теории металлургических процессов и привлечение ря­ да новых понятий из области теоретической физики и хи­

мии создали известные трудности в работе над руко­ писью.

Авторы отдают себе отчет в том, что не весь мате­ риал книги изложен равноценно, вероятно, в ряде случаев допущены малообоснованные упрощения при рассмотре­ нии некоторых вопросов. Поэтому авторы были бы весь­ ма признательны всем специалистам за критические за­ мечания и пожелания, которые просят направлять в Мос­ ковский институт стали и сплавов или в издательство «Металлургия».

Авторы пользовались в тексте теми системами еди­ ниц, которые пока имеют большее распространение в со­ ответствующих областях науки. Для пересчета метриче­ ских и внесистемных единиц в единицы Международной системы (СИ) следует воспользоваться следующей таб­ лицей перевода:

ПЕРЕСЧЕТНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ДЛЯ НЕКОТОРЫХ ЕДИНИЦ ИЗМЕРЕНИЙ

 

Метрические и

Единицы СИ

внесистемные единицы

 

Единицы, силы

 

1

килограмм-сила

9,80665

Н

(кгс, кГ)

 

10—5Н

 

1

дина (дин)

 

 

Единицы давления

 

1

кгс/см2

(кГ/см2)

98066,5

Па

1

физическая ат­

101325 Па

мосфера

(атм)

133,322

Па

1

мм рт. ст.

 

Единицы работы

и энергии

 

1

килограмм-сила-

9,80665 Дж

метр (кГ • м,

 

 

кгс-м)

 

101,328 Дж

1

литр-атмосфера

(л-атм)

 

4,1840 Дж

1

кал (термохими­

ческая)

 

ІО-7 Дж

1

эрг

 

1

электрон-вольт

1,60207X

(эв)

 

Х10—10 Дж

 

Метрические н

 

Единицы СИ

внесистемные

единицы

 

 

 

Единицы

динамической вязкости

1

пуаз (П)

 

 

0,1 Па-с

 

Единицы

удельной

энтропии

1

кал/(г-К)

 

 

4.1868

 

 

 

 

 

Д ж /(кг-К)

1

кал/(моль-К)

 

4.1868

 

 

 

 

Дж(моль- К)

Единицы

удельной

теплоемкости

1

ккал/(кг-град)

 

4186,8Дж/

 

 

 

 

 

/(кг-К)

 

Единицы длины

1

микрон

(мк)

1

микрометр

 

 

 

 

 

(мкм)=

 

 

 

 

 

= 10-» м

1

ангстрем

(А)

 

10 -10 м

В связи с привлечением новых понятий из области ба­ зовых дисциплин, а также учитывая круг читателей с раз­ ным уровнем подготовки, авторы сочли необходимым дать расширенный список рекомендуемой литературы,

стем чтобы желающие могли детальнее ознакомиться

сзаинтересовавшими их вопросами.

Вработе над рукописью приняли участие ряд сотруд* ников кафедры металлургии тяжелых цветных металлов МИСиС. Авторы глубоко благодарны канд. физ.-хим. на­ ук А. А. Офицерову, написавшему XIII и XIV гл. насто­ ящей книги, Н. А. Колобродовой, Е. М. Сергиевской и H. Н. Разумовской, составившим вопросы и задачи для самопроверки и активно помогавшим в подготовке руко­ писи к печати.

Авторы весьма признательны за ценные рекоменда­ ции и замечания рецензентам: проф. докт. техн. наук

К. В. Сушкову и его коллегам по кафедре теории метал­ лургических процессов Казахского политехнического ин­ ститута, проф. докт. техн. наук М. М. Лакернику, а также докт. техн. наук Р. А. Исаковой.

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ