Глава 3.

“Экстракционное“ рафинирование металла

3.1 Общие положения

Под экстракционным рафинированием металла, по аналогии с некоторыми процессами химической технологии, следует понимать очищение его от примесей, вредных для его эксплуатационных свойств, путем их перехода в другие, контактирующие с металлом фазы под действием "закона распределения". Такое распределение примеси между контактирующими фазами происходит, строго говоря, без изменения форм существования рассматриваемой примеси при переходе ее из одной фазы в другую, а ее концентрации в обеих фазах связаны между собой условиями равенства ее химического потенциала во всех контактирующих фазах:

, (89)

где верхний индекс обозначает рассматриваемый (экстрагируемый) элемент, а нижний – условный номер контактирующей фазы.

Процесс экстрагирования рассматриваемой примеси полностью прекращается, когда выравниваются химические потенциалы примеси "х" во всех контактирующих фазах и когда, например, не имеет места постепенное увеличение массы той или иной из фаз. Если химический потенциал какого-либо элемента (примеси) "х", находящегося в чистом виде составляет , то в рафинируемой фазе например в металле, он составит:

(90)

где – активность элемента “х” в металлической фазе, вычисленная при условии, что за единицу активности принят этот элемент “х”, находящийся в насыщении в металле (в фазе 1).

Равновесие наступает при условии, когда т.e. при:

(91)

и тогда массообмен между фазами I и II прекращается. В чистом виде такой процесс в металлургии стали почти не встречается. Он наблюдается при распределении растворимых газов между двумя полностью несмешивающимися металлами – например, водорода между железом и свинцом.

Почти во всех типичных для металлургии стали случаях имеет место не просто переход той или иной примеси из металла в контактирующую с ним фазу, но и одновременное химическое взаимодействие этой примеси с компонентами контактирующей с металлом среды, извлекающей примесь. В результате даже в таком, казалось бы простейшем случае, как экстрагирование из металла азота или водорода в газовую фазу мы имеет дело с таким энергоемким процессом как молизация этих газов и, следовательно, здесь имеет место не просто их распределение в соответствии с законом выравнивания их химических потенциалов.

С учетом всего сказанного выше и, принимая во внимание определенную неточность применяемых терминов о распределении тех или иных примесей, например, между металлом и шлаком, мы в дальнейшем под "экстракционным рафинированием металла" будем подразумевать вообще удаление из него примесей в другую, извлекающую фазу вне зависимости от того, какие при этом та или иная примесь претерпевает химические или аллотропические превращения, или другие "изменения формы существования". В каждом конкретном случае задача металлурга состоит в детальном изучении природы процесса рафинирования, т.е. его термодинамики и кинетики, а также влияния на них различных побочных факторов.

Безусловно, под такое понимание экстракционного рафинирования подпадает и окислительное рафинирование металла. Однако, технологический период плавки, на продолжении которого происходит окисление примесей металла, создаваемые для этого условия хода плавки и используемые технические средства настолько специфичны, что эти процессы удобней рассматривать отдельно как "окислительное рафинирование" со всеми его особыми проблемами и закономерностями.

Основной задачей экстракционного рафинирования является удаление из металла таких вредных для его свойств примесей как сера, кислород, водород, азот и неметаллических включений, образуемых некоторыми из этих элементов с расплавленным железом и другими компонентами сплава. По самой сути процесса задача экстракционного удаления того или иного элемента состоит в возможно более полном его извлечении из металла. В дальнейшем теория этого вида рафинирования будет рассматриваться именно под этим углом зрения.

Однако на практике далеко не всегда полное удаление даже "вредной" примеси является оптимальным для служебных свойств металла. Металл всегда представляет собой гетерогенную систему фаз и влияние той или иной примеси на сам металл (растворитель) и на взвешенные в нем неметаллические диспергированные фазы может быть различным и часто недостаточно изученным. Кроме того, те технологические мероприятия, которые положительно влияют на процесс извлечения той или иной вредной примеси, могут оказаться далеко не полезными для природы самого металлического расплава, для тех или иных его компонентов и для его макро- и микронеоднородности и служебных качеств готовых изделий.

Для изучения процесса экстракционного рафинирования и нахождения наиболее благоприятных для него условий необходимо знать химический состав и физическую природу как металлической (рафинируемой), так и экстрагирующей, т.е. извлекающей примеси, фазы. Особое значение имеет наличие в последней компонентов, имеющих химическое сродство к извлекаемой из металла примеси, т.е. компонентов, понижающих ее активность и химический потенциал. С другой стороны, поскольку одним из звеньев экстракционного рафинирования всегда является массоперенос экстрагируемой примеси, принявшей ту или иную форму в экстрагирующей фазе, кинетика рафинирования в большой степени зависит от вязкости фазы, извлекающая примесь, интенсивности перемешивания, степени гомогенности и т.д. Во многих случаях процесс извлечения примесей экстрагирующей фазой определяется размерами удельной поверхности контакта металла и фазы, извлекающей примеси, условиями смачивания, т.е. адгезией обоих фаз друг к другу и изменением адсорбционной способности контактирующих фаз при изменении их состава или температуры.

В общем случае процесс экстракционного рафинирования металла складывается из следующих этапов:

1. Массоперенос примеси внутри очищаемого металла.

2. Адсорбционно-кинетическое звено, имевшее место на поверхности контакта металла и извлекающей фазы – чаще всего сопровождающееся формированием практически нерастворимых или малораcтворимых в металле химических соединений удаляемой примеси.