Основные тенденции развития металлургического производства:

• внедрение новых безотходных, энергосберегающих, экологически чистых технологических процессов;

• автоматизация и компьютеризация металлургического производства;

• усиление мероприятий по очистке промышленных выбросов;

• дальнейшее развитие технологических процессов кислородно-конверторного производства стали;

• постепенное уменьшение доли выплавки стали в мартеновских печах;

• более широкое внедрение непрерывной разливки стали.

1.1.Основы теории металлургических процессов

Металлургией называется наука об извлечении металлов из природных соединений и дальнейшей их переработки для придания им определенных свойств, формы и размеров. Большинство металлов в природных соединениях находятся в виде химических соединений. Наиболее распространенными являются их окислы.

1.1.1. Окислительно-восстановительные химические реакции в металлургических процессах

Все металлургические процессы связаны с протеканием окислительно-восстановительных реакций.

Me1О + X = Me1 + XO + Q , (1)

где Me1О – окисел металла Ме1; Х= Si, Mn, Al, C, CO; сродство к кислороду у элемента Х больше чем у металла Ме1.

В основе теории окислительно-восстановительных химических реакций, которые протекают при получении металлов, лежит учение об упругости диссоциации и теплоты образования окислов при различных условиях.

Реакция окисления металла в общем виде для двухвалентного металла Ме запишется в общем виде:

2Ме + O2 = 2 МеО + W , (2)

где МеО - окисел металла; W -тепловой эффект химической реакции, Дж (кал);

Степень трудности получении металлов из природных соединений может быть оценена теплотой образования окислов и упругостью диссоциации окислов металлов.

Теплотой образования окисла Q называется количество теплоты, выделяемой при получении одного моля окисла. Так, теплота образования окисла MeO равна Q = W/2.

Некоторые значения теплот образования окислов металлов приведены в табл. 1 .

Таблица 1

Теплота образования окислов из элементов при t = 0 C

Окисел	Теплота образования окислов Q
	ккал /моль	кДж /моль
Ag2O	6.7	68.052
Cu2O	40.8	170.821
CuO	35.3	151.981
SiO2	201.1	841.548
TiO2	218.2	913.560
FeO	64.5	270.049
MnO	89.0	372.625
Al2O3	378.0	1582.810

Примечание: экспериментальные данные различных авторов отличаются в пределах - 4 %. В таблице приведены наиболее вероятные значения, по мнению проф. Вольского А.Н.

Чем меньше теплота образования окисла, тем легче металл извлекается из природных соединений. Другим параметром, который характеризует трудность восстановления окислов, является упругость диссоциации окислов Pо₂(MeO).

Упругостью диссоциации окисла называется парциальное давление кислорода в реакционной зоне окисла (в печи) без учета внешнего атмосферного парциального давления кислорода.

Упругость диссоциации окисла может быть рассчитана по упрощенному уравнению Нерста.

(3)

где a - алгебраическая сумма числа газовых молекул в левой и правой частях химических реакции (для реакции (1) a = 1);

b - алгебраическая сумма произведений “условных химических констант Нерста” на число соответствующих газовых молекул, принимающих в химических реакциях (для кислорода “условная химическая константа Нерста” равна i =2.8). Для реакции (1) b=2.8;

R - газовая постоянная , R = 2 Кал/(мольК);

W - тепловой эффект химической реакции (1),кал;

Po₂(MeO) - упругость диссоциации кислорода, атм;

Т - температура в реакционной зоне, К.

Уравнение Нерста может быть получено из уравнения Вант-Гоффа, вывод которого приведен в [1,2].

Из выражения (3) следует, что чем больше температура Т, тем больше упругость диссоциации окислов. Рассмотрим два окисла металлов МеО и Ме1О, находящихся в печи при температуре - То и внешнем парциальном давлении кислорода в печи Ро₂(вн).

Зависимости упругости диссоциации окислов МеО и Ме1О (двухвалентных металлов) от температуры приведены на рис.1.

П

Р1о2

роанализируем возможность извлечения металлов Ме и Ме1 из окислов МеО, Ме1О, которые помещены в печь (Т1 - температура печи; Рo₂(вн - внешнее парциальное давление кислорода в печи) при следующих условиях:

1) Рo₂ (вн) > Р1о₂ > Р2о₂ ;

2) Р1о₂ > Рo₂ (вн) > Р2о₂;

3) Р1о₂ > Р2о₂ > Рo₂(вн),

где Р1о₂ и Р2о₂ соответственно значения упругости диссоциации окислов Ме1О и Ме2О при температуре Т1.

Р ис.1.1. Зависимость упругости диссоциации окислов металлов MeO и Me1O от температуры: 1 - упругость упругости диссоциации окисла Ме1О от температуры (Ро₂ (Ме1О)); 2 - зависимость упругости диссоциации окисла Ме2О от температуры (Ро₂(Ме2О); 3 - внешнее парциальное давление кислорода, Ро₂(вн)

В первом случае, равновесия в реакциях 2Ме1 + 2О₂ = 2Ме1О и 2Ме2 + 2О₂ = 2Ме2О при температуре в печи Т1 раздвинуты вправо.

Вывод: извлечь металлы Ме1, Ме2 из окислов невозможно (рис.1.1).

Во втором случае, равновесие в реакции 2Ме1 + 2О₂ = 2 Ме1О сдвинуто влево, а равновесие в реакции 2Ме2+2О₂ = 2 Ме2О сдвинуто вправо.

Вывод: Ме1 можно извлечь из окисла Ме1О, а Ме2 нельзя извлечь из окисла Ме2О.

В третьем случае, равновесие в реакциях 2Ме1 + 2О2 = 2Ме1О и 2Ме2 + 2О₂= 2 Ме2О при температуре в печи Т1 сдвинуты влево.

Вывод: Ме1 и Ме2 можно извлечь из окислов Ме1О, Ме2О.