5(1). Классификация металлургических технологий

Технологии производства металлов многообразны. В целом их можно разделить на следующие виды: пирометаллургия; гидрометаллургия; реакторные технологии.

Пирометаллургические технологии (высокотемпературные) реализуются в печах, реакторах, теплогенераторах и связаны с протеканием окислительно-восстановительных процессов, как правило, выше температур горения топлива.

Гидрометаллургические процессы включают в себя растворение рудного материала в воде, кислотах, щелочах и др. растворителях (водная мет-ия).

В результате процесса выщелачивания, т.е. растворения, образуется раствор (щелок), содержащий полезные компоненты и осадок, в котором содержатся вредные и нерастворившиеся компоненты. Затем щелоки перерабатывают методом электролиза или цементации, а нерастворившиеся осадки вновь подвергают обработке другим раствором для извлечения полезных компонентов.

Реакторные технологии реализуются при получении урановых и трансурановых элементов, а также изотопов в ядерных реакторах.

Пирометаллургические способы получения металлов относятся к технологиям, в которых окислительно-восстановительные процессы протекают при высоких температурах. При этом используют различные виды топлива и восстановители. Топливо предназначено для получения заданной температуры процесса, а восстановители – для восстановления металлов из окислов и других соединений сырья.

Окислительно-восстановительные процессы реализуются в рудно-термических печах (доменная печь), кислородном реакторе, агломерационной машине, где происходит частичное восстановление рудного сырья. В качестве восстановителей используют газовые смеси, чистые газы, твердые и жидкие металлы и неметаллы. По названию элемента восстановители называют сам процесс. Если используется углерод, то углетермический; если металл, то маталлотермический.

Суть процесс восстановления заключается в связывании кислорода, входящего в состав окисла металла, в устойчивое соединение и выделение металлической составляющей окисла в отдельную фазу.

6(1). Применение химической термодинамики и кинетики в теории металлургических процессов

Процессы производства стали представляют собой сложные комплексы физико-химических превращений, происходящих при высоких температурах. В процессах одновременно принимают участие многие компоненты, находящиеся в разных агрегатных состояниях: в твердом, жидком и газообразном.

Методы термодинамики призваны определить направление протекания процесса и продукты, которые должны образоваться в результате реакции, а также конечное состояние системы, пределы, до которых может протекать процесс, состояние системы по окончании процесса. Определить скорость протекания процесса, ее зависимость от отдельных параметров помогают современные методы исследования кинетики процесса.

Физическая химия оперирует следующими понятиями.

Система – группа тел, находящихся во взаимодействии и мысленно или физически выделенных из окружающей среды. Параметры состояния – физические величины, служащие для характеристики состояния системы (давление, объем, концентрация компонентов, температура и т.п.). Параметры процесса – величины, характеризующие процесс, т.е. изменение системы, связанное с изменение параметров состояния.

Сталеплавильные процессы обычно протекают при практически постоянном давлении, т.е. являются изобарическими, поэтому для термодинамических расчетов используют: величины изменения изобарно-изотермического потенциала G, энтальпии Н, теплового эффекта.

Для проведения термодинамических расчетов условились принимать энтальпию простых веществ при 298,15К (25⁰С) равной 0.

Общее уравнение для определения изменения свободной энергии (или энергии Гиббса) при температуре Т: . Произведение TS часто называют связанной энергией. Если G < 0, то реакция будет протекать слева направо. Если G > 0, то реакция будет протекать справа налево. Если G = 0, то устанавливается термодинамическое равновесие.

Стандартное изменение свободной энергии связано с константой равновесия реакции следующим образом: . Это соотношение применимо для любой температуры.

В основе кинетики химических реакций лежит закон действующих масс, согласно которому скорость реакции веществ A, B, C,… пропорциональна произведению их концентраций. Скорость реакции обычно характеризуется уменьшением за единицу времени концентрации какого-либо из исходных веществ или конечных продуктов реакции.

Влияние температуры на константу скорости химической реак­ции k видно из известного уравнения Аррениуса: ; , где k₀ — константа; R — универсальная газовая по­стоянная; Е — энергия активации реакции.

Энергию активации Е экспериментально определяют обычно следующим образом: иссле­дуют кинетику реакции при нескольких температурах и строят график в координатах lnk — 1/T; тангенс угла наклона прямой на этом графике в соответствии с уравнением Аррениуса равен Е.