» » Общие положения о физико-химических превращений материалов
02.06.2015

Физико-химические превращения материалов, протекающие в металлургических печах, состоят из: 1) термического разложения сложных соединений — сульфидов, сульфатов, окислов, гидратов, карбонатов; 2) окисления компонентов; 3) восстановления компонентов; 4) обменного взаимодействия между компонентами; 5) образования и разделения различных расплавов; 6) изменения физического состояния — плавления, испарения и т. п. Эти превращения происходят в печах в твердой, жидкой и газообразной фазах, чаще при одновременном наличии двух или трех из них, почти одновременном протекании десятков разнообразных химических реакций, оказывающих значительное влияние одна на другую и лишь частично разделенных в пространстве или во времени. Современный уровень развития физической химии и теории металлургических процессов позволяет выявить закономерности протекания отдельных изолированных процессов без достаточного учета влияния смежных, одновременно происходящих реакций и превращений.
Химическая термодинамика устанавливает возможность, направление, преимущественное развитие и предельное состояние отдельных металлургических реакций и дает их энергетическую характеристику.
Основной определяющей величиной в термодинамике является нормальное химическое сродство, измеряемое стандартным изменением изобарного термодинамического потенциала ΔZ°, связанного с максимальной работой реакции при постоянном давлении и константой равновесия Кр уравнением Вант-Гоффа:
Общие положения о физико-химических превращений материалов

Величина ΔZ° связана с изменением теплового эффекта реакции ΔН° и изменением энтропии системы ΔS° упрощенным уравнением Гиббса — Гельмгольца:
Общие положения о физико-химических превращений материалов

Для реакций, протекающих с образованием одного из продуктов в газообразном состоянии,
Общие положения о физико-химических превращений материалов

Определяя расчетным или экспериментальным путем для различных металлургических реакций величины ΔZ°, Кр или Ргаз, можно установить относительные способности реакций к самопроизвольному протеканию, найти равновесные составы смесей, достигаемые в результате прохождения реакций, а также определить условия, в которых реакции могут протекать с требующимися результатами. На основании этих данных могут более обоснованно выбираться режимы работы печей: температура, давление, состав газовой фазы, расход тепловой энергии и др.
Химическая кинетика устанавливает зависимость скорости металлургических реакций от температуры, давления, концентраций и других факторов. Для сложных гетерогенных реакций, к которым относится большинство металлургических процессов, скорость их протекания определяется не только химической кинетикой, но и развитием диффузионного процесса. Обеспечивающего обмен газов на активной поверхности.
Скорость химического взаимодействия компонентов реакции меняется с температурой по экспоненте:
Общие положения о физико-химических превращений материалов

Скорость диффузии газов на активной поверхности vдиф меняется с температурой по другому закону, примерно определяемому уравнением
Общие положения о физико-химических превращений материалов

Из двух последовательных стадий процесса — диффузионной и химической — определяющей его скорость будет та, которая протекает более медленно и, следовательно, лимитирует развитие процесса. Для металлургических реакций, протекающих в печах цветной металлургии при высокой температуре, скорость диффузии имеет очень большое значение и часто определяет результаты физико-химических преобразований материалов.
Особо важное значение для качественного и количественного развития металлургических процессов имеет контакт компонентов шихты. Чем теснее соприкосновение компонентов в печах, тем полнее и быстрее протекают превращения. Наилучший контакт обеспечивается при тонком измельчении материалов, расплавлении или испарении их и интенсивном перемешивании. Этим условиям наиболее удовлетворяют печи для обжига и плавки во взвешенном состоянии и кипящем слое, печи с продувкой газами жидких фаз, электрические печи с усиленной циркуляцией ванны, печи с искусственным перемешиванием шихты и шахтные печи, работающие на офлюсованных и науглероженных материалах.
Весьма большое влияние на ход металлургических процессов оказывают тепловые и физические свойства материалов и продуктов переработки. Наиболее важными свойствами являются; температура плавления, вязкость, удельный вес, теплоемкость, теплопотребление, электро- и теплопроводность, к сожалению, имеющиеся в настоящее время экспериментальные и теоретические данные по термодинамике, тепловым и физическим свойствам материалов применительно к процессам цветной металлургии недостаточны и их практическое использование для формирования теории и расчета печей ограничено.
Как показано ниже, на основании закономерностей протекания металлургических процессов и термодинамических, кинетических, тепловых и физико-химических данных, характеризующих эти процессы, можно решать ряд наиболее важных задач по теории, эксплуатации и проектированию металлургических печей.