Основные положения теории металлургических процессов

Лекция 1 Основные положения теории металлургических процессов Металлургия – это область материального производства, имеющая своей целью получение из минерального и вторичного сырья металлов, соответствующих по качественным показателям требованиям рынка. Металлургия опирается на эффективные методы - механической обработки исходных материалов; - физико-химического обогащения (флотации); - физико-механического разделения (гравитационного и электромагнитного) компонентов сырья; - металлургического обогащения (обжиг, плавка); - конверсии базовых сульфидных соединений в кислородные (окислительная обработка); - восстановления металлов; - рафинирования металлов. Минеральное сырье представлено халькогенидными и кислородными соединениями извлекаемых металлов (минералами), а также пустой породой. Лишь золото и частично, серебро присутствуют в горной массе в свободном состоянии и в виде сплавов (с серебром, медью, платиновыми металлами). В настоящее время минеральное сырье тяжелых цветных металлов представлено сульфидной минерализацией, точнее, железо-сульфидной минерализацией. Вторичное сырье характеризуется присутствием металлических фаз, сплавов, а также, в меньшей степени, набором синтетических химических соединений. Определяющее значение для металлургической практики имеет механическая подготовка с попутным отделением соответствующих компонентов неорганической и органической природы. Технологические процессы производства металлов включают пиро- и гидрометаллургические методы вскрытия и переработки сырья. В основном технологии представлены комплексами, сочетающими пиро- и гидрометаллургические операции. Пирометаллургические операции включают: обжиг, плавку, высокотемпературную конверсию, восстановление металлов. Под конверсией понимается преобразование сульфидов металлов, в частности в кислородные соединения, пригодные для осуществления восстановительных превращений. Гидрометаллургические операции включают: выщелачивание целевых компонентов в водные (неводные) среды, удаление из растворов примесей (рафинирование), выделение (восстановление) металлов из растворов. Пиропроцессы осуществляют в интервале температур 250–1550 °С, когда целевой (целевые) компоненты присутствуют в виде твердых соединений, с участием газообразных реагентов (кислорода, кислородных соединений серы и углерода), расплавов химических соединений и металлических фаз. Гидропроцессы осуществляют в интервале температур 20–250 °С с участием в качестве технологической среды воды, а также водных растворов реагентов. Водная среда на операциях вскрытия сырья является накопителем (коллектором) целевых и сопутствующих компонентов, которые выделены из исходного твердого вещества («жидкий» концентрат). Из водной среды целевые вещества выделяют осаждением труднорастворимых соединений, перераспределением в органический раствор (экстракция), перераспределением в твердую фазу сорбента (сорбция), и, наконец, восстановлением с образованием твердой металлической фазы. В качестве восстановителей используют твердые, воднорастворимые, газообразные реагенты. Кроме указанного, для восстановления металлов могут использовать электрохимические системы. Другим вариантом переработки растворов выщелачивания целевых компонентов является выведение из последних присутствующих примесей с последующим восстановлением целевых компонентов. В основе всех металлургических процессов лежат химические реакции окисления, восстановления и превращения. Практически все они гетерогенные, то есть характеризуются существованием или возникновением выраженной поверхностью раздела в системах: - твердое – газ; - расплавленные несмешивающиеся фазы; - расплавленная фаза – конверсионная расплавленная фаза (или газовая фаза); - твердое – водный раствор реагентов; - водный раствор соединений металлов – труднорастворимые соли; - водный раствор соединений металлов – органический раствор – коллектор, например, соединения целевого металла; - водный раствор соединений металлов – твердый сорбент; - водный раствор соединений металлов – металл. В составах практически любых химических соединений с участием металла, последний представлен положительно заряженной частицей Mz+, которая координирована с отрицательно заряженными или нейтральными частицами. Отрицательно заряженные – кислотные остатки минеральных кислот (ацидо-частицы); нейтральные – вода (H2O), аммиак (NH3), незаряженные органические соединения. С учетом сказанного, взаимодействие противозаряженных частиц обусловлено электростатикой. При этом, с точки зрения теории образования координационных соединений, заряд иона металла должен быть меньше суммарного противозаряда координирующих частиц. Например, [Au3+Cl4]– и др. Наряду с электростатическими взаимодействиями, в системе ион металла – лиганд имеет место координационное взаимодействие с созданием совмещенных орбиталей. Следует сказать, что координационные взаимодействия относятся к ближним порядкам по сравнению с электростатическими. В общем, величина энергии связи в системе Me – Lig, определяется совокупностью реализуемых типов связывания. Важной задачей теории металлургических процессов является оценка термодинамической вероятности протекания реакций, ответственных за преобразования в металлургической системе. При этом, успешность решения задачи зависит от представлений о химизме процесса. Химизм процесса, дополненный величинами тепловых эффектов от взаимодействия с участием 1 г-моль базового вещества, позволяет сделать пересчет на соответствующее количество заданного материала. Освоение методики расчетов тепловых эффектов отдельных реакций в зависимости от температуры системы представляется крайне важным для управления процессом. Кроме оценки вероятности протекания химических реакций, ответственных за эффективность проводимой операции, важное значение имеют кинетические исследования с определением лимитирующей стадии, что позволяет обеспечить эффективное управление ими. Кроме величин тепловых эффектов реакций взаимодействия, важное значение имеет количественная оценка свободной энергии (энергии Гиббса). Это максимальное количество работы, которую термодинамическая система может выполнить при постоянной температуре. Изменение свободной энергии приравнивается к работе, не связанной с расширением или сжатием системы при постоянной температуре и давлении. Понятие свободной энергии определяет количество энергии, пригодной для выполнения работы при постоянных температуре и давлении. Энтальпия – количество энергии системы (материального тела), которая доступна для преобразования в теплоту и работу при определенных температуре и давлении. Энтропия – параметр состояния системы (рабочего тела). Энтропия – величина, изменение которой dS в термодинамическом процессе равно отношению количества теплоты dQ к температуре. Изменение энтропии тела, но не ее абсолютное значение в каких-то состояниях характеризует количество теплоты, участвующей в термодинамическом процессе. Она характеризует разницу энергий отдельных элементов термодинамической системы при повышении температуры. Произведение энтропии на изменение температуры системы характеризует изменение энергии системы. Для процесса, описываемого уравнением (1) реакции описывается: (2) Изменение теплоемкости при осуществлении процесса (3) Переход от температуры Т1 = 298 К к температуре Т2 связан с изменением величины теплоемкости веществ, участвующих в системе. С учетом выражений , и соответственно, коэффициентов, определяются теплоты веществ при заданной температуре Т2. Последнее позволяет определить реакции при температуре Т2, и, соответственно, при температуре Т2, зная величину изменения энтальпии, определенную для температуры Т1: (4) Определение частных значений энтропии для температуры 298 К берут из справочных данных. Величины энтропии для Т2 находят из выражения (5) (6) (7) (8) Выражение изменения энтропии реакции при температуре Т2: (9) Изменение свободной энергии реакции находят (10) Величину константы равновесия ( реакции при температуре Т2 находят из выражения: (11) Вопросы для самоподготовки 1. Что такое металлургические процессы? 2. Основные характеристики минерального и вторичного сырья тяжелых цветных металлов. 3. Базовые процессы при реализации пиро- и гидрометаллургических операций. 4. Что является основой гидрометаллургических операций? 5. Системы, используемые при осуществлении пиро- и гидрометаллургических операций. 6. Основные свойства металлов с точки зрения их взаимодействия со средой. 7. Основные термодинамические характеристики, «ответственные» за взаимодействия в металлургических системах. 8. Оценка тепловых эффектов взаимодействий. 9. Оценка изменений свободной энергии в системе. Что такое свободная энергия? 10. Что такое энтальпия? 11. В чем сущность влияния температуры на величины оценки термодинамических факторов? 12. Какие сведения необходимы для исследования функции ? 13. Какие сведения необходимы для исследования функции ? 14. Какие сведения необходимы для исследования функции ?