Диаграммы состояния систем в металлургии тяжелых цветных металлов

Копылов Н.И., Смирнов М.П., Тогузов М.З.

Металлургия, 1993 г.

Основным исходным сырьем для получения тяжелых цветных металлов являются руды, в которых полезные составляющие представлены сульфидными (реже оксидными, сульфатными или карбонатными) минералами, а пустая порода - силикатными, оксисиликатными (карбонатными) горными породами. Рудные месторождения тяжелых цветных металлов, как правило, носят полиметаллический характер и включают целый комплекс минералов цветных металлов и других сопутствующих элементов. Основными минералами тяжелых цветных металлов в рудах, представляющими промышленное значение, являются сульфидные соединения меди, никеля, свинца, цинка (табл.1). Кроме минералов основных металлов в рудах содержится ряд включений других сопутствующих элементов. Часто их присутствие в исходных рудах и концентратах играет определяющую роль в организации технологического процесса по комплексности использования сырья, оптимизации его ведения. К ним можно отнести минералы таких элементов, как железо, мышьяк, сурьма, висмут, благородные металлы (табл. 2).

Значительная часть балластного материала руд при обогащении уходит в пустую породу (в отвалы), а получаемые концентраты (коллективные или селективные) обогащаются полезными компонентами. При последующей их переработке -агломерации, обжиге, плавке с введением в процесс необходимых флюсующих добавок (кварцевого песка, известняка, соды и т.д.) - образуются сложные по составу и физическому состоянию продукты на различных стадиях завершения процессов. Состав и поведение этих промышленных продуктов при изменении технологических режимов (температуры, концентрационных параметров, общего давления, парциального давления отдельных летучих компонентов) могут быть описаны диаграммами состав - свойство многокомпонентных систем, компонентами которых являются основные составляющие минералы и соединения перерабатываемых шихт и концентратов. Таким образом, состояние и свойства перерабатываемого продукта на том или ином этапе технологического процесса с достаточным приближением вполне корректно могут быть описаны диаграммами состояния отдельных видов систем: сульфидными, сульфидно-оксидными, оксисиликатными, металлическими и т.д. Такой взгляд на технологический процесс, как на ряд последовательно сменяемых друг друга физико-химических преобразований в системах в режимах изменения заданных параметров процесса был заложен еще в самом начале развития цветной металлургии.

Практически одной из базисных вех в историческом развитии теоретических основ используемых до настоящего времени процессов технологии получения тяжелых цветных металлов являются экспериментальные исследования металлургических систем, выполненные в первой половине текущего столетия. Это нашло отражение в фундаментальной литературе, учебных, практических руководствах, справочниках по металлургии тяжелых цветных металлов [1-6]. Многие из этих работ не потеряли практического значения и до настоящего времени.

Необходимо отметить, что все большее внимание уделяется исследованиям по расчету и построению диаграмм состояния систем с применением ЭВМ [7-9].

Очевидно, что за этим методом будущее расчета диаграмм состояния, тем не менее пока возможность его применения ограничена. Он успешно используется в основном пока при построении диаграмм состояния металлических, а также солевых систем, для соединений которых имеются надежные справочные данные об их физических и физико-химических свойствах и образование которых с достаточной степенью точности можно запрограммировать.

Осуществление химического процесса зависит от кинетики протекающих реакций. Однако возможности их осуществления определяются термодинамикой, в частности фазовыми равновесиями между компонентами металлургической системы. Для большинства сложных металлургических систем расчет фазовых равновесий по термодинамическим данным все еще остается невозможным из-за ограниченной применимости имеющихся данных, отсутствия последних для целого ряда образующихся в системах соединений.

В этом случае единственно надежным источником получения необходимых данных о фазовом состоянии металлургической системы является эксперимент.

Вовлечение в переработку ранее неперерабатываемых полиметаллического, некондиционного сырья и промышленных продуктов, разработка новых интенсивных процессов ставят остро вопрос о необходимости изучения ранее неисследованных, нестандартных систем сложного состава, в которых образуются новые промежуточные (метастабильные, лабильные) состояния систем на каждом определенном временном этапе процесса и в локализованных объемах металлургического передела.

Однако решение поставленных практикой задач требует нового подхода к использованию как инструмента исследования учения о фазовых равновесиях применимость его к интерпретации фазовых преобразований в условиях метастабильного, локального равновесий, а также в условиях общего неравновесного (с точки зрения классической термодинамики) состояния, находящегося в динамическом развитии и изменяющегося в конечном временном интервале с конечной скоростью.

Фазовые равновесия в этом случае целесообразно рассматривать с позиций термодинамики необратимых процессов, в основе которых заложен постулат о локальном равновесии [10].

При исследовании металлургических систем кажущиеся несоответствия классической теории о фазовых равновесиях правилу фаз Гиббса могут быть преодолены, если воспользоваться опытом по изучению фазовых равновесий, описывающих геологические процессы земной коры и физико-химические взаимодействия, происходящие в ее недрах.

Впервые правило фаз Гиббса и фазовые диаграммы были использованы в геологической практике Гольдшмидтом и Эскола. К настоящему времени это направление получило дальнейшее развитие [11-15].