Введение к работе
Актуальность работы. Термодинамический анализ является важнейшей составной частью исследований, направленных на совершенствование уже существующих металлургических процессов и разработку новых технологий. Данные о термодинамических свойствах расплавленных металлических и сульфидных систем дают возможность решать широкий круг различных задач в пирометаллурги-ческом производстве.
Особое значение для развития теории пирометаллургических процессов и совершенствования технологий имеют сведения об активностях компонентов в расплавах, что позволяет производить оценку равновесия между металлическими (сульфидными) и шлаковыми расплавами. В частности, такие данные крайне важны для анализа бурно развивающихся в настоящее время процессов высокотемпературного барботажного восстановления шлаковых расплавов (печи Ausmelt, Teniente, двухзонная печь Ванюкова и др.) медно-никелевого производства. В этих процессах обедненный шлак и образующиеся при восстановлении капли металлической (сульфидной) фазы находятся в состоянии, близком к равновесному, что позволяет рассматривать взаимодействие между ними с позиций термодинамики.
Однако до настоящего времени термодинамические данные для металлических и сульфидных расплавов, содержащих медь и металлы семейства железа, остаются крайне ограничены, и не охватывают практически важных областей тройных и четверных систем. Вместе с тем следует отметить, что экспериментальное определение активностей компонентов при высоких температурах требует больших затрат труда: При этом далеко не всегда удается получить результат с высокой степенью точности. Поэтому в ряде случаев более целесообразным является применение различных расчетных методов, с помощью которых на основании известных термодинамических свойств двойных систем могут быть получены термодинамические характеристики тройных и более сложных систем.
Цель работы. Целью работы является термодинамический анализ жидких металлических и сульфидных систем, содержащих медь и металлы семейства железа, и оценка на этой основе равнове-
сий в пирометаллургических процессах медно-никелевого производства.
Методы исследований. Термодинамический анализ, статистические методы обработки, методы химического анализа, растровая электронная микроскопия, рентгеноспектральный микроанализ.
Научная новизна:
Показано, что термодинамические свойства жидких двойных металлических систем с различным характером взаимодействия между компонентами могут быть адекватно описаны с помощью полиномов с минимальным числом коэффициентов.
Определены интегральные термодинамические свойства тройных жидких металлических систем никель-медь-железо, никель--медь-кобальт, железо-медь-кобальт, железо-никель-кобальт во всем диапазоне составов и в практически важных областях четверной системы медь-железо-никель-кобальт.
Определены активности компонентов во всем диапазоне составов тройных жидких металлических систем Ni-Cu-Fe, Ni-Cu-Co, Fe-Cu-Co, Fe-Ni-Co и в практически важных областях четверной системы Cu-Fe-Ni-Co.
Установлены значения предельного коэффициента активности меди в расплавах тройных систем Fe-Ni-Cu, Co-Ni-Cu, Co-Fe--Cu и предельного коэффициента активности кобальта в расплавах тройной системы Fe-Ni-Co. Показана зависимость предельного коэффициента активности Си и Со от состава двойного сплава-растворителя Fe-Ni, Co-Ni, Co-Fe (для меди), Fe-Ni (для кобальта) при температуре 1873 К.
Показано, что термодинамические свойства жидких тройных сульфидных систем в области их гомогенности могут быть определены с достаточной для технологических расчетов степенью точности с применением правила Здановского и метода изопотенциалов.
Практическая значимость работы. Полученные данные по активностям компонентов в жидких металлических и сульфидных системах могут быть применены для прогнозных расчетов распределения металлов между металлической (сульфидной) и шлаковой фа-
зами и оценки равновесий в этих системах в металлургии меди и никеля.
В частности, полученные данные использованы для оценки степени приближенности к равновесию взаимодействия между шлаковым и металлическим расплавами в двухзонной печи Ванюкова. С помощью выполненного термодинамического анализа доказана возможность получения в двухзонной печи Ванюкова целевого продукта с высоким содержанием ценных компонентов при минимальных потерях цветных металлов со шлаком.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на XV международной конференции по химической термодинамике в России (Москва, 2005), на международном симпозиуме (Сан Диего, август 2006), на VIII Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы "Фундаментальные исследования в технических университетах" (Санкт-Петербург, март 2004), на IX Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы "Фундаментальные исследования в технических университетах" (Санкт-Петербург, ноябрь 2004).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 16 печатных трудах, из них 1 статья в издании, рекомендованном ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов, изложенных на 3 стр., списка использованной литературы и 2 приложений. Работа изложена на 205 страницах, содержит 60 рисунков и 33 таблицы. Список литературы состоит из 166 наименований.
Автор выражает благодарность д.т.н., проф. Л.Б. Цымбулову за участие в руководстве и обсуждении результатов
