История человеческого общества неразрывно связана с развитием металлургии. Еще в глубокой древности человек стал применять металлы. Вначале это были самородные металлы: золото, серебро, медь и метеоритное железо. Затем были открыты способы получения металлов из руд:вначале меди и ее сплавов (бронза), а затем –железо. Постепенно увеличивалось число известных человеку металлов. Если к концу XVIIIв. было открыто и использовалось примерно 20 металлов, то к концу XIXв. их число достигло 50. Особенно бурное развитие металлургии произошло в начале и середине XXв.«Отцом»русской научной металлургии является М.В. Ломоносов. Он же впервые создает физическую химию, как самостоятельную научную дисциплину, задолго до появления ее в Западной Европе и Америке. Важнейшее обобщение естествознания,закон сохранения вещества,Ломоносов формулирует на основе изучения реакции металла с кислородом –одного из основных металлургических процессов.Продолжая развивать идеи М.В. Ломоносова, ученые нашей родины Д.К. Чернов, Н.С. Курнаков, А.А. Байков, М.М.Карноухов,И.А. Соколов, М.А.Павлови другие создали новые научные дисциплины: металлографию, физико-химический анализ, теорию металллургических процессов. Используя сначала термодинамический, а затем и молекулярно-кинетический методы, исследователи решали узловые вопросы теории металлургических процессов. Выполненные ими работы по праву играют ведущую роль в науке.В настоящее время Периодическая система Д.И. Менделеева включает 118элементов, из которых более 90 являются металлами. Промышленное значение имеют 75 металлов. Ведущее место среди металлов как по объему производства, так и по степени использования занимают железо и его сплавы. Их доля в общемировом производстве металлов составляет более 90%. Преимущественному применению в самых различных областях народного хозяйства железо и его сплавы обязаны своими ценными физическими и механическими свойствами. Этому способствовали также широкое распространение в природе железных руд и сравнительная простота производства чугуна и стали.
Наряду с черными металлами, к которым относятся железо и его сплавы, а также хром и марганец, исключительное значение в современном промышленном производстве и сельском хозяйстве имеют цветные металлы. Согласно промышленной классификации,цветные металлы подразделяются на следующие группы:1.Тяжелые металлы: медь, свинец, никель, цинк, олово, а также 4кобальт, кадмий, мышьяк, сурьма, висмут, ртуть.2.Легкие металлы: алюминий, магний, а также щелочные и щелочно-земельные металлы (ЩЗМ).3.Благородные металлы: золото, серебро, платина и платиноиды (осмий, иридий, рутений, палладий).4.Редкие и радиоактивные металлы, в свою очередь подразделяющиеся на группы: 1) тугоплавкие –титан, цирконий, ванадий, ниобий, тантал, молибден, вольфрам; 2) легкие –литий, рубидий, цезий, бериллий; 3) рассеянные –галлий, индий, таллий, германий, теллур, рений; 4) редкоземельные –скандий, иттрий, лантан и лантаноиды; 5) радиоактивные –радий, актиний и актиноиды, полоний.Цветные металлы широко применяют во всех отраслях народного хозяйства, особенно в новой технике:ракетостроении, самолетостроении, радиотехнике, электронике, машиностроении и др. Увеличение использования ряда цветных металлов в народном хозяйстве обусловлено их физико-химическими и физико-механическими свойствами, которыми не обладают сплавы на железной основе. Из большого числа цветных металлов наиболее широко используют алюминий, медь, цинк, свинец, никель, магний. Объем их производства непрерывно увеличивается.Указанная классификация металлов носит в значительной мере промышленный характер, т.е. отражает общность способов производства той или иной группы металлов и вместе с тем характеризует и общность их физико-химических свойств.В качестве сырья для производства металлов используют разнообразные по химическому составу и формам нахождения извлекаемых металлов руды (оксидные, сульфидные, самородные и др.). Многообразие руд, особенно руд цветных металлов, которые к тому же обычно являются комплексными, предопределяет разнообразие технологических схем и многостадийность процессов получения металлов.Процессам получения металлов предшествуют трудоемкие и довольно длительные операции подготовки руд: сортировка, усреднение, дробление, измельчение, обогащение, окускование, обжиг. Первые пять операций являются физико-механическими, а окускование и обжиг –физико-химическими. Дальнейшая переработка концентратов или руд (с достаточно высоким содержанием извлекаемого металла) проводится по различным технологическим схемам, предусматривающим вначале получение чернового металла, aзатем его рафинирование (очистку) от примесей. Особое внимание при этом 5уделяется так называемым безотходным технологиям, обеспечивающим эффективное извлечение всех металлов и полную утилизацию отходов производства.Процессы, используемые в современном металлургическом производстве, подразделяются на пирометаллургические, протекающие при высоких температурах, гидрометаллургические, осуществляемые в водных и солевых растворах при нормальном или повышенном давлениии нормальных или умеренно высоких температурах (20–200°C).В настоящем учебнике рассматриваются теоретические основы физико-химических явлений, протекающих в пирометаллургических процессах получения черных и цветных металлов. Пирометаллургические процессы представляют собой сложные и многообразные высокотемпературные взаимодействия, в которых обычно принимают участие газовая, металлическая и шлаковая (оксидная) фазы. В ряде случаев, особенно при производстве цветных металлов, во взаимодействиях участвуют сульфиды, галогениды, карбиды и т.д. Взаимодействующие фазы могут находиться в твердом или жидком состоянии, причем как в чистом виде, так и в виде растворов. Нередко металлы и другие вещества присутствуют в парообразном состоянии.Ряд пирометаллургических процессов относится к сравнительно простым взаимодействиям, например, газ–газ (процессы горения газообразных веществ), газ–твердое тело (процесс горения твердого топлива), термическая диссоциация оксидов, сульфидов и других веществ. Процессы термической диссоциации осложняются при фазовых превращениях разлагающихся веществ и получаемых продуктов, а также при образовании как твердых, так и жидких растворов.К числу более сложных взаимодействий относятся физико-химические явления, происходящие в системе газ–твердый или жидкий металл (процессы испарения и конденсации металлов, процессы растворения газов в металлах). Причем эти процессы могут протекать при нормальных и пониженных давлениях. Вакуум вносит свои особенности в эти физико-химические явления. Еще более сложные реакции характерны для восстановительных процессов, происходящих в системах газ–твердый или жидкий металл–твердый или жидкий оксид, а также для процессов окислительного рафинирования в системах газ–жидкий металл–жидкий оксид (сталеплавильные процессы, окислительная плавка цветных металлов и др.). Не менее сложными являются процессы, протекающие в системах металл–сульфиды–оксиды 6(плавка на штейн, конвертирование штейнов и др.). Особое место занимают процессы получения очень чистых металлов и полупроводниковых материалов, основанные на перекристаллизационных явлениях (зонная плавка, выращивание монокристаллов, направленная нормальная кристаллизация), а также на так называемых транспортных реакциях и методе ректификации. Для теоретического обоснования пирометаллургических процессов следует знать как термодинамические характеристики, так и кинетические законо-мерности физико-химических явлений, а также структуру и свойства взаимодействующих фаз (твердых и жидких металлов, простых и сложных оксидов, сульфидов и др.). Все это позволяет не только теоретически обосновать существующие металлургические процессы, но и предложить способы дальнейшего их совершенствования и повышения эффективности, а также разработать принципиально новые технологические схемы и процессы.