2.1.Скорость химических реакций.

Задачей теории металлургических (химических) процессов является также определение скорости их протекания. В первом приближении для этой цели может быть использована формальная кинетика химических реакций. Однако реальная скорость протекания процессов в значительной мере обусловлена интенсивностью тепло-массопереноса. Естественно, что наиболее полная информация, необходимая для разработки того или иного технологического процесса, может быть получена лишь в результате выполнения как термодинамических, так и кинетических расчетов, проведенных с учетом теплообмена и диффузионных явлений, ибо равновесие есть предельное состояние рабочего тела, которое может и не быть достигнуто в реальных условиях. Но такие комплексные исследования чрезвычайно сложны, трудоемки и едва ли оправданы в широких масштабах, особенно если учесть ограниченность наших знаний в области кинетики гетерогенных реакций и сложного тепло-массообмена. В этой монографии рассматриваются только вопросы термодинамического равновесия высокотемпературных реакций, что в какой-то мере ограничивает ее содержание и область применения. Однако следует отметить, что изучение новых металлургических технологий всегда целесообразно начинать с термодинамического анализа процесса, чтобы исключить принципиально неверные решения и обеспечить определение области допустимых значений параметров. Кроме того, тенденция повышения рабочих температур, наблюдаемая в металлургии, снимает в определенной мере кинетические затруднения при достижении в рабочем теле равновесных состояний. Подтверждением этому может служить проведенное сравнение реальных составов рабочего тела, определенных экспериментально, с равновесными концентрациями, полученными расчетным путем. Это сравнение подтверждает допустимость применения положений равновесной термодинамики для практического использования. Появление работы вызвано необходимостью и актуальностью дальнейшего совершенствования методов термодинамических расчетов на современном этапе с привлечением для этой цели быстродействующих ЭВМ. При расчетах технологических процессов сейчас приходится учитывать все большее число компонентов рабочего тела. С одной стороны, это вызвано ростом числа химических элементов, вводимых в перерабатываемое сырье, в связи с чем резко увеличивается число возможных устойчивых соединений, образованных различными комбинациями атомов элементов, в том числе и при низких температурах. С другой стороны, повышение температуры, при которой осуществляется процесс, увеличивает число компонентов в рабочем теле за счет интенсификации реакций диссоциации слож- ных соединений на более простые, вплоть до атомарных компонентов. при организации плазменных процессов в некоторых случаях необходимо учитывать содержание электронного газа и ионов, которые существенно изменяют состав и электрофизические свойства рабочего тела.  Необходимость повышения числа учитываемых в расчете компонентов равновесного состава в ряде случаев определяется также и тем, что допускаемое содержание нежелательных примесей в целевых продуктах ограничивается очень низкими величинами. На ранней стадии применения термодинамики для изучения металлургических процессов расчеты равновесия предельно упрощались вплоть до исследования какой-либо одной химической реакции, произвольно выбранной в качестве основной. Такое положение в ряде случаев сохранилось до сегодняшнего дня там, где расчеты производятся вручную без использования вычислительных машин. И объясняется оно как слабым распространением методов вычислительной математики и соответствующих технических средств, так и отсутствием данных о термодинамических свойствах многих веществ — возможных компонентов рабочих тел. Естественно, что детальный расчет равновесного состава многокомпонентных рабочих тел значительно уточняет расчетно-теоретические данные о разрабатываемом процессе и способствует быстрейшей его организации. Увеличение знаний о свойствах соединений, образующихся в равновесии, позволяет включать в расчет все большее число компонентов, что требует дальнейшего совершенствования как методики, так и математического ее обеспечения и не может быть выполнено иначе, как с применением ЭВМ. Целевой продукт металлургического производства всегда находится в конденсированном (твердом или жидком) состоянии. При большом числе химических элементов в исходном рабочем теле принципиально возможно образование широкого спектра конденсированных компонентов различного химического состава, а также их аллотропических модификаций. Термодинамический расчет способен дать информацию о концентрациях тех из них, которые действительно могут образовываться в данном состоянии рабочего тела и в соответствии с правилом фаз Гиббса. Однако для этого необходимо иметь надежные методы расчета гетерогенных равновесных систем. В данной монографии созданию таких методов уделено особое внимание. Как показывает практика, в большинстве металлургических процессов наблюдается образование жидких и твердых растворов как целевых продуктов, так и побочных компонентов (шлаков). Поэтому в приводимых методах расчета равновесных термодинамических систем предусмотрена возможность определения состава и содержания растворов конденсированных компонентов. При этом тип образующихся растворов заранее задается.