Физика пирометаллургических процессов

Рощин В. Е., Рощин А. В. 
ФИЗИКА ПИРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ 
ПРОЦЕССОВ 
Учебник 
Допущено федеральным учебно-методическим объединением по укрупненной группе 
специальностей и направлений 22.00.00 «Технологии материалов» в качестве учебника 
при подготовке бакалавров и магистров, обучающихся по направлениям 22.03.02 
и 22.04.02 «Металлургия» соответственно, а также при подготовке аспирантов, обучающихся по направлению 22.00.00 «Технологии материалов» 
Москва 
Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2021 

УДК 669.017 
ББК 34.2 
Р58 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор В. А. Бигеев; 
доктор технических наук, профессор Г. В. Галевский; 
доктор технических наук, профессор О. Ю. Шешуков 
Рощин, В. Е. 
Р58  
Физика пирометаллургических процессов : учебник / В. Е. Рощин, А. В. Рощин. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 
304 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-0701-4 
Изложены основы физических процессов образования вещества и появления металличности во Вселенной, причины проявления у вещества металлических свойств и происхождения металлов на Земле, описаны физические явления на электронном уровне при нагреве, плавлении, отвердевании  
и кристаллизации металлов. Проанализированы процессы электронного  
и ионного обмена в химических реакциях, протекающих в восстановительных агрегатах при пирометаллургическом извлечении металлов из руд.  
Для студентов и аспирантов металлургических направлений подготовки. Может быть полезно исследователям процессов в области доменного, 
сталеплавильного и ферросплавного производств, а также практическим работникам металлургической и машиностроительной промышленности. 
УДК 669.017 
ББК 34.2 
ISBN 978-5-9729-0701-4  
” Рощин В. Е., Рощин А. В., 2021 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021



ОГЛАВЛЕНИЕ 
Предисловие …………………………………………………………………………….6 
Раздел I. 
РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О МЕТАЛЛАХ  
И ФИЗИКЕ ПРОЦЕССОВ ИХ ОБРАЗОВАНИЯ 
Глава 1. 
Развитие пирометаллургии от неолита до наших дней 
1.1. Эволюция представлений о металлах ................................................
1.2. Краткая история пирометаллургии 
.....................................................
1.3. Получение расплавленного железа и литой стали ............................
1.4. Современные способы производства сплавов железа ......................
1.5. Проблемы и нерешённые вопросы пирометаллургии железа 
..........
7 
10 
15 
20 
24 
Глава 2. 
Развитие представлений о происхождении и структуре вещества 
2.1. Роль пирометаллургии в зарождении науки о веществе ..................
2.2. Развитие науки о структуре вещества ................................................
2.3. Элементарные частицы вещества и взаимодействий 
........................
2.4. Неклассическая физика ХХ века ........................................................
2.5. Античастицы и антивещество 
.............................................................
2.6. Причины и масштабы агрегации вещества во Вселенной 
................
2.7. Хронология появления и агрегации вещества 
...................................
62 
30 
33 
35 
41 
44 
46 
49 
56 
2.8. Образование химических элементов, присутствующих на Земле ...
Глава 3. 
Агрегация вещества под влиянием  
электромагнитного взаимодействия 
3.1. Электромагнитное взаимодействие в атомах ....................................
3.2. Электромагнитная природа химической связи в молекулах, 
микро- и макротелах ...................................................................................
3.3. Агрегатные превращения вещества 
....................................................
3.4. Идеальные и предельные состояния вещества ..................................
66 
74 
77 
Глава 4. 
Металлическое состояние вещества 
4.
Типы
1. 
 металлов 
......................................................................................
4.1.1. Металлы - химические элементы ....................................................
4.1.2. Металлы - сплавы химических элементов 
......................................
4.1.3. Металлы - химические соединения элементов ..............................
4.2. Кристаллические структуры металлов ...............................................
4.3. Реальные кристаллы 
.............................................................................
4.4. Физические свойства металлов ...........................................................
80 
81 
85 
86 
86 
90 
93 
Раздел II. ФИЗИКА ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В МЕТАЛЛАХ 
Глава 5. 
Температурные процессы в твёрдых металлах 
5.
Кр
1. 
исталлическая решётка металлов при нагреве ниже  
температуры плавления………………………………………………… 
5.2. Изменения в кристаллической решётке при плавлении ...................
5.3. Изменение свойств металлов при плавлении ....................................
5.4. Модельные представления о процессах плавления 
...........................
5.5. Состояние теории плавления реальных кристаллов .........................
97 
100 
102 
107 
111 
Глава 6. 
Структура металлических расплавов 
6.
Экспе
1. 
риментальные исследования структуры металлических 
расплавов 
......................................................................................................
6.2. Модельные представления о структуре металлических расплавов 
6.2.1. Квазигазовые модели ........................................................................
113 
117 
117 
3 

118 
120 
122 
123 
124 
125 
127 
128 
129 
6.2.1.1. Уравнение состояния Ван-дер-Ваальса 
.........................................
6.2.1.2. Модель жёстких сфер .....................................................................
6.2.1.3. Структурная модель Дж. Бернала 
..................................................
6.2.2. Квазикристаллические модели .........................................................
6.2.2.1. Модель свободного объёма ............................................................
6.2.2.2. Модель сиботаксисов 
......................................................................
6.2.2.3. Дырочная модель Френкеля 
...........................................................
6.2.2.4. Квазиполикристаллическая модель 
...............................................
6.2.2.5. Квазихимическая модель 
................................................................
6.2.2.6. Кластерная модель ..........................................................................
6.3. Изменение структурно-чувствительных свойств расплавов при 
перегреве и охлаждении ..............................................................................
6.3.1. Экспериментальные результаты .......................................................
6.3.2. Неравновесные состояния многокомпонентных расплавов 
...........
140 
130 
130 
138 
Глава 7. 
Кристаллизация металлических расплавов 
7.
Зарож
1. 
дение и рост одиночных кристаллов ........................................
7.1.1. Термодинамика гомогенного зарождения центров  
кристаллизации ............................................................................................
7.1.2. Рост сверхкритических зародышей ..................................................
7.1.3. Формирование габитуса кристаллов ................................................
7.1.4. Гетерогенное зарождение кристаллических зародышей 
................
7.2. Кристаллизация расплавов при контакте с холодной стенкой .........
170 
173 
173 
174 
140 
145 
146 
148 
150 
Глава 8. 
Отвердевание металлических расплавов без кристаллизации 
8.1. Кинетика кристаллизации и отвердевания .........................................157 
8.2. Составы сплавов, склонных к аморфизации 
.......................................161 
8.3. Практика получения аморфных и нанокристаллических металлов 
....165 
Раздел III. ФИЗИКА ПРОЦЕССОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ИЗ РУД 
Глава 9. 
Атомно-молекулярные теории твёрдофазного восстановления 
9.1. Термодинамика углеродотермического восстановления ..................
9.2. Атомно-молекулярные представления о механизме  
твёрдофазного восстановления 
...................................................................
9.2.1. Механизм контактного взаимодействия ..........................................
9.2.2. Массоперенос при контактном взаимодействии 
.............................
9.3. Атомно-молекулярные модели двухстадийных реакций  
углеродотермического восстановления .....................................................
9.3.1. Газификация восстановителя ............................................................
9.3.2. Диссоциация оксидов ........................................................................
9.3.3. Сублимация оксида 
............................................................................
9.4. Проблемы атомно-молекулярных теорий восстановления ...............
192 
197 
179 
179 
183 
185 
187 
Глава 10. Процессы в кристаллической решётке оксидов при нагреве  
и изменении парциального давления кислорода 
Ст
10.1. 
руктура и дефекты решётки кристаллических оксидов ..............
10.2. Диффузионная подвижность ионов в твёрдых оксидах ..................
10.3. Электропроводность твёрдых оксидов при изменении  
температуры и парциального давления кислорода 
...................................
211 
202 
Глава 11. Связь электропроводности оксидов и восстановления металлов 
11.1. Особенности массо- и электропереноса в твёрдых оксидах,  
не учитываемые атомно-молекулярными теориями восстановления .....
11.2. Материалы и методы экспериментального исследования  
электропроводности оксидов ......................................................................
213 
4

218 
11.3. Изменение электрического сопротивления оксидов при нагреве 
в разных условиях .......................................................................................
11.4. Электрическая проводимость железосодержащих комплексных 
руд 
.................................................................................................................
11.5. Связь температуры появления электропроводности,  
транскристаллической диффузии и начала твёрдофазного  
224 
228 
236 
238 
взаимодействия 
............................................................................................ 222 
Глава 12. Процессы в коллективных системах анионов и валентных электронов 
оксидов при восстановлении металлов 
12.1. Элементарные акты восстановления в конденсированных  
оксидах .........................................................................................................
12.2. Распространение вакансий и «свободных» электронов в оксидах 
...
12.3. Термодинамические особенности образования металлических 
зародышей в оксидах ..................................................................................
12.4. Рост и формирование габитуса металлических кристаллов ...........
12.5. Восстановление многозарядных катионов, диссоциация оксидов  
и сублимация субоксидов ...........................................................................
12.5.1. Механизм диссоциации конденсированных оксидов ..................
12.5.2. Диссоциация и сублимация оксидов кремния ..............................
12.5.3. Диссоциация и сублимация оксидов алюминия ...........................
251 
255 
239 
239 
241 
246 
Глава 13. 
Роль карбидов в процессах производства чугуна и углеродистых  
ферросплавов 
Су
13.1. 
ществующие атомно-молекулярные представления о роли 
карбидов в процессах восстановления ......................................................
13.2. Результаты экспериментального исследования образования  
карбидов при восстановлении хрома 
.........................................................
13.3. Влияние силикатных фаз на образование карбидов и скорость 
274 
277 
280 
284 
восстановления хрома и железа в хромовых рудах 
.................................. 263 
13.4. Окислительный характер процессов образования карбидов 
.......... 266 
Глава 14. Электронно-вакансионная теория восстановления и её следствия для 
практики извлечения металлов из руд 
Со
14.1. 
стояние газов и оксидной фазы в восстановительных  
условиях с учётом электронного строения вещества 
..........................
14.2. Результаты экспериментальных исследований электронного 
и ионного обмена между твёрдыми реагентами химических  
реакций в условиях восстановления ....................................................
14.3. Условия твёрдофазного электронного и ионного обмена 
между углеродом и оксидами в восстановительных агрегатах ..............
14.4. Обобщение экспериментальных результатов  
углеродотермического восстановления металлов……………………… 
14.5. Следствия из электронно-вакансионной теории восстановления 
для практики извлечения металлов из руд  
...............................................
289 
Библиографический список 
..................................................................................298 
5 

ПРЕДИСЛОВИЕ
Металлургия – это не только важнейшая для экономики отрасль производства, но также глубокая, сложная и очень интересная наука о металлах, призванная обосновывать, разрабатывать и объяснять технологические процессы их 
получения и первичной обработки. Эти процессы связаны с изменениями химического состава и агрегатного состояния веществ. Изменение свойств веществ 
при изменении их состава  является предметом изучения химии, а их изменение 
при переходе вещества из одного агрегатного состояния в другое – предметом 
исследования физики.  
В металлургических агрегатах изменение состава веществ и их агрегатного состояния осуществляют при высокой температуре. Поэтому основой теории металлургических процессов является  физическая химия, которая химические процессы изменения состава веществ исследует методами, принятыми в 
физике, то есть с учётом влияния внешних параметров – температуры и давления 
газовой фазы. Но базовые законы термодинамики и статистической механики, 
составляющих основу физической химии, сформулированы в конце XIX века в 
результате исследования поведения газов, то есть еще до экспериментального 
доказательства существования молекул и атомов. В дальнейшем и до сих пор 
физическая химия и теория металлургических  процессов путём введения различных поправок и коэффициентов, получаемых в эксперименте, приспосабливают «газовые» законы к конденсированным системам как большим коллективам частиц, подчиняющимся законам классической механики. 
Таким образом, существующая теория металлургических процессов базируется, в конечном счёте, на положениях молекулярной физики. Но в конденсированных металлургических системах – в твёрдых металлах, рудах и в их расплавах нет ни молекул, ни атомов, есть только ионы и связывающие их тем или 
иным видом электромагнитной связи электроны. Химические превращения веществ обусловлены изменением распределения валентных электронов металлов 
между ионами, а поведение электронов как элементарных частиц определяется 
законами не молекулярной, а квантовой механики. Поэтому адекватно описать 
металлургические процессы лишь на молекулярном уровне невозможно, этого 
можно достичь только с использованием положений квантовой механики. 
Отсутствие в учебной литературе трактовки процессов пирометаллургии, 
обусловленных поведением электронов, с учётом положений квантовой механики является серьёзным  недостатком научной подготовки кадров для металлургии, а это затрудняет поиск эффективных решений практических задач и существующих проблем металлургии.  Авторы надеются данным учебником хотя бы в 
некоторой степени восполнить этот пробел. 
6

РАЗДЕЛ I. РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О МЕТАЛЛАХ
И ФИЗИКЕ ПРОЦЕССОВ ИХ ОБРАЗОВАНИə
Изɭчать физикɭ - значит изɭчать ȼсеɥеннɭю, как ɪаботает ȼсеɥеннаɹ. ȼне всɹкиɯ соɦнений, физика – саɦаɹ интеɪеснаɹ ветвь наɭки, поскоɥькɭ ȼсеɥеннаɹ кɭда сɥожнее, чеɦ 
кажетсɹ, и она вɦещает в себɹ всё сɭщее. 
Глава 1.  Развитие пирометаллургии от неолита до наших дней
1.1. Эволюция представлений о металлах
Современную жизнь невозможно представить без металлов – железа,
меди, алюминия, титана и многих других химических элементов, которые мы
относим к металлам, а также сплавов на основе этих элементов  – стали и чугуна, бронз и латуней, силуминов и дюралюминов, и многих, многих других.
Металлы – фундамент современной цивилизации, материальной культуры человечества, основа основ технического прогресса. Будущее человечества также
неразрывно связано с металлами, получением на их основе новых материалов,
обладающих самыми разнообразными свойствами и способными работать в
невероятно разнообразных условиях – в космическом вакууме и в глубине
сверхглубоких скважин, в ракетных двигателях и в атомных реакторах, на поверхности других планет и в других совершенно невероятных с сегодняшней
точки зрения условиях.
А ведь ещё два с половиной века назад человечество знало о существовании только восьми металлов – золота, серебра, меди, железа, свинца, олова,
сурьмы и ртути. На основе уже этих знаний  человечество пыталось понять,
что же это такое – металлы? Оказалось, что ответить на этот вопрос непросто и
сегодня. Для этого следует выделить и обозначить свойства, присущие только
металлам, и не встречающиеся у других элементов и материалов. Сегодня мы
считаем металлами порядка 90 химических элементов и десятки тысяч металлических сплавов на их основе, однако до сих пор нет устойчивого и общепринятого определения металлов. Понятие «металлы» всё ещё уточняется и постоянно расширяется. Для подтверждения этого достаточно посмотреть, какое определение  металлам дают энциклопедические словари по химии, физике, разные технические справочники, а также сравнить это определение в однотипных, но изданных в разное время словарях и справочниках. Объективными
причинам такого положения являются огромное разнообразие свойств, присущих металлам, и постоянно углубляющиеся знания о природе металлов.
На каждом этапе познания природы люди выделяли какое-то хорошо известное им свойство металлов, которое отсутствовало или проявлялось слабо у
других веществ, и, основываясь на этом свойстве, делали заключение о сути
металлов. На протяжении многих веков, начиная с конца каменного века, наи7 

более ярким и широко используемым человечеством отличительным свойством 
металлов от других веществ была их способность к деформации в холодном 
или горячем состоянии. Кроме того, обращал на себя внимание блеск металлов, 
с которыми люди познакомились ещё на стадии собирательства и  обработки 
самородных металлов. Поэтому нам известно в принципе правильное по сути 
самое краткое и ёмкое определение металлов, которое дал два с половиной века 
назад в своём научном труде «Первые основания металлургии или рудных дел» 
М.В. Ломоносов: «Металлы суть ковкие блестящие тела». При этом он исходил 
из общности этих свойств для шести из восьми известных ему металлов – золота, серебра, меди, железа, свинца и олова. Но уже и во времена М.В. Ломоносова это определение металлов являлось недостаточно точным и неполным, так 
как не позволяло отнести к металлам известные ещё в древности и уже достаточно широко использовавшиеся человеком ртуть и сурьму, поскольку ртуть 
при нормальных условиях – жидкость, а сурьма непластична и при ковке разрушается. 
Дальнейшее уточнение сути металлов шло путём расширения и дополнения сформулированного М.В. Ломоносовым определения всё новыми свойствами, открытыми или изученными у металлов, а само определение становилось 
всё более обширным. После того, как люди познакомились с электричеством и 
определили хорошую электрическую проводимость металлов, наиболее отличительным свойством металлов стали считать (некоторые и до сих пор продолжают считать) их высокую электропроводность. По мере успехов химии в 
XVIII и XIX веках в исследовании химических превращений веществ выяснилось, что металлы образуют с кислородом соединения преимущественно основного типа. Поэтому спустя полтора века после Ломоносова в энциклопедическом словаре Мейера (1897, нем.) давалось уже такое определение металлов: 
«...элементы, которые являются хорошими проводниками тепла и электричества, обладают характерным сильным блеском, непрозрачны (в не слишком тонком слое) и образуют с кислородом соединения преимущественно основного 
типа». В этой формулировке заслуживают внимания оговорки – «...в не слишком тонком слое...», «...преимущественно...». Значит, эти признаки необязательны? Или они присущи и неметаллам? 
Современные отечественные энциклопедические словари дают, как правило, довольно обширные определения металлов, которые, в общем, хотя и 
совпадают, но всё же имеют и заметные расхождения. Так, «Физический энциклопедический словарь» (М., Советская энциклопедия, 1984) определяет металлы как «...простые вещества, обладающие в обычных условиях характерными свойствами: высокими электропроводностью и теплопроводностью, отрицательным температурным коэффициентом электропроводности, способностью хорошо отражать электромагнитные волны (блеск и непрозрачность), 
пластичностью. Металлы в твёрдом состоянии имеют кристаллическое строение...». Уместно заметить, что уже в годы подготовки и издания этого словаря 
началось промышленное производство аморфных металлов, у  которых кри8

сталлическое строение не выявляется. «Политехнический словарь» (М., Советская энциклопедия, 1980) наряду с простыми веществами относит к металлам и
множество металлических (?) сплавов, обладающих аналогичным набором
свойств. В химии под металлами понимают простые вещества – химические
элементы. В физической, технической и экономической литературе к металлам
наряду с химическими элементами относят сплавы, смеси, а иногда и химические соединения, обладающие комплексом «металлических» свойств.
Вместе с тем, Большая советская энциклопедия указывает, что не следует
абсолютизировать ни свойства, характерные для металлов, ни их отличия от
неметаллов. Это в ещё большей степени усложняет понимание термина «металлы» – по мере углубления знаний о природе металлов расширяется представление об их сути и, соответственно, их определение.
В начале ХХ века (1900 г.) немецкий физик П. Друде связал свойства металлов со строением кристаллической решётки металлов. Он представил кристаллическое строение металлов как остов из положительно заряженных ионов,
погружённый в электронный газ. Отрицательный заряд электронов газа компенсирует взаимное отталкивание положительно заряженных катионов и удерживает их на определённом расстоянии друг от друга, а сами электроны имеют
возможность свободно перемещаться в объёме между ионами, то есть вести
себя в кристаллической решётке металлов подобно газовым молекулам в газах.
Понятие электронного газа позволило объяснить многие важнейшие
свойства металлов (высокую электропроводность, теплопроводность, металлический блеск, пластичность) и их отличие от неметаллов. Однако позже выяснилось, что электронный газ металлов не подчиняется газовым законам, что
потребовало усложнения представлений о металлах.
В настоящее время самое широкое толкование понятия металлов даёт астрофизика – наука о структуре и эволюции Вселенной, в которой металлами
считаются все элементы, пока кроме водорода и гелия. Таким образом, с точки
зрения астрофизики, предметом изучения которой является вся Вселенная, её
происхождение и процессы развития, металлами являются не только известные
широкому кругу людей железо, медь, хром и другие, но и такие элементы как
кислород, углерод, сера, фосфор и даже элементы группы инертных газов. Более того, в докладе на ХХ Менделеевском съезде в 2016 году президент РАН
В. Фортов сообщил о получении в металлическом состоянии последнего химического элемента – водорода. Таким образом, при определённых условиях металлами могут быть все известные химические элементы, а также многие сплавы и химические соединения элементов.
Возможно у многих людей и, тем более, у металлургов, занятых извлечением из руд и первичной обработкой металлов в обычных («нормальных») условиях, это утверждение вызовет удивление и, возможно, даже неприятие, но
это именно так, хотя ни углерод, ни инертные газы нельзя отнести к «ковким
блестящим телам». Чтобы понять, что же является общим «металлическим» у
золота, меди, железа и, например, аргона, представить причины и условия по9 

явления привычных нам металлов на нашей планете Земля, необходимо знать 
не только историю освоения металлов человечеством, но и хотя бы на познавательном уровне ознакомиться с современными представлениями о материи, 
структуре и тонком строении вещества. 
1.2.  Краткая история пирометаллургии
В 1816 году датский историк Х.Ю. Томсен при систематизации в музее 
археологических находок пришёл к выводу о целесообразности деления истории человечества, о которой имеются хоть какие-нибудь материальные свидетельства, в зависимости от материала, использовавшегося для изготовления 
орудий труда, на три периода: каменный век, бронзовый век и железный век 
(рис. 1). Используемые материалы характеризуют качество и степень развития 
орудий труда. Для доисторических времён это основополагающий и определяющий критерий, но и в наше время он имеет существенное значение. 
Рис. 1. Хронология освоения производства материалов для орудий труда  
Согласно современным представлениям человеческий вид окончательно 
выделился из животного мира, лишь когда приручил огонь. Овладев огнём, человек коренным образом изменил условия своего существования. Подвергнутая тепловой обработке пища легче усваивалась, расширился ассортимент 
употребляемых в пищу продуктов, резко улучшилась энергетическая возможность человеческого организма, расширились возможности приспособления 
человека к обитанию в различных климатических и географических условиях. 
По мере совершенствования процесса горения топлива и повышения температуры огня человек находил всё более полезные сферы его использования. Пожалуй, вершиной достижений древнего человека в использовании жара огня 
явилось его применение для получения и обработки металлов. В последнее вре10