Bir metalurjik reaksiyon için ilk soru, reaksiyonun termodinamik açıdan gerçekleşmesinin mümkün olup olmadığıdır.
Gibbs serbest enerji değişimi reaksiyonun yönü hakkında temel bilgi verir.
ΔG < 0: Reaksiyon ileri yönde termodinamik olarak mümkündür.
ΔG = 0: Sistem dengededir.
ΔG > 0: Reaksiyon verilen koşullarda ileri yönde kendiliğinden gerçekleşmez.
Bir reaksiyonun standart koşullardaki Gibbs serbest enerji değişimi tek başına gerçek bir metalurjik prosesi açıklamak için yeterli değildir.
Buradaki Q, reaksiyona giren ve çıkan maddelerin aktivitelerine ve gazların kısmi basınçlarına bağlı olan reaksiyon bölümüdür.
Bu nedenle metalurjist yalnızca “reaksiyon mümkün mü?” diye değil, aynı zamanda şu soruları da sorar:
- Sıcaklığı artırırsam denge nasıl değişir?
- Gaz bileşimini değiştirirsem ne olur?
- CO/CO₂ oranını değiştirirsem ne olur?
- H₂/H₂O oranını değiştirirsem ne olur?
- Ürün gazını sistemden uzaklaştırırsam denge nasıl değişir?
- Cüruf bileşimini değiştirirsem reaksiyon nasıl etkilenir?
Örneğin demir oksidin karbonmonoksit ile indirgenmesi:
Bu reaksiyonda yalnızca sıcaklık değil, CO₂/CO kısmi basınç oranı da dengeyi belirler.
Bir reaksiyon termodinamik olarak mümkün olsa ve uygun denge koşulları sağlansa bile üçüncü soru bunun hangi üretim yöntemiyle uygulanacağıdır.
Metalin özelliklerine ve hammaddenin yapısına bağlı olarak farklı prosesler kullanılabilir:
- Karbtermik redüksiyon
- Kavurma
- Klorlama
- Hidrometalurjik liç
- Elektroliz
- Ergitme ve rafinasyon
Örneğin çok kararlı oksit oluşturan bazı metallerin karbonla indirgenmesi ekonomik veya termodinamik açıdan uygun olmayabilir. Bu durumda elektroliz gibi farklı bir üretim yolu tercih edilir.
Bir metalurjik prosesin değerlendirilmesinde ilk aşama termodinamiktir.
Önce şu soruyu sorarız:
Termodinamik bize reaksiyonun gerçekleşmesinin mümkün olup olmadığını ve hangi koşullarda mümkün olduğunu gösterir.
Bunun için Gibbs serbest enerji değişimi ve reaksiyon dengesi incelenir.
Termodinamik açıdan reaksiyonun mümkün olduğunu belirledikten sonra ikinci önemli soru şudur:
Bir reaksiyonun ΔG değeri çok negatif olabilir; yani reaksiyon termodinamik olarak oldukça elverişli olabilir. Ancak bu, reaksiyonun mutlaka hızlı gerçekleşeceği anlamına gelmez.
Reaksiyon hızının değerlendirilmesinde özellikle şu faktörler önemlidir:
- Aktivasyon enerjisi
- Sıcaklık
- Tane boyutu ve özgül yüzey alanı
- Reaksiyon mekanizması
- Katı, sıvı ve gaz fazları arasındaki temas
Reaksiyonun mümkün ve yeterince hızlı olduğunu belirledikten sonra şu soruya geçilir:
Metalurjik proseslerde üç temel taşınım mekanizması birlikte değerlendirilir:
- Isı transferi
- Kütle transferi
- Momentum transferi ve akış
Örneğin FeO'nun CO ile indirgenmesinde CO gazının cevher parçasının yüzeyine ulaşması gerekir.
Aynı zamanda reaksiyon sonucunda oluşan CO₂'nin reaksiyon bölgesinden uzaklaştırılması gerekir.
Termodinamik, kinetik ve taşınım koşulları belirlendikten sonra prosesin endüstriyel ölçekte nasıl gerçekleştirileceği düşünülür.
Prosese bağlı olarak farklı ekipmanlar kullanılabilir:
- Yüksek fırın
- Döner fırın
- Elektrik ark fırını
- Akışkan yataklı reaktör
- Elektroliz hücresi
- Liç reaktörü
Reaktör ve ekipman seçimi; reaksiyon sıcaklığına, fazların özelliklerine, reaksiyon hızına, ısı ve kütle transferi gereksinimlerine uygun olmalıdır.
Bir proses termodinamik olarak mümkün, kinetik olarak yeterince hızlı ve teknik olarak uygulanabilir olabilir.
Ancak endüstriyel uygulama için son derece önemli bir soru daha vardır:
Bu aşamada başlıca şu unsurlar değerlendirilir:
- Enerji tüketimi
- Hammadde maliyeti
- Yakıt ve indirgen madde maliyeti
- Yatırım maliyeti
- İşletme ve bakım maliyetleri
- Üretim kapasitesi
- Metal kazanım verimi
- Ürünün ekonomik değeri
- Atıkların yönetim maliyeti
- Çevresel maliyetler
- CO₂ emisyonları ve karbon maliyetleri