Лекция 6. Потери металла со шлаком

''Температура образования'' шлака - температура, при которой наблюдается расплавление пирамидки, изготовленной из тонко измельченных оксидов. Оксиды, образующие силикат, плавятся при более высокой температуре, чем сам силикат, причем разница может колебаться в пределах 100 -300 °С. Т.е., температура образования шлака из оксидов больше температуры его плавления. Смесь оксидов плавится при более высокой температуре, чем готовый шлак того же состава.

Температура плавления шлаков. Силикаты не имеют определенной точки плавления, и переход из жидкого в твердое совершается на протяжении некоторого температурного интервала (рисунок 1). Для шлаков, различают температуру начала плавления и температуру жидкотекучести, определяемые как начало и конец интервала плавления по кривой охлаждения или нагревания шлака. В интервале плавления происходит переход от закономерностей твердого аморфного тела к закономерностям жидкого тела. В общем, у кислых шлаков, для силикатных сплавов с большим содержанием SiO₂ интервал между точкой и температурой полного расплавления больше, чем для основных шлаков.

Вязкость шлаков. Кроме плавкости очень большое значение имеют данные о вязкости расплавленных шлаков. Для экспериментального определения вязкости применяют следующие приемы.

1. Метод Стокса – по скорости падения шарика в расплавленном шлаке.

2. Метод вращающегося цилиндра.

3. Метод закручивающейся нити.

Зависимость вязкости от температуры и состава. Вязкость шлаков зависит от температуры, и зависимость носит разнообразный характер в зависимости от состава. У одних шлаков эти изменения происходят постепенно, у других, наоборот, резко. У так называемых ''коротких'' шлаков по преимуществу основных, изменение вязкости на одну и ту же величину совершается на протяжении температур значительно меньше, чем у шлаков (кислых). Ле–Шателье предложил эмпирическую формулу зависимости коэффициентов вязкости η от температуры в следующем виде lgη = А + ВТ, где величины А и В являются постоянными, зависящими от свойств вещества, и определяются экспериментально.

Вязкость шлака повышается с повышением его кислотности и достигает наибольших значений у SiO₂. Причина такого заключается в том, что молекулы SiO₂ образуют сложные, по нескольку тысяч молекул, прочные пространственные цепочки, которые лишают жидкость подвижности. Повышение температуры шлака вызывает распад этих сложных ассоциаций на более простые. С чем и связано уменьшение вязкости. С повышением температуры увеличивается число разорванных связей Si–O, вследствие чего энергия активации вязкого течения уменьшается. На диаграммах вязкость изображается в виде изоком, кривых постоянной вязкости при T=const.

В металлургической практике приходится иметь дело со шлаками, обладающими вязкостью от долей пуаза до 50. Шлаки вязкостью 2 – 3 пуаза считаются жидкими, с вязкостью 10–20 пуаз - шлаками средней вязкости, шлаки с вязкостью 50 и более пуаз - очень вязкими шлаками. Густые, вязкие шлаки плохо выпускаются из печи, они уносят с собой много неотстоявшегося металла или штейна. Очень жидкие, подвижные шлаки вызывают повышенное вымывание футеровки.

Электропроводность шлаков. Расплавленные силикаты обладают небольшой электропроводностью. Исследования электропроводности (χ) жидких шлаков позволяют утверждать, что они диссоциированы на ионы. Электропроводность шлаков вблизи точки плавления находится в пределах 0,1–16 ом/см. Высокие значения электропроводность имеют шлаки с высоким содержанием железа или марганца, обладающих наряду с ионной также очень значительной электронной проводимостью. Силикаты и кремнезем обладают очень небольшой электропроводимостью.

Ток переносится главным образом подвижными катионами металлов, а сложные кремнекислородные сплавы практически не участвуют в переносе электричества. Для ионных расплавов величина электропроводности определяется наиболее подвижными ионами, а величина вязкости – наименее подвижными ионами. Увеличение содержания кремнекислоты ведет к понижению электропроводности и к увеличению вязкости. Связь между величинами вязкости и электропроводности шлака описывается уравнением: ηⁿ·χ=С, где: η - вязкость шлака, χ – электропроводность, С – не зависит от температуры, n ≤ 1.

Электропроводность шлаков возрастает с температурой. В большинстве случаев χ резко падает (в 100 раз) при затвердевании. Электропроводность шлаков возрастает с увеличением концентрации основных оксидов, однако, χ увеличивается быстрее числа ионов Ме⁺⁺ - числа переносчиков электричества. Т.к. электропроводность определяется не только числом переносчиков, но и их подвижностью, то описанное явление означает, что подвижность ионов сильно возрастает при уменьшении содержания SiO₂.

Влияние на электропроводность шлаков оказывает размер катионов, вводимых в шлак. Катионы с меньшим ионным радиусом (Fe⁺², Zn⁺², Mn⁺²) увеличивают электропроводность шлаков больше, чем катионы с большим радиусом иона (Са⁺²). О влиянии размеров ионов на электропроводность говорит и то, что если компоненты образуют химическое соединение, то электропроводность этого соединения будет ниже, чем у более электропроводного оксида, вступающего в соединение.

Плотность шлаков - имеет очень большое значение в металлургической практике. Чем больше разница между плотностью шлака и основного продукта плавки, тем лучше и быстрее происходит разделение жидких фаз. Плотность шлаков можно определить исходя из правила аддитивности и она колеблется в пределах 2,8–4 г/м³. Плотность основных шлаковых компонентов (ρ, г/см³): FeO - 3.7, CaO - 3.6, SiO₂ - 2.6, Al₂O₃ - 4.8.

Химические свойства шлаков. Окислительно-восстановительный потенциал шлака определяет возможность выделения металлов из оксидов шлака. Чем выше окислительный потенциал шлака, тем труднее из него выделить металлы. Потенциал реального шлака равен ≈ 0,345 в.

Поверхностное натяжение. Имеет очень большое значение при разделении продуктов плавки. Может регулироваться различными добавками. Влияет на показатели разделения жидких фаз (шлака и металла). Повышение кислотности шлака приводит к уменьшению поверхностного натяжения.

Закон распределения элементов между жидкими фазами. Если на ванну металла (Ме) поместить шлак, содержащий свободный оксид МеО, то через некоторое время в металлической ванне обнаруживается МеО. Переход МеО из шлака в металл будет происходить до установления равновесия с константой распределения: или .

Это выражение закона распределения Нернста для разбавленных растворов.

То же самое произойдет и с металлом: . (: Аu = 1000-2000; Ag = 400-500; Cu = 50; Si = 0.01-0.04).

Потери металлов в шлаке. Величина потерь металла в шлаке зависит от состава и температуры шлака, характера процессов плавления шихты и разделения жидких фаз. Существуют три вида потерь металла в шлаках:

1. Химические потери. Шлаковая фаза содержит в растворе оксиды извлекаемого металла.

2. Физические потери. Шлак содержит в себе растворенные металлы или сульфиды (при плавках на штейн).

3. Механические потери. Шлаковая фаза может механически увлекать с собой не отделившиеся капельки другой, ценной фазы (металла или штейна) и выносит их с собой из плавильного агрегата в отвал.

Химические потери возникают в результате не завершённости основных реакций. При восстановительной плавке это: MeO + C = Me + CO (CO₂) и MeO + Me₁ = Me₁O + Me; при плавке на штейн: MeO + FeS' (CaS) = MeS + FeO (CaO).

Значительное содержание оксида извлекаемого металла в шлаке свидетельствует о серьезных нарушениях технологии и условий плавки: недостатке восстановителя или сульфидизатора; очень быстром проведении процесса, когда время протекания основных реакций сокращено.

К химическим потерям приводит окисление металла шлаком: (Me₁O)_шл+[Me]=(MeO)_шл+[Me₁]

Физические потери возникают в результате растворимости сульфидов и металлов в шлаке, и их величина зависит от состава шлака и всегда повышается с повышением температуры шлака. При охлаждении и затвердевании шлака эти сульфиды выпадают в форме самостоятельной сульфидной фазы, диспергированной в массе шлака. Снижение потерь от растворения в шлаке сульфидов достигается работой на кислые и маложелезистые шлаки, при возможно более низкой температуре.

Механические потери, т.е. потери вследствие незавершенности процесса отстаивания более тяжелой ценной фазы от шлака, зависит от соотношения плотностей разделяемых фаз, вязкости шлаковой фазы и продолжительности процесса отстаивания. Механические потери редко наблюдаются при плавках на металл, т.к. большое различие в плотностях, что не препятствует ликвации. При плавках на штейн механические потери – основной вид потерь.

Поиск по сайту: