Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







Основные сведения о структуре и физико-химических свойствах металлургических расплавов





Шлаки

Шлаковым расплавом называется сложныйсплав оксидов получаемый в результате пирометаллургической переработки руды или концентратов. Шлаки формируются из оксидов пустой породы и специально вводимых флюсов и служат для отделения компонентов пустой породы от ценных продуктов. Иногда, например титановые шлаки, являются исходным сырьем для получения готовой продукции.

Роль шлаковых расплавов в цветной металлургии очень велика. В шлаках при высоких температурах протекают важнейшие химические процессы. Таким образом, термодинамика и кинетика пирометаллургических процессов в ряде случаев непосредственно зависят от физико-химических свойств шлаков. Вследствие обычно низкого содержания ценных компонентов в сырье и высокого содержания компонентов пустой породы пирометаллургические процессы цветной металлургии характеризуются высоким выходом шлака (иногда до 100-120 % от массы руды). Свойствами шлака определяются такие показатели металлургического производства, как производительность металлургических агрегатов, а также расход топлива и себестоимость передела. В ряде пирометаллургических процессов шлаки выполняют роль защитной среды, предохраняющей полученный металл от окисления. В электротермических процессах, протекающих при высоких температурах, шлаковые расплавы выполняют функции элементов сопротивления. Шлаковые расплавы иногда применяют для очистки жидких металлов от примесей. В соответствии с законами распределения компонентов между фазами, жидкие шлаки, контактировавшие в ходе процесса с сульфидами (штейнами) или черновыми металлами, всегда содержат некоторое количество цветных металлов. Хотя содержание цветных металлов в шлаке относительно невелико (0,1-1,5 %), вследствие большого выхода шлаков потери с ними ценных составляющих значительны. Затраты на сырье в цветной металлургии нередко составляют 80—90 % от общих затрат, поэтому проблема снижения потерь металлов с отвальными шлаками является одной из главных в цветной металлургии. Важнейшими оксидами, составляющими основу шлаков цветной металлургии, являются SiO2, (FeO + Fe2O3), СаО, MgO, Al2O3, ZnO. Кроме того, в них входят в значительно меньших количествах оксиды щелочных металлов, а также Сг2O3, BaO, V2O5, МnO и др. В жидких шлаках растворяется заметное количество сульфидов, главным образом, FeS. Содержание серы в некоторых шлаках достигает 2-3 %..



 

Структура оксидных расплавов

До начала 40-х годов в металлургии господствовала молекулярная теория строения силикатных расплавов. Согласно этой теории оксидные расплавы состоят из молекул, в большей или меньшей степени подвергшихся термической диссоциации на простейшие оксиды. Постулировалось существование нескольких прочных соединений, которые во мнению сторонников этой гипотезы, составляли основу шлаковых расплавов. Ктаким соединениям относили СаО.SiО2, FeO.SiО2, 2MnО.SiО2, 3CaO.Fe2O3, 4CaO. Р205. При расчете реакций по молекулярной теории все сводилось к подбору эмпирических коэффициентов диссоциации данных соединений. Эту схему, детальную разработку которой осуществил Шенк, нельзя признать удовлетворительной ни по выбору важнейших соединений, ни во подбору уравнений для расчета констант равновесия. Несоответствие как качественной, так и количественной стороны молекулярной теории данным практики вызывало справедливую критику ее основных положений.

Накопление экспериментального материала по строению и свойствам силикатов, стекол и шлаков привело к возникновению ионной теории шлаков. Впервые на электролитическую теорию шлаков указал В.А. Ванюкова еще в 1912 г. В настоящее время в значительной мере благодаря работам отечественных ученых (О. А. Есина, Л.А. Шварцмана, А. В. Ванюкова, А.М Самарина, В А. Кожеурова и других) ионная теория строения шлаковых расплавов получила всеобщее признание Согласно ионной теории строения шлаковых расплавов компоненты, составляющие шлак, находятся в расплаве в состоянии ионной диссоциации. А если так, то все важнейшие электрохимические явления, характерные для растворов электролитов, свойственны также и шлаковым расплавам. Действительно, обширные исследования физико-химических свойств шлаковых расплавов, проведенные в последние десятилетия, подтвердили это соображение. Например, для ряда жидких силикатов(так же как для электролитов) соблюдается закон Фарадея, при плавлении некоторых силикатов отмечен скачок электропроводности, установлено существование электрокапиллярных явлений в расплавах металл (сульфид) - шлак, созданы гальванические элементы в ячейках с расплавленными силикатами в качестве электролита и т.д. В пользу ионной теории строения жидких силикатов свидетельствуют кристаллохимические исследования стекол (стекла можно рассматривать как переохлажденные жидкости).

Природа химической связи в различных твердых оксидах различна. Для щелочных и щелочноземельных металлов связь металлов с кислородом преимущественно ионная. Для кремния велика доля ковалентной связи. При расплавлении характерсвязи меняется незначительно. По этой причине кремнекислородные комплексы, связь в которых в значительной мере остается ковалентной, можно рассматривать как своеобразные кремнекислородные анионы. Связь этих анионов со щелочными и щелочноземельными металламиосуществляется преимущественно вследствие электростатического взаимодействия, носит преимущественно ионный характер. По этой причине шлак можно представить состоящим из простейших катионов и сложных анионных комплексов. Остановимся на этих вопросах несколько более подробно.

Ионы, составляющие шлаковые расплавы. Неравноценны по своим энергетическим характеристикам. Это связано с разными эффективными зарядами ионов и их размерам. Критерием силы катиона (полуколичественная оценка) может служить величина ионного потенциала i=z/r (z - заряд; г - радиус иона). Неравноценность различных катионов при взаимодействии их с анионами кислорода наиболее яркопроявляется, если рассматривать зависимость поверхностного натяжения σ от i. Величина поверхностного натяжения расплава качественно отражает значение энергии связи Me2+-O2-. В ряду щелочных и отчасти щелочноземельных катионов по мере роста ионного потенциала наблюдается прямо пропорциональный рост поверхностного натяжения (рисунке 2.17). Это отвечает увеличению электростатического взаимодействия с возрастанием ионного потенциала. Однако, начиная с нона Mn2+ ход зависимости меняется на обратный, что объяснятся изменением у сильных катионов характера связи с анионами кислорода. Если связь катионов щелочных и щелочноземельных металлов с анионом кислорода носит преимущественно ионный характер, то при возрастании ионного потенциала (начиная с Мn2+) все большую роль начинает играть ковалентная составляющая. Энергия связи между катионом и анионом кислорода возрастает, происходит частичное замыкание связей внутри элементарной ячейки.

 
 

В зависимости от своих энергетических характеристик и вида связи катионы по-разному ведут себя в расплавах. Все катионы можно разбить две большие группы. К первой группе относятся катионы модификаторы, отличающиеся преимущественно ионным характером связи катионов с кислородом - это катионы щелочных и щелочноземельных металлов, катионы железа, цинка, цветных металлов и др. Многозарядные сильные катионы типа кремния, алюминия, бора, титана, связь которых скислородом в значительной мере ковалентна, относятся ко второй группе катионов сеткообразователей. Из этих катионов наибольшее значение имеет кремний. Рассмотрим более подробно поведение кремнезем при переходе его в жидкое состояние.

 

 

Рисунок 2.17. Зависимость парциальных величин поверхностного натяжения в стеклах от ионного потенциала катионов (значения σ в стеклах близко к σ чистых окислов)

 

Как показывают многочисленные физико-химические исследования в кварце и силикатах, эффективный заряд катиона кремния равен +2, а кислорода -1. В координационной решетке кремнезема ион кислорода принадлежит одновременно двум катионами кремния. Структурной единицей кремнезема и силикатов является простейший кремнекислородный комплекс SiO44-. Строение кремнекислородного тетраэдра представлено на рисунке 2.18. Связывание катионов кремния со своими соседями происходит через анионы кислорода.

Финч и Ричардсон предложили в свое время охарактеризовать состояние кислорода, находящегося в силикатном расплаве, как термодинамическое равновесие трех его форм:

1. ≡Si-O-Si≡ – отрицательно заряженный атом кислорода, спаренный с двумя атомами кремния, так называемый связанный кислород.

2. Кислород, связанный одной валентностью с кремнием, а другой с катионом-модификатором -Me-O-Si≡.

3. Так называемый свободный кислород в виде аниона O2-.

 

 
 

 

 

Рисунок 2.18. 1- Si4+; 2- O2-; 3 – Me2+; a – тетраэдр; б, в - соответственно структуры твердого и жидкого кварца; г, д - схема образования силикатных комплексов (1 – ион кремния; 2 – ион кислорода; З – катион- модификатор)

 

 

Структуру твердого кремнезема можно представить как трехмерную сетку, состоящую из анионов кислорода первой формации и катионов кремния. При нагревании и плавлении происходит разрыв лишь некоторого количества связей. Трехмерная решетка кремнезема при плавлении полностью“ не разрушается. На это указывает очень высокое значение вязкости жидкого кремнезема (3.107 Па.с), незначительное приращение молярного объема при переходе из твердого состояния в жидкое и ряд других факторов. Если в жидкий кремнезем вводить какое-то количество катионов-модификаторов (например, оксидов щелочных металлов), то это приведет к разрыву трехмерной сетки по схеме, изображенной на рисунке 2.18, б. Как показывают расчеты, при наличии врасплаве 12 % Ме2O или 20 % MeOкаждая пятнадцатая связь в решетке оказывается разорванной, но катионы Me2+ еще со всех сторон остаются окруженными цепями кремнекислородных комплексов типа SixOyz-. Повышение концентрации оксидов катионов-модификаторов в расплаве (рисунок 2.18, г, д) приводит к увеличению количества разорванных связей трехмерной сеткикремнезема вплоть до образования отдельных дискретных кремнекислородных комплексов переменного состава. Энергетическая неравноценность ионов многокомпонентного шлакового расплава приводит к возникновению микронеоднородности расплавов.

Процесс разукрупнения кремнекислородных комплексов при введении в шлак оксидов катионов-модификаторов упрощенно можно представить следующим образом. В расплаве шлака оксид катиона-модификатора будет диссоциировать с образованием простейших ионов:

MeO=Me2++O2-

Повышение активности иона кислорода будет приводить к сдвигу вправо реакции (например):

Si2O76- + O2- =2SiO44-

С образованием более простых кремнекислородных комплексов.

С ростом температуры константа данной реакции увеличивается, что приводит к разукрупнению кремнекислородных комплексов.

Рассмотренные представления о структуре шлаков легли в основу ряда полимерных теорий (моделей) их строения, которые развивались в работах Мэссона, О.А. Есина и др. Использование данного подхода дало возможность описать свойства некоторых простейших бинарных шлаковых систем, однако, для многокомпонентных шлаков он мало пригоден, прежде всего, из-за отсутствия термодинамических данных для реакций с участием кремнекислородных комплексов различной сложности. В то же время, рассмотренная модель строения шлаков позволяет принципиально (качественно) понять и объяснить закономерности изменения ряда важных физико-химических свойств шлаков.

Физические свойства шлаков

Поверхностное натяжение шлаков.

Большинство процессов в цветной металлургии протекают в гетерогенных системах, имеющих поверхность раздела несмешивающихся фаз. Поэтому поверхностные свойства играют важное значение в пирометаллургических процессах. В частности, от величины поверхностного натяжения на границе штейн-шлак зависят размеры устойчивого зародыша и процесс коалесценции фаз в расплаве, смачивание шлаком флюсов и огнеупоров, а вместе с тем и кинетика взаимодействия шлаков с флюсами, пропитка и разрушение огнеупоров. Поверхностные свойства расплавов влияют на скорость многих пирометаллургических процессов, вспенивание шлаковых расплавов и выделение газов из металлов.

Между величиной поверхностного натяжения и природой связи в жидкостях существует определенная корреляция. Молекулярная связь осуществляется слабыми молекулярными силами, что проявляется в малой величине поверхностного натяжения (2-3.10-2 Дж/м2). У ионных расплавов величина поверхностного натяжения заметно выше (10-20.10-2 Дж/м2). У расплавов, включающих сильные в энергетическом отношении катионы, в которых связь носит смешанный ионно-ковалентный характер, величина поверхностного натяжения колеблется в пределах 20-40.10-2 Дж/м2. К этому классу жидкостей принадлежат металлургические шлаки. В расплавах металлов с сильной связью величина поверхностного натяжения составляет 120-130.10-2 Дж/м2.

Экспериментальные исследования показывают, что для таких жидких фаз металлургического производства, как штейны и шлаки, поверхностное натяжение, т.е. межфазное натяжение на границе жидкость - газ, изменяется в зависимости от их состава и температуры в пределах 300 до 500 мН/м (мДж/м2). Зависимость поверхностного натяжения от состава шлака или штейна описать аналитически обычно не удастся, т.к. с изменением состава шлака происходят достаточно сложные перестройки его структуры. Поэтому измеренные экспериментально значения обычно представляют в виде диаграмм, на которых изображены линии равного уровня σ - изотензы. Одна из подобных диаграмм для одной из оcновных шлаковых систем FeO-CaO-SiO2 приведена на рисунке 2.19. Подробнее диаграммы представлены в (Ванюков, Зайцев, 1969)

 

 
 

Рисунок 2.19. Диаграмма изотенз шлаковой системы FeO-CaO-SiO2

 

Нередко возникает задача оценить влияние на поверхностное натяжение расплава какого-либо постороннего компонента, растворяющегося в исходном шлаке в небольшом количестве. Все компоненты по их влиянию на поверхностное натяжение исходного расплава можно разделить на поверхностно активные вещества, ПАВ, и поверхностно инактивные. ПАВ понижают поверхностное натяжение, поэтому они скапливаются на поверхности, т.к. это ведет к снижению общей энергии системы. Инактивные вещества равномерно распределяются по всему объему расплава.

Зависимость поверхностного натяжения от концентрации инактивного вещества, как правило, хорошо описывается линейной формулой:

σ = σ0 + k.x

ПАВ наиболее резко снижают σ при небольших добавках. К поверхностно активным веществам в шлаковых расплавах относятся катионы щелочных металлов, фосфора, анионы серы, фтора, некоторых других элементов.

Рисунок 2.20. Влияние добавок некоторых веществ на поверхностное натяжение шлака, содержащего: 27%SiO2; 36% FeO; 6% Fe2O3; 31%SiO2, при 1350 С. 1 – MnO.SiO2; 2 – TiO2; 3 - SiO2; 4 – Na2O; 5 – CaF2; 6 – P2O5.

 

Температурная зависимость поверхностного натяжения для большинства расплавов, в которых не происходит изменение структуры, имеет линейный характер:

σ = σ0 + k.(T-TПЛ)

Численные значения коэффициентов k для большинства жидкостей отрицательны, т.к. поверхностное натяжение для них падает с ростом температуры. Однако, для шлаков в определенной диапазоне температур (при не слишком высоких температурах) величина k аномальна – положительная (т.е. σ растет с ростом T), что связано с разукрупнением кремнекислородных комплексов при увеличении температуры.

Плотность шлаков.

Плотность жидких металлов и шлаков изменяется от 2000 кг/м3до 15000 кг/м3.

Зависимость от состава и температуры.

Часто можно слышать утверждение, что плотность некоторых шлаков отличается от идеальной. Что же такое идеальное поведение плотности при смешении? Представим себе, что смешиваются две жидкости полностью растворимые друг в друге, причем число молей первой – N1, второй – N2, массы соответственно – M1, M2, объемы – V1, V2. По определению плотности обеих жидкостей составляют:

 

При смешении масса смеси, по закону сохранения массы, равна:

MСМ=M1 + M2.

Тогда объем смеси будет равен:

VСМ = V1 + V2 + ∆VСМ.

Под идеальным понимают такое смешение, при котором изменения объема смеси при смешении не происходит:

∆VСМ=0.

Это означает, что мольный объем аддитивен, т.е. равен сумме двух мольных объемов. В этом случае мольный объем, например, бинарного шлака зависит линейно от молярного содержания одного из компонентов. Отклонение от аддитивной прямой характеризует взаимодействие между структурными единицами расплава. Так наличие отрицательного отклонения свидетельствует об усилении взаимодействия между частицами, определяющего более плотную упаковку частиц. Увеличение расстояния между частицами, ослабление энергии связи, предшествующее расслаиванию фаз, выражается в наличии положительного отклонения плотности от аддитивной прямой.

По данным разных экспериментальных исследований плотность железосиликатных шлаков FeO-SiO2 снижается при увеличении концентрации более легкого компонента SiO2 от 4,5-4,8 (чистый FeO) до ~3,5 г/см3 (при мольной доле кремнезема 0,4).

С увеличением температуры плотность шлаков прямо пропорционально снижается, т.е. температурная зависимость плотности расплавов подчиняется линейному закону:

ρ = ρпл.(1 - k.(T-Tпл)], ()

где ρпл- плотность жидкости при температуре плавления; Тпл- температура плавления.

Для грубых расчетов ориентировочно можно считать, что плотность шлаковых расплавов снижается примерно на 0,2-0,3 г/см3 при увеличении температуры на 100 градусов.

Плотность шлаков важна для металлургов по нескольким причинам.

Во-первых, в металлургическом производстве продукты процессов обычно измеряют объемами - чашами, ковшами и т.п., расчеты же баланса металлов проводятся в массовых единицах. Ясно, что для увязки таких измерений и расчетов необходимо знать плотности расплавов.

Во-вторых, плотность является структурно-чувствительной величиной. Действительно, если при добавлении к шлаковому расплаву какого-либо компонента плотность сильно повышается, это свидетельствует об образовании в расплаве плотных микро группировок, состав которых отвечает, как правило, какому-то соединению. Этот вопрос мы рассмотрим подробнее.

В-третьих, на взвешенные в шлаке капельки штейна кроме силы тяжести действует еще и архимедова выталкивающая сила, значит, на скорость осаждения взвешенных капелек будет оказывать влияние разность плотностей.

FАРХ = V.(ρШТ - ρШЛ).g

Таким образом, плотность влияет на величину механических потерь металлов со шлаками.

В-четвертых, плотность жидкости и ее поверхностное натяжение влияют на процесс образования пузырьков при истечении газа из отверстий. Это особенно важно для барботажных процессов, получивших развитие в пирометаллургии цветных металлов в последние 40 лет.

Вязкость шлаков.

В металлургической практике необходимо предвидеть динамические свойства шлака, его способность протекать через отверстия, течь по желобам, вытекать из ковшей, тормозить движение взвешенных в нем капелек металла или штейна. Эти динамические свойства обычно называют текучестью или вязкостью. В отличие от физических свойств, рассмотренных раньше, вязкость в большинстве случаев очень сильно зависит от состава шлаков и температуры.

Зависимость от состава и температуры. В настоящее время отсутствует сколько-нибудь надежная теория, способная предсказать зависимость вязкости шлака от его состава. Так, например, может показаться, что вязкость шлака прямо связана с тем, насколько перегрет шлак по сравнению с его температурой плавления, т.е., что вязкость непосредственно связана с диаграммой плавкости. Это, однако, далеко не так: шлак состава 20% CaO, 62% SiO2 и 17% Al2O3 имеет Тпл=1165 °С, а при температуре 1400 °С его вязкость составляет 75 П. Другой шлак, содержащий 38% CaO,50% SiO2, 12% Al2O3 плавится при температуре 1310 °С, но при той же температуре 1400°С (т.е. при меньшем перегреве) имеет всего 6 П. Однако, в ряде случаев связь поведения вязкости с диаграммой плавкости все же наблюдается.

Обычно, рассуждая качественно, влияние состава шлака на его вязкости связывают с изменением структуры его строения. Причем считается, что вязкость шлака повышается с увеличением в нем доли компонентов, способных образовывать длинные полимеризованные цепи, поскольку в этом случае снижается подвижность структурных единиц жидкости. Такие рассуждения основаны на теории Эйнштейна-Смолуховского, которая связывает вязкость с размером подвижных частиц жидкости. В шлаках цветной металлургии к компонентам, способным образовывать цепи и сетки, прежде всего, относится SiO2. Поэтому с ростом содержания SiO2 в шлаке его вязкость повышается. Это обстоятельство учитывается на практике при выборе состава шлака.

Экспериментальные данные о вязкости шлаков различного состава обычно представляют графически в виде диаграмм с линиями равной вязкости - изокомами. Диаграмма изоком для шлаковой системы CaO-SiO2-FeO-Al2O3 при 10% Аl2O3 и 1300°С приведена на рисунке 2.21.

 

 
 


Рисунок 2.21. Диаграмма вязкости шлаков CaO-SiO2-FeO-Al2O3 при 10% Аl2O3 и 1300°С.

 

Кроме состава шлака на его вязкость влияет еще два фактора - температура и наличие взвеси в шлаке другой фазы.

Течение жидкости является активационным процессом, поэтому зависимость вязкости данного шлака от температуры описывается обычно в виде эмпирических зависимостей активационного типа:

lg(lg(μ)) = a + b.T

или

lg(μ) = a + b.T.

Коэффициенты в этих уравнениях определяют при обработке экспериментальных данных по вязкости каждого конкретного шлака.

 
 

Для двухфазной системы, образованной сферическими частицами дисперсной фазы, независимо от ее агрегатного состояния получено выражение вязкости:

 

где μс, μд- вязкости сплошной и дисперсной фаз соответственно.

Отсюда для твердых частиц (μд >> μс) получается известная формула Эйнштейна:

μЭФ = μС (1 + 2,5.φ)

а для дисперсии газовых пузырьков (μд<< μс)

μЭФ,= μС (1 + φ)

Приведенные формулы хорошо согласуется с экспериментальными данными, когда доля дисперсной фазы φ < 10%. В концентрированных дисперсиях эффективная вязкость больше, чем рассчитываемая по приведенным формулам. Такие системы нельзя рассматривать как ньютоновскиежидкости, т.е. они не удовлетворяют предложенному выше определению вязкости, в котором предполагалось постоянство градиента скорости по нормали к поверхности. Отметим, однако, что объемная доля в шлаке для большинства пирометаллургических процессов составляет величину не более 5%, поэтому приведенные формулы вполне справедливы для таких систем.

Влияние на металлургические процессы

В каких же практических металлургических расчетах необходимо знать вязкость шлаков? Прежде всего, в расчетах скоростей всплывания и оседания частиц, пузырьков газов, капелек штейна. Рассмотрим влияние вязкости на скорость оседания капелек штейна в шлаке. Пусть на поверхности шлака попадает капелька более тяжелого штейна. На эту капельку действует следующие силы:

1) Сила тяжести;

2) Сила Архимеда;

3) Сила сопротивления, обусловленная вязкостью шлака.

Закон Стокса утверждает, что сила трения пропорциональна скорости движения капельки. Тогда можно записать, что:

где r - радиус капли.

Значит, чем больше вязкость шлака, тем медленнее в нем оседают взвешенные частички. Уравнение позволяет определить и время, необходимое для отстаивания взвеси. Опыт показывает, что удовлетворительным в технологическом отношении является шлаки с вязкостью до 5 П.

 
 

В случае, если в шлаке присутствует не твердая, а жидкая дисперсная фаза, то формула изменяется. Это объясняется тем, что жидкость прилипает к поверхности твердого тела и, таким образом, неподвижна относительно него. Если же дисперсной фазой является другая жидкость или газ, происходит относительное движение фаз. Адамар и Рыбчинский теоретическим путем получил формулу для определения скорости всплывания сферической частицы жидкой или твердой фазы:


Анализ формулы для случая всплывания газовых пузырьков показывает, что при одинаковой разности плотностей газовый пузырек будет всплывать в 1,5 раза быстрее.

 
 

При турбулентном истечении газа из фурмы формула для определения объема пузырька Vптакова:

 

где Vп - объем пузырька; Fг - объемный расход газа, м3/с; S - площадь сечения отверстия, м2.

Для расчета размера пузырька по этой формуле требуется решить алгебраическое уравнение 4-го порядка.

В заключении отметим что для большинства шлаковых расплавов их вязкость определяет транспортные свойства такие, как диффузия и электропроводность, когда в шлаке действуют градиенты химических и электрохимических потенциалов. Связь этих свойств была обоснована теоретически и выражается классическими уравнениями Стокса-Эйнштейна и Нернста-Эйнштейна.

Штейны.

Сульфидные расплавы (а штейны, напомним, это сплав сульфидов) играют важную роль в металлургии цветных металлов, поскольку сульфидные руды (при переработке которых и образуются штейны) – основное сырье для получения таких металлов, как медь, никель, свиней и другие. Головной пирометаллургической операцией в ряде технологических процессов служит расплавление сульфидных руд и концентратов с целью отделения компонентов пустой породы, содержащей оксиды кремния, кальция, железа в шлак. Ценные металлы при этом концентрируются в более тяжелой фазе – штейне. В некоторых процессах специально осуществляется сульфидирование оксидов цветных металлов с целью концентрирования их в штейне. При некоторых восстановительных процессах выплавляются металлизированные штейны, т.е. штейны, содержащие металлы не только в сульфидной форме, но и в свободной металлической форме.

Количественной теории строения жидкого состояния сульфидов на сегодняшний день не существует. До начала 60-х годов в литературе жидким сульфидам по аналогии с оксидными расплавами чаще всего приписывали ионное строение. Однако, сравнение твердых оксидов указывает на существенное различие между этими власами соединений. Для сульфидов характерна большая степень ковалентности связи Me-, чем у оксидов. По своим электрофизическим характеристикам большинство сульфидов надо относить к полупроводникам.

Следует отметить также значительные отклонения состава сульфидов (как чистых сульфидов отдельных металлов, так и штейнов) от стехиометрических соотношений – чаще всего с недостатком серы. Степень нестехиометричности зависит от условий формирования штейновых расплавов – восстановительности атмосферы, давления паров серы и др. При охлаждении сильно металлизированных расплавов с недостатком серы из них выделяется металлическая фаза, что необходимо учитывать при организации ряда металлургических процессов.

Плотность штейнов.

Плотность штейнов имеет важное значение для разделения фаз. Чем больше разность плотностей шлака и штейна, тем быстрее идет их разделение. Знание плотности штейнов необходимо для расчета уровней расплавов в металлургических печах и т.д.

 
 

Плотность сульфидных расплавов систем Cu-Fe-S и Ni-Fe-S и в бинарной системе Cu2S-Ni3S2 по данным разных исследований приведены на рисунках 2.22 и 2.23.

 


Рисунок 2.22. Диаграмма плотности расплавов системы Cu-Fe-S (а) и Ni-Fe-S (б) при 1300°С.

 

 

Рисунок 2.23. Влияние состава на плотность в системе Cu2S-FeS по данным различных исследований

 

Плотность штейнов возрастает при увеличении содержания никеля и меди от ~4 до ~5,7 г/см3 с уменьшением в них серы. Плотность металлизированных никелевых штейнов может достигать 7 г/см3. С ростом температуры плотность штейнов снижается, но в меньшей степени, чем плотность шлаков.

Вязкость штейнов.

По сравнению с вязкостью шлаков вязкость штейнов менее важна для физико-химических взаимодействий при плавке. В то же время она вместе с поверхностным натяжением имеет значение для взаимодействия штейновых расплавов с огнеупорами, определяет условия жидкотекучести штейнов, что необходимо, например, для беспроблемного выпуска штейнов из печей, нормального течения штейновых расплавов по перетокам и желобам и т.д.

Вязкость сульфидных расплавов значительно ниже вязкости шлаков и составляет порядка 0,005 Па.с. Особенно низкой вязкостью обладают железистые расплавы. По этой причине штейны (особенно бедные и перегретые) легко проникают в малейшие поры и трещины. Этому способствует также и их легкая окисляемость. Вязкость штейновых расплавов снижается при увеличении температуры и содержания сернистого железа.

Поверхностное натяжение штейнов.

Поверхностное натяжение штейнов близко к σ шлаков. Диапазон изменения поверхностного натяжения медных и никелевых штейнов составляет (35-40).10-2 Дж/м2. Большое поверхностное натяжение связано с повышенным содержанием в штейнах свободных металлов (большая степень металлизации).

Снижению поверхностного натяжения способствует присутствие в них примесей оксидов железа (особенно магнетита), сульфидов цинка и др.

 

 









Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...





Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2021 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.