Лекция 8. Физико–химические свойства шлако-штейновых систем. (свойства жидких шлаков и штейнов. Равновесие в системе шлак-штейн –газовая фаза)

План лекции:

1. Состав металлургических штейнов.

2. Равновесие в системе шлак-штейн

Штейном называется сплав сульфидов тяжелых цветных металлов (меди, никеля, свинца, цинка и др.) с сульфидом железа, в котором растворены примеси. Штейны являются промежуточными металлсодержащими продуктами, получение которых характерно для пирометаллургии меди, никеля и частично свинца.

В практике цветной металлургии получают медные, медноникелевые, никелевые и полиметаллические штейны (табл. 1). Они образуются в жидком состоянии и практически не смешиваются с жидкими шлаками, что позволяет отделять их друг от друга путем отстаивания. Для успешного разделения штейнов и шлаков необходимо, чтобы разность их плотностей составляла не менее

Таблица 1 - Состав штейнов

Вид штейна Содержание, %

т/м³. Чем больше эта разность, тем быстрее идет отстаивание. Так, если шлак имеет плотность около 3000 кг/м³, то плотность штейна должна быть не менее 4000 кг/м³.

Основными компонентами медных штейнов являются сульфиды меди и железа (Cu₂S и FeS). В медно-никелевых штейнах преобладают Ni3S2 Cu₂SnFeS.

Характерными особенностями медных и медно-никелевых штейнов являются примерное постоянство в них содержания серы (23 . . . 27 %) и обязательное присутствие кислорода в форме растворенных оксидов железа (Fe3O4). При выполнении металлургических расчетов содержание серы в таких штейнах принимают равным 25 % (правило проф. Мостовича). Концентрация кислорода уменьшается с увеличением в штейнах содержания основного металла (Cu или Ni + Cu), т.е. чем беднее штейн (чем больше в нем железа), тем больше будет содержаться в нем кислорода. Расчетный состав медных штейнов следующий, %:

Медные и медно-никелевые штейны являются хорошими растворителями (коллекторами) всех благородных металлов. Кроме того, они обязательно содержат селен и теллур и ряд других примесей (мышьяк, сурьму, висмут, кадмий и др.).

В никелевых штейнах содержание серы переменно. Оно зависит от количества образовавшегося при плавке ферроникеля (сплава металлического железа с никелем). Чем большей будет металлизация штейна, тем ниже содержание в нем серы. Кислорода в никелевых штейнах практически нет.

Штейновые расплавы отличаются очень небольшой вязкостью. При температурах плавки (1200... 1300 °С) их вязкость составляет не более 5 • 10³ Па * с. Вязкость штейнов снижается при увеличении температуры, а также содержания серы и железа. Очень бедные штейны настолько жидкотекучи, что легко проникают в мельчайшие поры и трещины футеровки.

Плотность расплавленных штейнов возрастает при увеличении содержания меди и никеля от 4000 до 5700кг/мэ. При высокой металлизации штейнов их плотность может достигать больших значений (до 7 т/м3).

Плотность

Плотность шлака является функцией плотности его компонентов, важнейшие из которых имеют следующую плотность при комнатной температуре (г/см³):

• CaO 3,40
• MgO 3,65
• SiO₂ 2,26
• FeO 5,70
• Fe₂O₃ ........ 5,24
• MnO 5,40

На плотность шлака наибольшее влияние оказывают тяжелые компоненты FeO, Fe₂O₃ и MnO.

Вязкость, текучесть

Свойство вязкости, противоположное жидкотекучести, является важнейшим физическим свойством жидкого шлака. Активность шлака в большей мере зависит от вязкости, которая в свою очередь является функцией химического состава и температуры шлака.

Величину, обратную вязкости, называют текучестью. Единице динамической вязкости присвоено название пуаз (имеет размерность г/см•сек).Значения вязкости в технических единицах следующие: 1 техн. ед. вязкости = 1 кг•сек/м² = 98,1 пз.

С повышением температуры вязкость шлаков уменьшается, а текучесть, наоборот, увеличивается. Ранние шлаки обычно гетерогенны и, следовательно, обладают повышенной вязкостью. Шлаки обладают в 10—150 раз большей вязкостью, чем металл.

Контрольные вопросы:

1. Объяснить состав металлургических штейнов.

2. Показать равновесие в системе шлак-штейн