6. Металлургические расплавы
Основными видами расплавов, которые встречаются в пирометаллургии цветных металлов, являются: металлические расплавы, металлургические шлаки, сульфидные расплавы, солевые расплавы.
6.1. Металлические расплавы в металлургической практике могут быть либо промежуточным черновым металлом (полупродуктом), либо конечным продуктом производства. Первой характеристикой металлических расплавов является их химический состав. Основными свойствами металлов, имеющих значение при пирометаллургических способах производства, являются: плотность, температура плавления и кипения, возможность взаимодействовать с другими продуктами процесса (шлак, газовая фаза) и футеровкой печи, вязкость, поверхностное натяжение и т.д. Привести конкретные примеры металлов и их свойств.
6.2. Металлургические шлаки в основном представляют из себя сплав оксидов сложного состава, формируемый из оксидов пустой породы металлургического сырья, вводимых в шихту флюсов, футеровки металлургических печей. В шлаках при высоких температурах протекают важнейшие физико-химические превращения. Выход шлаков иногда может быть очень большим. Поскольку жидкие шлаки всегда контактируют с сульфидными расплавами или черновыми металлами, то они всегда содержат некоторое количество извлекаемых металлов. Содержание цветных металлов в шлаках обычно невелико ( 0,1-2%), но при большом их выходе потери металлов со шлаками могут быть значительными. От выхода и свойств шлака зависят и другие показатели плавок.
Важнейшими оксидами, входящими в состав шлаков цветной металлургии, являются: SiO2, (FeO+Fe2O3), CaO, MgO, Al2O3, ZnO. Привести составы шлаков из различных производств цветных металлов.
Технологические требования к шлакам: определенная температура правления, хорошая жидкотекучесть, небольшая плотность, минимальные потери ценных металлов. Экономичность шлака.
Привести температуры плавления и плотность отдельных составляющих шлаков и их влияние на свойства шлака.
Ионная теория строения шлака. Простейшие катионы шлака Na + , K + , Mg 2+ , Ba 2+ , Ca 2+ , Fe 2+ и др. Простейший кремнекислородный анион SiO4 4- , при полимеризации которого могут образоваться более сложные кремнекислородные анионы, например Si2O7 6- , Si3O9 6- , Si3O10 8- и др. Алюминий и трехвалентное железо могут находиться как в виде простых катионов Al 3+ и Fe 3+ , так и образовывать комплексные анионы типа AlO2 — , FeO2 — , Al2O7 5- и др. Есть в шлаке и простые анионы О 2- и S 2- , а также другие катионы и анионы.
Плавкость шлаковых систем можно оценивать по двойным и тройным диаграммам основных оксидов (SiO2, FeO и CaO), входящих в состав шлаков цветной металлургии. Привести данные о плотности шлаков, их вязкости в системе FeO-SiO2-CaO. На рис.4 приведена диаграмма плавкости и вязкости системы FeO-SiO2-CaO.
6.3. Сульфидные расплавы играют важную роль в металлургии меди, никеля, свинца. В практике металлургического производства приходиться иметь дело с двумя видами сульфидных расплавов: штейнами и файнштейнами. Штейны – это сплавы сульфидов цветных металлов и железа, устойчивых при высоких температурах. Основные сульфиды штейнов: Cu2S, Ni3S2, FeS, ZnS, PbS, CoS. В файнштейнах в основном присутствуют Cu2S и Ni3S2. Привести химические составы некоторых сульфидных расплавов из практики производства. Привести данные о температурах плавления и плотности указанных выше сульфидов металлов.
Для практики металлургического производства важно значение ряда физико-химических свойств штейнов: температура плавления, плотность, вязкость, поверхностное натяжение и др.
Основу медных штейнов составляют медь, железо и сера (сумма 80-90%), поэтому можно рассмотреть диаграмму системы Cu-Fe-S. Правило В.Я.Мостовича. Кислород в штейнах. Никелевые штейны и диаграмма плавкости системы Ni-Fe-S.
Источник
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ РАСПЛАВЫ
Общая характеристика
Высокотемпературные металлургические процессы протекают с участием жидких фаз: металлической, оксидной (шлаковой), сульфидной (штейновой), солевой. Взаимодействие между жидкими фазами и с обязательным участием газовой зависит от структуры (строения) и свойств металлургических расплавов.
С учётом природы и строения все жидкости классифицируются следующим образом:
1) с водородными связями (вода, спирты, органические кислоты);
2) с молекулярными связями (бензол, парафин);
3) с ионными связями (оксидные и сульфидные расплавы, водные и прочие растворы солей, щелочей, кислот);
4) с металлическими связями (взаимодействие катионов со свободными электронами).
Участвующие в металлургических процессах оксидные и сульфидные расплавы являются многокомпонентными жидкостями и имеют сложное строение. В расплавах солей, относящихся к ионным жидкостям, наблюдается сильное межчастичное взаимодействие и высокая концентрация частиц в единице объёма. Промышленные металлические расплавы являются многокомпонентными жидкостями, содержащими металлические и металлоидные составляющие.
При получении металлического расплава заданного состава стремятся уменьшить потери легирующих элементов со шлаком и газовой фазой. Это облегчается при знании закономерностей перераспределения элементов между контактирующими фазами, умении рассчитать термодинамическую активность компонентов в металлургических расплавах.
Для решения подобных задач необходимо знать структуру (строение) расплавов и природу сил, действующих между структурными единицами расплава. Для оценки скорости протекающих в системе процессов необходимо знание ряда физико-химических свойств расплавов.
Под структурой или строением расплава понимают количественное описание взаимного расположения в пространстве составляющих их частиц. Структура расплава взаимосвязана с электронной природой частиц, величиной сил взаимодействия между частицами и с его физико-химическими свойствами, которые часто называют структурно-чувствительными свойствами.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
Источник
12(1). Металлические и шлаковые расплавы металлургических систем, их характеристики и физико-химические свойства
Расплавленные металлы обладают комплексом свойств, с одной стороны, сходных со свойствами неметаллических жидкостей, а с другой – со свойствами твердых металлов. Характерными отличительными признаками металлических расплавов от всех остальных жидкостей являются: высокие электрические и гальваномагнитные свойства, высокая плотность в размещении частиц (ионов); при этом удельный объем металлической жидкости в точке плавления не превышает удельный объем кристалла более чем на 2-6%, т.е. при плавлении кристалла расстояния между составляющими его частицами изменяются незначительно.
Свойства жидкости, которые зависят от изменения ее структуры, называют структурно-чувствительными. К их числу прежде всего относят плотность, вязкость, поверхностное натяжение, электрическую проводимость, теплопроводность, скорость распространения звука и др.
Плотность является одним из важнейших структурно-чувствительных свойств и определяется выражением p=1/Vуд, где Vуд – удельный объем жидкого (или твердого) металла. В большинстве исследований отмечен линейный (без перегибов) характер изменения плотности жидких металлов от температуры.
Существует зависимость между типом кристаллической решетки металла и изменением плотности при плавлении. Металлы, обладающие плотными кристаллическими решетками, плавятся с увеличением объема, понижением плотности. Металлы, имеющие «рыхлые» кристаллические решетки плавятся с увеличением плотности и уменьшением удельного объема.
Вязкость характеризует свойство текучих тел оказывать сопротивление необратимому перемещению одной их части относительно другой при сдвиге, растяжении или других видах деформации. Примеси, особенно неметаллические включения, заметно увеличивают вязкость.
При ведении плавки в ванну обычно добавляют различные флюсы и добавочные материалы. В результате образуется неметаллическая фаза, называемая шлаком.
Жидкие расплавленные шлаки в металлургическом агрегате характеризуются наличием между составляющими шлака и ковалентной, и ионной связи. Преобладающей считается ионная связь.
Таким образом, сталеплавильные шлаки обычно имеют в своем составе такие катионы, как Fe 2+ , Mn 2+ , Са 2+ , Mg 2+ , Сг 2+ , и такие анионы, как S 2- , О 2- и т. п. Кроме того, в шлаке могут быть и сложные комплексы, близкие к составам таких соединений, как (CaO)4-SiO2 и др. Те данные, которые сталевар получает после анализа пробы шлака, далеко не полностью отражают истинную картину того, что находится непосредственно в печи.
Шлаки, в которых преобладают основные окислы (CaO, MgO, MnO, FeO), называют основными шлаками, а шлаки, в которых преобладают кислотные окислы (Si02, Р2О6) — кислыми шлаками. В зависимости от характера шлаков и процессы называют основными или кислыми (например, основной мартеновский процесс, кислый мартеновский процесс).
Кроме основности шлака, другой важной его характеристикой является величина, называемая «окисленностью» шлака. Эта величина характеризует способность шлака окислять металл и его примеси. В качестве меры окисленности обычно принимают или содержание (в%) в шлаке FeO, или содержащуюся в нем сумму FeO + 4Fe2O3, или содержание в шлаке железа.
Помимо химического состава, важнейшей характеристикой шлака является его вязкость, которая обычно значительно выше вязкости стали.
Увеличение степени перегрева над температурой плавления повышает жидкотекучесть шлаков. С помощью диаграмм состояния можно определить пути снижения температуры плавления реальных шлаков. Обычно для разжижения основных шлаков используют добавки, плавикового шпата, в некоторых случаях песка; для «сгущения» основных шлаков используют добавки извести (СаО), иногда — магнезита (MgO). Наоборот, добавки песка (SiO2) «сгущают» кислые шлаки, а добавки извести их разжижают.
Роль шлака в сталеплавильном производстве чрезвычайно велика. Удаление, например, из металла таких вредных примесей, как сера и фосфор, заключается в переводе этих элементов в шлак и создании условий, препятствующих их обратному переходу из шлака в металл. Изменяя состав шлака, его количество и температуру, можно добиться увеличения или уменьшения содержания в металле марганца, кремния, хрома и других элементов. Поэтому во многих случаях задача сталеплавильщика заключается в получении шлака необходимой консистенции и химического состава.
Источник
