Характеристика оксидных расплавов. Строение расплавленных шлаков

Лекция 1. Свойства оксидных расплавов

Все металлургические плавки, за редким исключением, дают кроме основного, ценного продукта, металла или сплава сульфидов, второй продукт – шлак, жидкий сплав, состоящий в основном из оксидов. При плавках рудного сырья объем полученного шлака обычно постоянно больше объема основного продукта. В особенности это относится к плавкам руд цветных металлов, при которых количество шлака по весу в несколько раз превышает количество основного продукта. Шлаки рудных плавок собирают в себе все компоненты пустой породы и должны содержать минимальное количество цветного металла.

1. Шлаки определяют в значительной мере и технологический, и экономический эффект плавки.

2. Шлаки выполняют целый ряд важных функций.

3. Шлак является коллектором пустой породы.

4. Шлак определяет состав футеровки печей в шлаковой зоне.

5. Шлаки являются средой, в которой протекают важные для процесса химические реакции; в ряде случаев основные процессы получения металлов протекают именно в шлаках. Так, при свинцовой восстановительной плавке силикаты свинца, растворенные в шлаках, восстанавливаются непосредственно из расплавов. При плавках никелевой окисленной руды на штейн сульфидирование никеля в основном происходит из шлаковой фазы. Степень сульфидирования и величина потерь металла зависит от протекания этих реакций.

6. Шлаки являются той средой, в которой происходит осаждение капель металла или штейна, обусловливая тем самым степень разделения металлической части шихты от пустой породы и определяя одну из основных форм потерь металла в шлаках – механические потери.

7. Шлак является телом сопротивления, при прохождении тока через которое в электротермических процессах в плавильных агрегатах выделяется тепло.

8. Шлаки и их состав определяют ту максимальную температуру, которую необходимо получать в печах при плавке.

9. Шлаки, входя во взаимодействие с металлической ванной при выплавке и рафинировании металлов и сплавов, определяют результаты рафинирования и концентрацию примесей в металле.

10.Шлак предохраняет металлическую и штейновую фазы от окисления кислородом газовой фазы печи.

11.Шлак сам является окислителем металлической и штейновой фазы. Процесс окисления протекает в соответствии с реакциями:

(МеО)_Шл + [Me’]_Ме = (Me’O)_Шл + [Me]_Ме

(МеО)_Шл + [Me’S]_Шт = (Me’O)_шл + [MeS]_Шт

12.В целом ряде случаев шлаки являются не отвальным, основным продуктом плавки, содержащим главный металл, отделяемый таким путем от примесей, концентрирующихся в других продуктах. Например, при восстановительной плавке железо-титановых руд.

13.Шлаки являются ''цементирующим средством'' в процессах агломерирующего обжига концентратов.

14.Правильный выбор шлака определяет результаты процесса плавки, и в металлургии большое внимание уделяется изучению природы и свойств шлака.

Химическая характеристика шлаков. Шлаки считаются сплавами оксидов. Содержание оксидов редко бывает меньше 90 %, а для подавляющего большинства шлаков содержание оксидов превышает 95 %. Кроме оксидов в состав шлака могут входить сульфиды (CaS; ZnS), сульфаты (ВаSО₄), иногда галогениды CaF₂, NaCl. Как механические примеси шлак может содержать включения металла и штейна. В шлаках могут растворяться газы, присутствующие в газовой фазе печи.

Оксиды, присутствующие в шлаках, делятся на кислотные, основные и амфотерные. Однако, эти термины базируются на старых и только в известной мере правильных понятиях об ангидридах и основаниях, т.е. об оксидах, дающих при растворении в воде кислоты или щёлочи. Согласно электронно-координационной теории кислотой следует считать вещество, частицы которого могут принять электронную пару с образованием координационной связи. Основание – это вещество, частицы которого могут дать электронную пару. Другими словами, основание – донор, а кислота – акцептор электронных пар. С этой точки зрения, кислотность или основность являются относительными свойствами. Одно и тоже вещество может быть кислотой по отношению ко второму веществу и основанием для третьего. Однако, принятая классификация оксидов на основные, кислотные и амфотерные устраивает, и ею пользуются.

Кислотные оксиды (КО) в шлаковой системе (SiO₂, TiO₂, V₂O_5, P₂O₅, B₂O₃, As₂O₃, SnO₂) играют роль кислот, образуя с основными окислами солеобразные соединения. Кислотные свойства убывают от V₂O₅ и P₂O₅ к SiO₂ и B₂O₃. КО играют роль сеткообразователей при формировании шлаков.

Основные оксиды: CaO, MgO, BaO, FeO, MnO, Na₂O, K₂O, PbO, NiO, Cu₂O, SnO. Основность оксидов убывает в следующем порядке: BaO, Na₂O, CaO, MgO, MnO, CdO, FeO. Основные оксиды при формировании шлаков играют роль модификаторов, сеткоразрушителей.

Амфотерные оксиды: Al₂O₃, Cr₂O₃, Fe₂O₃, ZnO. Амфотерные оксиды в шлаках с большим количеством основных оксидов играют роль кислот, в шлаках с большим количеством кислотных оксидов – роль оснований. С сильными основаниями они образуют алюминаты, ферриты, цинкаты, хроматы – CaO∙Fe₂O₃, CaO∙Al₂O₃, Na₂O∙ZnO. В кислых шлаках амфотерные оксидов пополняют недостаток оснований и образуют соединения типа ZnO∙ SiO₂ - силикат оксида цинка.

В затвердевшем виде оксиды, входящие в шлак, в большей или меньшей степени связаны между собой в солеобразные соединения: силикаты - 2CaO∙SiO₂, 2FeO·SiO₂, титанаты - CaO·ТiO₂, FeO·ТiO₂, фосфаты - CaO∙P₂O₅, алюминаты - CaO∙Al₂O₃ и т.д. Все эти соединения в твердом состоянии различимы под микроскопом. В расплавленном состоянии эти соединения в большей или меньшей степени диссоциированы на ионы и (или) простые оксидов.

Наиболее простой химической характеристикой шлака является его химический состав в весовых или молярных процентах. Такая характеристика шлака не наглядна и мало удобна для пользования. Для сравнения различных шлаков пользуются их условной характеристикой – степенью кислотности (степенью основности). Степень кислотности – это отношение массы кислорода в кислотных окислах к массе кислорода в основных оксидах:

Степень кислотности заводских шлаков меняется в пределах 0,5÷3. Шлаки со степенью кислотности 1 называют моносиликатными, со степенью кислотности 2 – бисиликатными. Шлаки со степенью кислотности 1,0 и меньше считают основными шлаками, а при степени кислотности 2,0 и более – кислыми шлаками. Шлаки со степенью кислотности между 1 и 2 – нейтральные. (Основность шлака – это отношение массы кислорода основных оксидов к массе кислорода кислотных оксидов). Названная упрощенная характеристика не может заменить полного химического состава шлака и ею следует пользоваться только при сравнении шлаков одного типа, получающихся при переработке сходных видов сырья. Для более точной характеристики кислотности шлаков следует пользоваться не концентрацией, а активностью ионов кислорода.