Понятие о шлаке и его функциях в металлургии

Основная функция металлургических шлаков заключается в том, чтобы вывести из печи пустую породу и отделить её от продуктов плавки (металл, штейн и др.).

При рудных плавках количество шлаков в большинстве слу­чаев превышает количество металла или промежуточного про­дукта (штейна) по массе и тем более по объёму. В особенности это относится к плавкам руд цветных металлов, при которых количество шлака по массе в несколько раз превос­ходит количество металла или штейна.

Помимо основной своей функции, металлургические шлаки вы­полняют еще ряд других не менее важных функций.

1. Шлаки — та среда, в которой протекают химические реакции. В некоторых случаях основные процессы получения металлов протекают именно в шлаках. На­пример, при свинцовой восстановительной плавке силикаты свинца, растворенные в шлаках, восстанавливаются из них газами и твер­дым углеродом (коксом).

2. В шлаках осаждаются капли металла или штейна. Степень отделения металла или штейна от шлака, в котором растворена пустая порода, определяет извлечение металла в продукт.

3. Шлаки и их состав определяют в основном ту максимальную или минимальную температуру, которую можно получить в каждом данном случае в печах шахтного типа.

5. Иногда шлаки являются не отбросами, а основным продук­том плавки, содержащим главный металл (титан, ванадий и др.)

6. Шлаки являются цементирующим веществом в процессах агломерации руд и концентратов..

7. Шлаки, покрывая металл даже тонкой пленкой, защищают его от насыщения газами печной атмосферы или окисления.

8. Шлаки при осуществлении электрометаллургических про­цессов служат элементами сопротивления.

СОСТАВ ШЛАКОВ, ХИМИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ В ШЛАКАХ

Оксиды, входящие в шлак, можно разделить на три основные группы:

а) кислотные: SiO₂, P₂O₅, SO₂, которые с основ­ными оксидами образуют силикаты, фосфаты, сульфаты;

б) основные: Na₂O, СаО, МgO, FеО, РЬО, Cu₂O, ВаО, обра­зующие с кислотными оксидами соответствующие соли;

в) аморфные, которые при недостатке кислоты и избытке осно­вания играют роль основания и наоборот, например Al₂O₃ с осно­ваниями образует, напримкер, алюминаты (NaAlO₂), а с кремнеземом — силикаты (Al₂SiO₅); аналогично ZnO с основаниями дает цинкаты (Na₂ZnO₃), с кислотными оксидами — соли соответствующих кислот (ZnSiO₃)..

Силикаты — главные компоненты шлаков в цветной и в черной металлургии.

Общая формула для всех кремневых кислот nSiO₂^.mH₂O, а соответствующие силикаты имеют формулу nSiO₂^.mМеO. Такая форма записи химических соединений показывает, какое количество того и другого оксида входит в данное химическое соединение. Степень кислотности шлака n опреде­ляется как отношение числа атомов кислорода, связанных с крем­нием в кремнеземе, к числу атомов кислорода, связанных в основ­ные оксиды:

В зависимости от степени кислотности шлаки называют:

1) моносиликатами: 2FеО^.SiO₂; СаО-FеО-SiO₂, у которых п = 1

2) бисиликатами: FеО-SiO₂; 0,5СаО-0,5FеО-SiO₂, у которых п=2;

3) трисиликатами и т. д.

Возможна и дробная степень кислотности: п = 1,5 (полутор­ные), п = 0,5 (субсиликаты), выраженная любым числом прак­тически от п = 0,5 до п = 5.

Для вычисления степени кислотности шлака по его составу, выраженному в процентах (по массе), нужно сначала пересчитать эти проценты на молекулярные доли, выразить состав шлака стехиометрической формулой, а затем вычислить степень кислотности. Например, сте­пень кислотности шлака, содержащего 44% SiO₂ а, 36% FеО и 10% СаО, равна 2,1.

Шлаки с кислотностью, близкой к 1, обладают низкой вязкостью и температурой плавления, а шлаки с кислотностью п = 2,5¸3 — высокой температурой плавления и высокой вязкостью. Таким образом, свойства шлаков меняются в зависимости от кислотности.

При вычислении степени кислотности силикатного шлака Al₂O₃ и другие амфотерные оксиды в расчет не принимаются.

Степенью основности или основностью шлака называют от­ношение числа молей основных окисидов к числу молей крем­незема. Например для составов 2СаО-SiO₂ ; FеО-СаО-SiO₂ степень основности равна 2.

ПЛАВКА СУЛЬФИДНЫХ МЕДНЫХ РУД НА ШТЕЙН

Медные руды и концентраты содержат медь, главным образом, в виде сульфидов: СuS, Cu₂S, CuFeS₂ и др. и пустую породу ;в виде SiO₂ и силикатов. При содержании от 1,5—2,5% меди в руде и до 15—30% в концентрате основная задача плавки — получить медный штейн с содержанием меди 20—50%. Для этой цели применяют окислительную концен­трационную плавку кусковых руд в шахтных печах, печах Ванюкова и других печах, где реализуется автогенный процесс.

4CuS = 2 Cu₂S + S₂,

S + O₂ = SO₂,

2CuFeS₂ = Cu₂S + 2FeS + 0,5 S₂,

FeS + 1,5O₂ = FeO + SO₂,

2FeS₂ = 2FeS + S₂,

Cu₂S + 1,5O₂ = Cu₂O + SO₂ .

Между сульфидами и образовавшимися окcидами, особенно после расплавления сульфидов, образующих штейновую фазу (при­мерно при 900° С), происходит взаимодействие, в том числе и реак­ции взаимного обмена:

Cu₂O + FeS = Cu₂S + FeO.

При повышении температуры образуются силикаты и расплавлен­ные шлаки из оксидов CuO, FеО, SiO₂ и др. Далее идёт взаи­модействие между двумя расплавленными фазами - штейном и шлаком, по реакции:

Cu₂O_шлак + FeS_штейн = Cu₂S_штейн + FeO_шлак

Если в штейне остаётся сульфид железа, медь всегда в виде Cu₂S !

Схема шахтной печи

Вследствие большой величины стандартного термодинамического потенциала этой реакции Cu₂O из шлака в значительной мере пере­ходит в штейн, а железо распреде­ляется между штейном и шлаком:

2FеО + SiO₂ = 2FеО^.SiO₂.

В рудных плавках сульфидных руд на штейн получаются медные штейны, содержащие 30—50% Сu. Отваль­ные шлаки не содержат CuO, но содержат 0,2—0,3% Сu в виде тонкодисперсных, не отстоявшихся корольков штейна и раство­ренного в шлаке Cu₂S.