МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
Восточно – Казахстанский государственный технический университет
им. Д. Серикбаева
В. С.Жаглов
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ РАСПЛАВЫ
Методические указания по проведению семинарских (практических)
занятий для докторантов специальности 6D070900 «Металлургия»
Өскемен
Усть – Каменогорск
2013
УДК 669.2
С Металлургические расплавы. Курс лекций для докторантов специальности 6D070900 «Металлургия»/ Изд - во ВКГТУ. – Усть- Каменогорск, 2013. – 14с.
Курс лекций составлен в соответствии с учебной программой курса «Металлургические расплавы». Он состоит из шести разделов, охватывающих основные физико-химические свойства шлаков и штейнов цветной металлургии. В курсе лекций значительное внимание уделено таким свойствам, как строение шлаковых, штейновых и металлических расплавов, плотность, поверхностное натяжение, вязкость Больше внимание уделено ат распределениию ценных компонентов между шлаковыми и штейновыми (металлическими) расплавами. Курс лекций предназначен для докторантов специальности 6D070900 «Металлургия»
Утверждено учебно–методическим советом горно–металлургического факультета.
Протокол № от «_____» ___________ 2013 г.
© Восточно – Казахстанский
государственный технический
университет им. Д. Серикбаева.
2013.
Содержание
Стр.
Введение 4
1 Строение шлаковых расплавов 5
1.1 Общие сведения о структуре жидких шлаков 5
1.2 Типы связей между ионами в шлаковых расплавах и
структура шлаков 9
1.3 Активность кислорода в шлаковых расплавах 17
2 Плотность силикатных и сульфидно - металлических расплавов 20
2.1 Зависимость плотности расплава от температуры 20
2.2 Плотность расплавленных силикатов 26
2.3 Плотность жидких сульфидов и штейнов 31
2.4 Методы измерения плотности расплавов 36
3 Поверхностное натяжение расплавов 38
3.1 Поверхностное натяжение и структура жидких силикатов 38
3.2 Поверхностное натяжение многокомпонентных шлаков 45
3.3 Зависимость поверхностного натяжения силикатных расплавов от температуры 50
3.4 Поверхностное натяжение жидких металлов и штейнов 54
4 Вязкость шлаковых систем 59
4.1 Вязкость простейших силикатов и структура шлаковых
расплавов 59
4.2 Вязкость шлаков цветной металлургии 66
4.3 Методы измерения вязкости расплавов 71
5 Электрохимическое взаимодействие на границе раздела металлургических расплавов 74
5.1 Двойной электрический слой в расплавах 74
5.2 Межфазное натяжение в металлургических расплавах 80
5.3 Механизм перехода ценных компонентов через межфазную
границу 88
6 Распределение ценных компонентов между продуктами плавки 90
6.1 Формы нахождения металлов в шлаках цветной металлургии 90
6.2 Распределение меди и свинца между штейном и шлаком при производстве свинца 93
6.3 Распределение меди, никеля и кобальта между шлаком
и штейном 98
6.3 Распределение сернистого железа между шлаком и штейном 108
Введение
Пирометаллургическое производство цветных металлов протекает с участием жидких фаз: оксидной (шлаковой), сульфидной (штейновой) и металлической. При плавках количество шлака нередко многократно превышает выход ценных промпродуктов. Поэтому, хотя содержание цветных металлов в шлаках невелико, их общие потери составляют внушительную величину. Снижение потерь металлов со шлаком в металлургии цветных металлов – одна из важнейших и наиболее трудных проблем. К решению этой проблемы неоднократно обращались крупнейшие металлурги и физико-химики. Ещё в 1912 году В. А Ванюковым было проведено обстоятельное исследование влияния состава шлака на потери меди. Большое внимание исследованию потерь цветных металлов со шлаками уделял В. Я. Мостович.
За последние годы были достигнуты значительные успехи в области физики, физико-химии и электрохимии расплавленных сред.
Значительный вклад в понимание структуры жидких шлаков и взаимодействию на границе фаз двух расплавленных несмешивающихся фаз был сделан школой металлургов под руководством О. А.Есина.
В работах А. А Жуховицкого, Л. А. Шварцмана, А. М Самарина и ряда других учёных с позиций современной физики жидкого состояния рассмотрены процессы взаимодействия расплавленных фаз. Успехи в области физико-химии расплавов послужили толчком к изучению растворимости цветных металлов в шлаке и изучению причин, определяющих образование механической взвеси штейна и металла в шлаках. Развитие экспериментальной техники позволило создать новые методы исследования, с помощью которых можно дать однозначный ответ о формах нахождения металлах в шлаках.
Для решения проблемы снижения потерь металлов со шлаками необходимо выявить причины, определяющие переход цветных металлов в шлак, природу взаимодействия между штейновыми (металлическими) и шлаковыми расплавами. Закономерности межфазного взаимодействия определяются особенностями строения штейновых и шлаковых расплавов. Определяющая информация о строении жидких шлаков и штейнов может быть получена при исследовании физико-химических характеристик этих систем: плотности, поверхностного натяжения, вязкости и др. Эти свойства важны не только с теоретической точки зрения. При решении ряда практических задач цветной металлургии совершенно необходимо знание числовых значений этих параметров. Именно поэтому данное учебное пособие посвящено рассмотрению основных физико - химических свойств металлургических расплавов и влиянию на них различных факторов и, прежде всего, температуры и их состава.
1 СТРОЕНИЕ ШЛАКОВЫХ РАСПЛАВОВ
1.1 Общие сведения о структуре жидких шлаков
Значительная часть рудного сырья перерабатывается пирометаллургическими способами с применение различного вида плавок. Одним из обязательных продуктов различного рода плавок руд и концентратов цветных металлов является шлак. Его выход, как правило, значительно превышает выход продуктов плавки, в которых концентрируются ценные компоненты рудного сырья. Так при плавке окисленных никелевых руд на штейн выход шлака в 10 -12 раз превышает выход штейна. Отсюда видно, что свойства шлака будут определять все основные технологические показатели процесса плавки. Поэтому создание обоснованной теории строения шлаковых систем, которая бы позволила объяснять наблюдающиеся на практике закономерности процесса плавки, а так же позволила бы прогнозировать протекание процесса в зависимости от состава шлаковой фазы, в настоящее время является одной из важнейших задач металлургии цветных металлов. Поэтому в последнее время проблема физико - химических свойств шлаковых расплавов и их природы привлекают пристальное внимание специалистов самого различного профиля: физико-химиков, металлургов и даже геологов, так как последние связывают свойства шлаковых систем с проблемами кристаллизации магматических расплавов и миграцией элементов в земной коре.
Развитие теории строения жидких шлаков началось с представлений, которые исходили из предположения о молекулярной природе шлаковых расплавов. По этим представлениям, наиболее полно развитым в тридцатых годах Г. Шенком (Германия), оксиды и их соединения находятся в расплаве в виде молекул, слабо связанных между собой. Ввиду малой величины этой связи, ею пренебрегали и поэтому активности оксидов и их соединений приравнивали к соответствующим концентрациям.
Выбор соединений, присутствующих в шлаке, был очень произвольным и часто основывался лишь на предположении, что подстановка выбранного вида соединений в уравнение закона действующих масс позволяла получать удовлетворительное постоянство константы равновесия данной реакции. Г. Шенк, например, считал, что основные шлаки состоят главным образом из метасиликата кальция (CaО-SiО2) , ортосиликата железа (2FeО-SiО2 ), ортосиликата марганца (2MnО-SiО2 ), феррита кальция (3СаО ∙Fe3О4 ) и фосфата кальция (4СаО-Р2О5).
Принималось, что первые три соединения оказываются частично диссоциированными на свободные окисды:
CaО-SiО2 = CaO + SiО2 (1.1)
2FeО-SiО2 = 2FeO + SiО2 (1.2)
2MnО-SiО2 = 2MnO + SiО2 (1.3)
Феррит кальция оказывается диссоциированным и взаимодействует с металлической фазой по реакции:
3СаО ∙Fe3О4 + Fe = ЗСаО + 4FeO. (1.4)
Фосфат кальция 4СаО-Р2О5 не диссоциирует.
Химическая активность оксидов принималась равной концентрации оксида в свободном состоянии, т. е. не связанного в соединения. Так как оксид кальция, например, связан в силикаты CaO∙SiО2 , фосфаты 4СаО∙Р2О6 и ферриты 3(CaO)∙Fe3О4, то концентрация «свободного» оксида кальция (СаО) равна разности между общей концентрацией (СаО) и концентрацией (СаО), связанной в соединения:
(СаО)св. = (СаО)общ. - (CaO)
- (СаО)
- (CaO)
(1.5)
Подобным же образом можно найти свободные концентрации, т. е. активности других окислов. Шенком выбор химических соединений в шлаке нельзя признать обоснованным. Согласно диаграммам состояния шлаковых систем Са—Si - О, Сa-Fe-O, Са-Р-O, в них имеют место соединения 2CaО-SiО2, CaО∙Fe2О3 и CaО∙Р2О5. вместо СаО∙SiO2, 3CaО-Fe3О4 и 4СаО-Р2О5 соответственно.
Согласно этой теории шлаковые и металлические системы рассматриваются как идеальные растворы и равновесия, устанавливающиеся в системе шлак – металл (штейн) описываются законом действующих масс в его идеальной форме. Наблюдающиеся отклонения от идеального состояния авторы усматривали в образовании и термической диссоциации некоторых предполагаемых химических соединений. Из всего многообразия возможных и существующих в твёрдом виде химических соединений эта школа выбрала следующие: CaO∙SiO2, 2FeO∙SiO2, 2MnO∙SiO2, 3CaO∙Fe3O4, 4CaO∙P2O6. Допускалось, что эти соединения в расплаве являются наиболее прочными, и поэтому все расчёты металлургических равновесий сводились к подбору эмпирических коэффициентов диссоциации указанных соединений для объяснения экспериментальных данных.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 |
Основные порталы (построено редакторами)