1223

АННОТАЦИЯ

В книге описано производство меди, свинца и цинка электротермическим спосо­ бом. Сообщаются данные о фцзико-хими- ческих основах процессов. Описаны конст­ рукции применяемых для этого печей и конденсаторов, а также условия их эксплу­ атации. Приведены технологические пока­ затели процессов, характеристика сырья и продуктов плавки.

Книга рассчитана на инженеров и тех­ ников металлургических заводов и проект­ ных институтов, исследователей, препода­ вателей и студентов металлургических и х и-мико-тохц'олопических вт>узоз.

П Р Е Д И С Л О В И Е

XXII съезд КПСС, принявший величественную программу по­ строения коммунизма в нашей стране, определил развитие в отечественной цветной металлургии наиболее совершенных тех­ нологических процессов. К их числу, наряду с применением в ме­ таллургии кислорода и природного газа, относится электротер­

мия.

Применение электрических печей позволяет исключить сме­ шивание технологических и топочных газов и резко уменьшить общее их количество. Совершенно естественно, что в первую оче­ редь электрический ток нашел промышленное применение в тех отраслях металлургии, где по характеру процессов необходимо получать очень высокую температуру или создавать особые ус­ ловия газового режима. При выплавке ферросплавов, качествен­ ных сталей и некоторых тугоплавких металлов электропечи в настоящее время являются наиболее широко применяемым, а иногда и единственным агрегатом.

В металлургии цветных металлов электроплавильные про­ цессы заняли доминирующее положение при выплавке никеля и олова из руд и находят все более широкое применение в этих отраслях промышленности.

Применение электротермических процессов в настоящее время заметно ограничивается относительно высокой стоимо­ стью электрической энергии.

Однако за последние 25 лет стоимость каменного угля, осо­ бенно дефицитных коксующихся углей, неуклонно возрастает, стоимость же электроэнергии систематически снижается. В то время как для металлургических печей требуется, как правило, высококачественное малозолистое высококалорийное топливо и дефицитный кокс, электростанции могут потреблять самое низ­ кокачественное топливо.

План развития народного хозяйства нашей Родины в бли­ жайшие 20 лет предусматривает такой рост энергетической базы страны, что можно смело рассчитывать на значительные источ­ ники дешевой электроэнергии для металлургической промыш­ ленности.

Вэтих условиях электротермия в металлургии меди, свинца

ицинка найдет достаточно широкое применение. Получение ме­

Глава I

НЕКОТОРЫЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ МЕДНОГО, СВИНЦОВОГО И ЦИНКОВОГО СЫРЬЯ

1.ПРИРОДА ЖИДКИХ ШЛАКОВ

ИИХ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

При производстве цветных металлов количество шлака обыч­ но превышает вес других продуктов плавки. Шлак является сре­ дой, в которой при металлургических процессах протекают важ­ нейшие химические реакции. Его свойствами в значительной ме­ ре определяется полнота разделения продуктов плавки и степень восстановления присутствующих в шихте окислов, а также удельный расход электроэнергии и другие важнейшие показате­ ли процесса.

Долгое время теория строения шлаков развивалась на ос­ новании представления о них как о смеси основных и кислотных окислов, которые частично соединяются между собой, образуя сложные соединения, а частично находятся в «свободном» со­ стоянии. Одним из количественных вариантов молекулярной тео­ рии строения шлаков является схема расчета, предложенная Шенком [1] и его сотрудниками. Они считали;, что различные рав­ новесия, устанавливающиеся в системе шлак — металл (штейн), подчиняются закону действующих масс в его идеальной форме. Предполагалось, что молекулы свободных и связанных окислов находятся в подвижном химическом равновесии и активными, реагирующими с металлом или штейном, являются только моле­ кулы свободных окислов. При этом причина всех фактически на­ блюдавшихся отклонений сводилась к образованию и диссоциа­ ции химических соединений.

Схему Шенка нельзя признать удовлетворительной ни по вы­ бору важнейших соединений, ни по подбору уравнений для кон­ станты равновесия. Более того, даже качественная основа моле­ кулярной теории не отвечает действительности [2—6], хотя поло­ жение об определенной упорядоченности в расположении атомов в расплаве не лишено оснований и подтверждается рядом новей­

ших исследований. Однако авторы молекулярной теории пере­ оценивали значение гомеополярной связи, недооценивая сущест­ вование и роль ионов в шлаке.

Накопление экспериментального материала по строению и свойствам силикатов, стекол и шлаков привело к возникновению ионной теории строения шлаков.

Впервые на ионный характер взаимодействия металлургиче­ ских шлаков с жидким штейном указал В. А. Ванюков в 1912— 1916 гг. [7, 8]. Позже эти взгляды были изложены Тамманом [9] и

П.Герасименко [10].

Внастоящее время в значительной мере благодаря работам отечественных ученых О. А. Есина [2—4, 6, И, 12], Л. А. Шварц­ мана, А. М. Самарина, М. И. Темкина [5, 13—18], В. А. Кожеурова [19—24] ионная теория строения шлаков получила всеобщее признание.

Экспериментальные данные свидетельствуют, что жидкие шлаки, подобно кристаллическим и стекловидным силикатам,

состоят только из катионов и анионов. Явления расслаивания, а также максимумы на кривых ликвидуса, отвечающие соста­ вам определенных химических соединений, позволяют предпола­ гать ближний порядок в расположении ионов жидкого шлака, свидетельствующий об определенной структуре расплава.

Кристаллохимическая структура силикатов может быть представлена как более или менее плотная упаковка сравни­ тельно больших атомов кислорода, тетраэдрические полости которой частично заполнены атомами Si, Ti, Р, В, а октаэдриче­ ские— К, Na, Са, Mg, Fe и т. д. Применение правила радиусов выявляет координационный характер решеток. В соответствии с этим электроны распределяются так, что каждый атом кислорода приобретает известный отрицательный заряд, а остальные ионы — положительный. Однако число зарядов у ионов, как пра­ вило, меньше максимальной валентности атомов. Это свидетель­ ствует о существовани и ковалентной, и гетерополярной связи.

Для силикатов щелочных и щелочноземельных металлов по­ верхностное натяжение возрастает пропорционально ионной си-

.ле катиона, что свидетельствует о преимущественно электроста­ тической связи. Закономерность расположения катионов Mg, Fe, Zn свидетельствует о наличии известной доли ковалентной свя­ зи. Для катионов Al, Ti, Si, В поверхностное натяжение падает с увеличением ионной силы катиона. Такая же закономерность наблюдается для изобарного потенциала активации процесса электропроводности.

На основании этих данных катионы можно разбить на две группы. В одной из них связь с анионом кислорода носит пре­ имущественно гетерополярный характер, а другой— смешанный. Как известно, гетерополярная связь не направлена, а энергия ее

сравнительно мало меняется с расстоянием. Напротив, гомеополяриая связь направлена и ее энергия сильно зависит от рас­ стояния. Поэтому растягивание связей катионов второй группы с анионом кислорода, а также изменение углов между связями

вать комплексы определяется в основном величиной электроста­

П

Структура комплексных анионов определяется главным об­ разом силой катиона, энергией межчастичного взаимодействия и зависит от состава расплава и температуры. Силикатные анио­ ны становятся более сложными по мере увеличения кислотности шлаков и упрощаются с ростом температуры.

О. А. Есин, Л. К. Гаврилов и Б. М. Ленинских [27] для выяс­ нения вопроса о форме нахождения кремнезема в жидких шла­ ках применили гальванический элемент с кислородным электро­

На полученной изотерме э. д. с. они констатировали два пере­ гиба, свидетельствующие о существовании в расплаве трех крем­ некислых анионов: до 33% Si02 — SiO^"", от 30 до 55% Si02, на­

ряду с SiO^” существует (Si03)^~. При более высоких концент­ рациях Si02 появляются комплексы (SixOv)z~ переменного со­ става.

Подобным же образом О. А. Есин и Б. М. Лепинских [28] из­

находится преимущественно в форме катиона, в расплавах же, богатых окисью кальция, он существует в виде комплексных анионов типа А130®_ , А10~

Бокрис с сотрудниками [29] полагает, что в интервале 33— 50% Si02 состав анионов представляет собой постепенно умень­ шающиеся комочки с общей формулой (Sin0 2n+3). Наиболее крупные комочки, на которые первоначально распадается сетка Si02, отвечают п = 7 для 11 —12% Л1е2О и п = 4 для 20% MeО.