книги из ГПНТБ / Ванюков, А. В. Теория пирометаллургических процессов учеб. пособие

плавы, содержащие 22—24% FeO; 14— 18% CaO, 20— 22% ZnO и 22—24% S i0 2.

Другие окислы, входящие в состав шлаковых распла­ вов (ZnO, A I3 O 3 , MgO, ВаО и др.), ne вводят в шихту в

качестве флюсов: они присутствуют в рудах и концентра­ тах. Поэтому, оценивая их влияние на потери металлов со шлаком, трудно рассчитывать на возможность актив­ ного воздействия с помощью этих компонентов, на ход металлургического процесса.

Окись цинка, как отмечалось выше, повышает раст­ воримость цветных металлов в шлаке и снижает межфаз­ ное натяжение на границе раздела штейн — шлак. Та­ ким образом, окись цинка, так же как и окислы железа, способствует увеличению потерь цветных металлов. Од­ нако цинксодержащие шлаки служат исходным сырьем для получения цинка, поэтому повышение содержания цинка до определенных пределов бывает полезно для снижения затрат на переработку шлаков.

Окись магния и окись алюминия в пределах их раст­ воримости в шлаках оказывают благоприятное влияние на снижение потерь металлов. Повышение их концентра­ ции в расплаве уменьшает растворимость цветных ме­ таллов и увеличивает межфазное натяжение металлур­ гических систем. Возрастание их содержания свыше пре­ дела растворимости приведет к резкому повышению вязкости шлака и поэтому нежелательно. В качестве флюсов эти компоненты не применяются.

Такие компоненты, как окись хрома, а также окислы мышьяка и сурьмы несмотря на их невысокое содержа­ ние в расплавах оказывают вредное влияние на потери металлов. Они снижают межфазное натяжение и увели­ чивают растворимость цветных металлов в шлаке. Окись хрома ограниченно растворима в шлаке и поэтому накап­ ливается на границе раздела штейн — шлак, ухудшая условия разделения продуктов плавки. Довольно часто окись хрома выпадает на подине печей, образуя трудно­ растворимые хромшпииелевые настыли.

Как уже сообщалось ранее, при повышении концент­ рации цветных металлов в штейне возрастают электро­ химические потери. При одном и том же содержании ка­ пель штейна, эмульгированных в шлаке, потери цветных металлов будут тем больше, чем выше концентрация цветного металла в штейне, т. е. механические потери

также повышаются с увеличением содержания металлов в штейне. Эти соображения объясняют, почему металлур­ ги отделяют основную массу пустой породы при плавке на штейн с относительно невысоким содержанием цвет­ ных металлов. Однако надо учитывать, что получение очень бедных по цветным металлам штейнов влечет за собой при последующей переработке повышенные потери цветных металлов с богатым конвертерным шлаком. По­ этому в зависимости от состава сырья и местных усло­ вий металлургам необходимо выбрать штейн оптималь­ ного состава, при работе на котором общие потери цвет­ ных металлов будут минимальными. В настоящее время содержание цветных металлов в штейнах различных ви­ дов плавок колеблется в следующих пределах, % (по массе). В штейнах шахтной плавки окисленных никеле­ вых руд 15—25 Ni; отражательной плавки медных кон­ центратов 18—45 Си; электроплавки медно-никелевых руд 4— 10 Си; 7— 17 Ni; 0,25—0,55 Со.

В некоторых случаях более целесообразна плавка без получения штейна. Например, при шахтной плавке свин­ цового агломерата при невысоком содержании в шихте меди (до 3%) можно работать с получением чернового свинца, в который переводится вся медь. Медно-свинцо­ вый штейн при таком варианте работы не образуется. За счет того, что содержание растворенных свинца и меди при контакте шлак — черновой металл в несколько раз ниже, чем при плавке с получением штейна, а также вследствие более высокого межфазного натяжения при образовании металла, потери свинца и меди со шлаком снижаются почти в два раза. При высоком содержании меди в шихте плавку ведут обычно с получением штейна. В ряде случаев медные концентраты также целесообраз­ но плавить на очень богатый штейн или даже на черно­ вую медь.

Большое влияние на потери металлов со шлаком ока­ зывает, как уже отмечалось, температурный режим про­ цесса. Повышение температуры приводит к снижению вязкости и, и в большинстве случаев, к увеличению меж­ фазного натяжения. Обе эти причины способствуют сни­ жению механических потерь металлов со шлаком. Хотя при повышенных температурах несколько возрастает ра­ створимость цветных металлов в шлаковых расплавах, суммарный эффект от повышения температуры как пра-

ВИло пбложительный. На рис. 182 показано влияние тем­ пературы иа потери никеля со шлаком шахтных печей одного из заводов. Согласно приведенным данным между температурой и потерями металлов наблюдается прямая зависимость.

Ранее подчеркивалось серьезное влияние состава печ­ ной атмосферы на переход цветных металлов в шлак.

С повышением окислительной способности газовой фазы происходит переокисление железа шлака до трехвалент­ ного состояния. Это в' свою очередь приводит к резкому увеличению растворимости цветных металлов в шлаке и снижению межфазного натяжения. В табл. 31 приведе­ ны результаты заводских наблюдений о корреляции меж­ ду содержанием кислорода в атмосфере отражательной печи и концентрацией меди в шлаках.

Приведенные результаты свидетельствуют о необхо­ димости тщательного контроля за режимом сжигания топлива и герметизацией печного пространства. Следует всячески препятствовать контакту расплавов шлака с окислительными газами.

Несмотря на все принимаемые меры содержание цветных металлов в промышленных шлаках остается до­ вольно высоким, что вынуждает металлургов проводить дополнительные мероприятия по внепечному обеднению шлака. Как правило, внепечное обеднение осуществляет­ ся в выносных отапливаемых агрегатах, куда из основ­ ного плавильного аппарата попадает огненно — жидкий шлак. В процессе обеднения стремятся снизить как элек­ трохимические, так и механические потери металлов.

На основании общетеоретических положений, высказан­ ных в предыдущих разделах, мероприятия по обеднению промышленных шлаков должны решить две основные задачи: 1) уменьшить содержание растворенных метал­ лов; 2) обеспечить максимально полное отделение ко­ рольков штейна от шлака.

Обязательным условием обеднения шлака является его восстановление в целях снижения содержания в нем трехвалентиого железа и вместе с этим растворенных ме­ таллов. Даже в железистых шлаках, когда в них не со­ держится магнетита, содержание, например, растворен­ ной меди не превышает 0,1 %.

Восстанавливать шлаки наиболее рационально про­ дувкой их восстановителем (газообразным, жидким или угольной пылью). Очевидно, наиболее удобно использо­ вать для восстановления естественный газ. В ряде слу­ чаев восстановление осуществляют в неподвижном слое, например в электрических печах, для чего загружают твердый восстановитель на поверхность расплава. Веро­ ятно, при этом вследствие малой скорости процессов массообмена восстановление протекает медленно, что при­ водит к низкой производительности агрегатов. Следова­ тельно, предпочтение должно быть отдано процессам, сочетающим восстановление с перемешиванием рас­ плава.

Восстановление шлаков хотя и необходимая, но недо­ статочная операция для глубокого обеднения. Выходя­ щие при восстановлении металлические и сульфидные частицы очень малы по размерам. Их естественное от­ стаивание от шлака в приемлемое для практики время может проходить лишь в незначительной степени. Для достаточно полного отделения выделившихся сульфидов (металлов) требуются длительные выдержки (10— 15 ч), что экономически невыгодно.

Ускорить процесс отделения мелких взвешенных ча­ стиц от шлака можно различными путями. В частности мо­ жет быть использовано центрифигурирование. При этом можно получить, например, ускорение равное 10—25 g , и в соответствии с этим примерно в 3—5 раз сократится время необходимое для отстаивания. Центрифигуриро­ вание нашло применение в лабораторной практике. В за­ водских условиях его использование встречает трудности в связи с аппаратурным оформлением. Однако это не

исключает хотя бы частичного использования центробеж­ ной силы в аппаратах, в которых расплавы совершают вращательное движение.

Утяжеление частиц и, следовательно, ускорение их отделения от шлака может быть достигнуто также нало­ жением магнитного поля. В этом направлении ведутся исследования, однако в практике этот прием пока приме­ нения не нашел. Очевидно, наиболее дешевым и эффек­ тивным методом укрупнения мелких частиц все лее будет перемешивание шлаков с извлекающей фазой. При этом одновременно уменьшается содержание как растворен­ ных металлов, так и металлов, находящихся в форме мел­ кой взвеси штейна или металла.

Выше отмечалось, что в расплавах возможны явле­ ния флотации мелких взвешенных частиц газовыми пу­ зырями. Если количество выделяющихся газов будет до­ статочно большим, например вследствие протекания процессов восстановления, то это приводит к выносу пу­ зырьками газа мелких частиц в поверхностный слой. Уже при подъеме газового пузыря в расплаве он на своем пу­ ти может захватить несколько частиц и поднять их в пе­ ну. При разрушении пузырька в пене или на поверхности шлака находящиеся в нем частицы переходят в другой пузырь или накапливаются на поверхности шлака. В ре­ зультате этого процесса резко возрастает вероятность встречи штейновых частиц и их слияния в более крупные. Благодаря высокому поверхностному натяжению шлака мелкие капли штейна удерживаются на его поверхности. Лишь после того как капля штейна за счет слияния мел­ ких капелек достигнет критических размеров (3—5 мм), сила веса окажется в состоянии продавить поверхност­ ное натяжение и капля быстро осядет в шлаке. Таким образом поверхность шлака является своеобразным «фильтром», пропускающим крупные капли и удержи­ вающим мелкие. Описанное явление имеет широкое распространение в металлургических процессах. Умелое его использование будет способствовать существенному обеднению шлаков. Оно имеет место при перемешива­ нии шлака с извлекающей фазой газами, при восстанов­ лении шлаков на угольной подине в металлургии олова, при протекании шлаков через слой кокса в шахтных пе­ чах и многих других процессах и поэтому заслуживает пристального внимания:

По углу наклона прямой или касательной, если функ­ ция не линейна, определяют значение q (рис. 184).

Уравнение, описывающее зависимость давления пара от температуры, дает возможность построить диаграмму состояния однокомпонентной системы (рис. 185). О А представляет собой зависимость упругости пара от тем­

Это объясняется тем, что теплота межфазового перехода твердое — пар больше теплоты межфазового перехода жидкость — пар. Разность между ними равна теплоте

На диаграмме состояния имеются области существо­ вания пара, жидкости и твердого. Согласно правилу фаз число степеней свободы в этих областях равно двум. Это означает, что два параметра могут меняться независимо и при этом не будет изменяться число фаз. Например, для пара с параметрами (температура и давление), со­ ответствующими точке 1 (рис. 185) можно изменить дав­ ление при 7 = co n st (точка Г ) , температуру при p = const (точка 1") или одновременно температуру и давление (точка 1' ") , но во всех случаях точка 1 остается внутри области пара, т. е. число фаз не меняется. Кривой О А со­ ответствует равновесие между жидкостью и паром. Со­ гласно правилу фаз имеем одну степень свободы. И дей­ ствительно, если в точке 2 изменим при p = const темпе­

ратуру на произвольную величину (точка 2 ' ) , то давлёние надо изменить не произвольно, а на величину, соот­ ветствующую отрезку 2 ' —2".

В точке тройного равновесия О нельзя менять ни од­ ного параметра, не изменив при этом числа фаз, т. е. чис­ ло степеней свободы в этой точке равно нулю./

Сказанное выше в равной мере относится к другим областям и кривым диаграммы состояния.

Наряду с равновесными фазами, описываемыми диаг­ раммой состояния, могут быть и неравновесные фазы. Известно, что жидкость можно переохладить ниже темпе­ ратуры плавления. Параметры пара над переохлажденной жидкостью изобразятся па диаграмме кривой ОА'. Видим, что при температуре Т 3, давление пара над переохлаж­ денной жидкостью (точка 3 ' ) , больше давления пара над

сылки перехода неравновесной фазы в равновесную. Од­ нако это вовсе не значит, что неравновесные фазы не мо­ гут существовать продолжительное время. Примерами сколь угодно длительного существования неравновесных фаз могут служить такие широко распространенные ма­ териалы как стекло (переохлажденная жидкость) и аус­ тенитные стали в закаленном состоянии (переохлажден­ ный у-раствор углерода в железе). Единственной при­ чиной, объясняющей это явление, будет бесконечно ма­ лая скорость этих процессов при температурах, при кото­ рых обычно служат указанные выше материалы.

Следует также отметить, что целый ряд веществ мо­ жет существовать в различных модификациях в твердом состоянии и в ряде случаев иметь в зависимости от темпе ратуры различные молекулы в паровой фазе. Например, сера имеет большое число различных модификаций, на­ иболее известными из которых являются ромбическая и моноклинная сера.

В паровой фазе масса молекул серы в интервале тем­ ператур 444—900° С непрерывно меняется от 250 до 64 из-за постепенного перехода сложных молекул Ss и S6 в более простые S2.

Говоря об упругости паров, следует сделать еще одно замечание. Если имеется заметная кривизна поверхности жидкости, т. е. жидкость находится в виде мелких капель