12. Основи теорії окислювального рафінування металів від домішок

При відновній плавці неможливо отримати метал без домішок за наступними причинами:

1. Вихідна сировина відновного процесу завжди багатокомпонентна: окрім мінералів основних металів сировина містить мінерали інших елементів, так звану порожню породу. Якщо руда – оксидна, то основними мінералами порожньої породи є SiO₂, Al₂O₃, CаO, MgO, P₂O₅, MnO, дуже часто міститься NiO, Cu₂O, PbO, ZnO, тощо. Якщо відновником є твердий вуглець або СО, то практично у всіх чорнових сплавах міститься також вуглець. Зі всіх мінералів порожньої породи в тій або іншій мірі відновлюються їх елементи. Черговість відновлення залежить від спорідненості елементу до кисню і від кількості мінералу-домішки.

2. Коли відновлюється легковідновлюваний метал, він стає розчинником, а за наявності розчинників всі інші елементи відновлюються набагато легше.

Аби привести вміст домішок у відповідність з ДСТУ, домішки необхідно видаляти. Найдешевший і практичний спосіб – це окислювальне рафінування за допомогою кисню. Джерелом кисню можуть бути:

- технічний кисень, що вдувається в метал через водоохолоджувані фурми;

- стисле повітря, що також вдувається через водоохолоджувані фурми. Ефективність його використання значно нижча, оскільки воно містить меншу долю кисню, крім того повітря містить 78% азоту (можливе азотування металу, що не завжди корисно);

- маломіцні оксиди шлакової фази. Ці оксиди спеціально вводять у шлак у вигляді багатої руди або концентрату;

- як окислювачі в деяких випадках використовують кисневмісні гази атмосфери печі, такі як СО₂ і Н₂О. Ці гази поступають до металу через ряд проміжних стадій, через шлакову фазу, на межі метал-шлак беруть участь в процесі окислювального рафінування.

Загальні термодинамічні принципи окислювального рафінування полягають в наступному: всі реакції прямують до рівноваги, повнота їх протікання до рівноважного стану може бути оцінена за величиною константи рівноваги. За допомогою неї можна знайти фактори, при яких видалення домішок буде максимально повним.

Зобразимо найбільш загальний випадок окислювального рафінування:

де – маломіцний оксид в шлаку,

- кисень, розчинений в металі,

- довільна домішка в металі,

- оксид домішки, який перейде у шлак.

Константа рівноваги має вигляд:

Для визначення чинників, що впливають на залишкову концентрацію домішок, запишемо вираз для залишкової концентрації у наступному вигляді:

Отже, аби концентрація домішок була мінімальною, необхідно:

1. Концентрація оксиду домішки у шлаку була по можливості малою. Цього можна досягти двома методами:

- наводити в печі достатню кількість шлаку;

- періодично або постійно викачувати шлак й наводити новим шляхом введення свіжої шлакової суміші.

2. Коефіцієнт активності оксиду домішки у шлаку має бути низьким. Він буде низьким, якщо перехідний у шлак оксид зв'язується з іншими в міцні хімічні сполуки або асоціати. Це спостерігатиметься, якщо природа оксидів буде різною.

Наприклад:

буде малим в шлаках з високою основністю, тобто де багато CаO

буде малим в кислих шлаках, тобто де багато SiO₂

3. Вплив не враховується, оскільки ця величина приблизно дорівнює одиниці. Мається на увазі, що метал, який утворюється, має однакову природу з тим, з якого домішка видаляється.

4. Концентрація маломіцного оксиду у шлаку має бути по можливості високою, тобто шлак має бути окислювальним. Ця величина не регламентується, а залежить від концентрації домішок в металі, від тієї кількості, яку необхідно видаляти і, природно, від природи домішок.

5. Коефіцієнт активності маломіцного оксиду у шлаку має бути великим. В основному маломіцні оксиди – це оксиди основних металів. Значить, з точки зору , шлак має бути основним.

6. Константа рівноваги також має бути великою. Її величина залежить від природи домішки, що видаляється, і від температури процесу (принцип Ле Шательє). Чим більше спорідненість домішки до кисню, тим буде вище. Температура впливає таким чином: практично всі реакції окислення домішок екзотермічні, тобто йдуть з виділенням тепла, таким чином, при збільшенні температури константа зменшуватиметься. За інших рівних умов домішки необхідно окислювати при помірних температурах.

7. має бути більшим, це означає, що домішка не має бути зв'язаною у металі в міцні комплекси.