Термодинамика металлургических шлаков

Антоненко В.И.

Челябинск, ЧГТУ,, 1993 г.

1.1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ ШЛАКОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО  ПРОИЗВОДСТВА.

В ходе значительной части пирометаллургических процессов, образуются металлическая и «лаковая фазы, причем относительное количество и состав получаемых шлаков может существенно меняться в зависимости от характера процесса. Являясь, как правило, побочным продуктом, шлак выполняет в металлургическом процессе очень важные функции, создавая наиболее благоприятные условия проведения процессов при получении металла заданного состава.

Одна из основных функций шлака в металлургическом процессе заключается в отделении пустой породы руды от металла или штейна. Это обеспечивается, во-первых, весьма малой растворимостью оксидов в металле и штейне и, во-вторых, значительным различием плотностей этих расплавов. В результате шлаковый расплав, имеющий меньшую плотность, чем жидкий металл или штейн, располагается над металлом или штейном и отделяет их от газовой фазы.

Важной технологической функцией шлака является также поглощение (сорбция) продуктов, полученных при рафинировании и раскислении металла; в том числе вредных примесей.

В ходе металлургических процессов шлаковый расплав оказывает химическое воздействие на металл. В результате между этими расплавами протекают обменные реакции, приводящие к переходу"отдельных компонентов"из металлической в шлаковую фазу или, наоборот, из шлаковой, в металлическую. Направление и степень развития этих реакций определяется прежде всего составом шлака. Так, например, для окисления таких компонентов металлического расплава как углерод, марганец, кремний и др, которые обладают большим химическим сродством к. кислороду, чем железо, необходимо иметь в шлаке повышенное содержание оксидов железа. Шлак, используемый для дефосфорации металла, должен содержать помимо оксидов железа также повышенное количество оксида кальция. А для эффективной десульфурации требуется создавать шлак с возможно меньшим содержанием оксидов железа при высоком содержании СаО в нем. Таким образом, между составами шлака и получаемого металла существует тесная связь. Вынося из печи отходы процесса, шлак уносит с собой некоторое количество оксидов железа ж других ценных примесей, а также запутавшиеся в нем капельки металла. Этим обусловлены химические и механические потери металла со шлаком, Химические потери основного металла, например, железа и ценных мримесей в окислительных плавках неизбежны и могут быть значительными, однако получаемые передельные шлаки могут быть использованы в восстановительной плавке, где эти примеси вновь переводятся в металл. Механические потери в виде запутавшихся в шлаке капелек металла определяются жидкоподвижнстью (вязкостью) шлака и величиной межфазного натяжения, на границе шлак-металл.

В некоторых случаях основные процессы получения металла протекает при взаимодействии шлака с восстановителем. Например, при свинцовой восстановительной плавке свинец получается при восстановлении коксом или природным газом свинцово-силикатного оксидного расплава.

В печах шахтного типа состав шлака влияет, на температуру проведения процесса, приводя к ее повышению при использовании тугоплавких шлаков или понижению - при легкоплавких шлаках. Это, в свою очередь, отражается на ходе восстановительных процессов.

Шлаки, покрывая металл даже тонкой пленкой», защищают его от насыщения газами печной атмосферы или от окисления. В ряде случаев- (в электродуговых печах) шлак ограничивает скорость нагревания металла.     |

Существуют такаю процессы, в которых шлак представляет не побочный, а основной продукт плавки. Примером может служить восстановительная плавка бокситов, в ходе которой получается ферросилиций И глиноземистый шлак, используемый далее при производстве алюминия или для изготовления абразивного зерна.

Приведенный перечень, не исчерпывая всех функций шлака, свидетельствует о том, что свойства шлака в значительной мере определяют ход металлургического, процесса. Таким образом, эффективное ведение  металлургического процесса возможно при умении управления такими, физико-химическими характеристиками шлака как химическая активность компонентов шлака, его вязкость, гомогенность, теплопроводность, электропроводность, поверхностное натяжение, склонность к вспениванию, степень черноты и др. При анализе физико-химических свойств шлаков следует учитывать влияние растворенных в  них газов. (СO2, Н2O, SO2)на эти свойства.

После  выполнения  соответствующих  технологических функций

шлаки до недавнего времени поступали в отвалы. Однако их переработка в различные строительные материалы (гранулы, шлакоблоки, шлаковую вату, щебень), применение в качестве почвенных добавок в сельском хозяйстве и для других целей способствует более полному и экономичному использованию природных богатств, повышает культуру металлургического производства способствует оздоровлению окружающей среды.

1.2. ХИМИЧЕСКИЙ  СОСТАВ  И  СВОЙСТВА  ШЛАКОВ

Металлургические шлаки являются многокомпонентными растворами , состоящими главным образом из оксидов различных металлов, образующих металлургическую систему. В зависимости от состава системна а также характера и технологических особенностей металлургического процесса содержание оксидов различных металлов в них может сильно меняться, могут содержаться в них в больших или меньших количествах также сульфида, галогениды, карбида и другие соединения.

Оксида, присутствующие в шлаках, классифицируют на кислотные , основные,  амфотерные . Оксида высшей степени окисленности металлов  в шлаковых расплавах ведут себя, как правило, как кислотные, низшей  - как основные оксиды.

Для качественного суждения о химических свойствах шлаков  пользуются соотношением концентраций основных и кислотных оксидов, которое называют основностью, а обратное отношение - кислотностью шлака, характеристик основности (кислотности), шлака определяется отношением концентраций (СаО)/ (SiO2). В отдельных случаях применяются, шлаки с примерно равными концентрациями кислых и основных оксидов. Это - нейтральные шлаки.