Штейны

Сплавы Cu₂S и FeS; однако суммарное содержание меди, железа и серы в них редко превышает 80 — 90%; остальное — сульфиды, цинка, свинца, никеля, а также окислы железа, кремния, алюминия, кальция, частично растворенные в штейне и увлеченные им из шлака в виде эмульсий и суспензий.

Шлаки медной плавки по составу и свойствам сходны с получаемыми в производствах никеля и свинца. Цветные металлы всегда приходится отделять от железа, поэтому высокое содержание FeО характерно для большинства шлаков цветной металлургии.

Шлаки 

Сплавы силикатов — солей кремниевой кислоты, замещенной разными катионами. Основными из них в черной металлургии можно считать кальций и магний, а в металлургии цветных металлов — железо (II) и кальций.
До недавнего прошлого считали, что силикаты в шлаках диссоциируют на отдельные окислы и рассматривали их как сплавы окислов. На этом построена старая молекулярная теория шлаков, с которой до сих пор приходится считаться, поскольку на ее основе в литературе представлены многие опытные данные о плавлении, вязкости и поверхностном натяжении жидких шлаков.

Рис. Диаграмма плавкости и вязкости в системе FeO—СаО—SiO2—изотермы;——— изокомы (температура — °С, вязкость — пуазы).

В действительности, силикаты диссоциируют как соли, например:

Fe₂SiО₄⇄2Fe²⁺ + SiО⁴₄^—

Простейший анион кремниевой кислоты SiO⁴₄^— можно изобразить тетраэдром с атомом кремния в центре
       О^—
        |
О^——Si— О^—
        |
       О^—
В шлаках такие тетраэдры полимеризованы:

В общем виде, продолжая подобное построение по направлениям свободных связей, получим цепь, замкнутое кольцо или сетку, эмпирическая формула которых Si_nО⁽²₃ⁿ_n+₊²₁^)-
Свободный ион О^2- в силикатных расплавах маловероятен. Эффективный заряд его всегда мал, связь с катионами не может быть только ионной, доля последней лишь для щелочных и щелочноземельных металлов достигает ~80%, а для железа и кремния она заметно ниже.
Между анионами силикатов катионы железа (II), кальция, магния и других металлов размещаются, например, так:

Металлы, способные к образованию амфотерных окислов -алюминий и железо (III), помимо того, при координационном числе четыре могут замещать атомы кремния. Некоторые твердые силикаты дают решетки, в узлах которых расположены ионы кремния, кислорода и металлов. В расплаве близ точки плавления этот порядок в какой-то мере сохраняется, но с перегревом все более утрачивается, а диссоциация возрастает. Жидкие шлаки имеют ионную электропроводность, при электролизе их на катоде выделяется металл, а на аноде — кислород. Вместе с тем это не отрицает присутствия в расплаве простых окислов.

Сплавы силикатов относятся к веществам стекловидного типа, часто не имеющим четкой точки плавления. С повышением температуры они постепенно размягчаются, становятся менее вязкими. Плавкость шлаков характеризуют температурой, при которой они достаточно жидкотекучи. При лишнем перегреве повышается расход топлива и уменьшается срок службы огнеупорной кладки печи. Недостаточно перегретые шлаки вязки и плохо отделяются от штейнов.

Главные компоненты шлака — FeO, SiO₂, СаО — часто составляют только 70—80% от его массы, поэтому изучение соответствующей тройной системы дает только грубоориентировочное представление о свойствах шлаков. Тем не менее исследования ее проведены многими авторами. При этом температуру плавления обычно отмечали по деформации пирамидок, спрессованных из измельченного шлака; хотя в таком состоянии он совершенно непригоден для плавки из-зачрезмерной вязкости. Термический анализ снятием кривых нагревания и охлаждения обычно непригоден для шлаков; многие из них не кристаллизуются, а, «затвердевая», остаются подобно стеклам в состоянии вязкой переохлажденной жидкости.

Вязкостью называют коэффициент внутреннего трения между молекулами жидкости. Для наглядности можно привести следующие данные о вязкости, Н•с/м²:

Вода при 20°С……..0,001
Глицерин при 30°С . . . . 0,78
Шлаки:
жидкотекучие . . . . . . . <0,5
средние……… до 2
вязкие……… >3

На рис.3 приведена диаграмма вязкости и плавкости в системе FeO — SiO₂ — СаО, построенная по данным нескольким исследователей.
Напомним вкратце правило пользования подобными диаграммами. Например, для определения состава в точке А, лежащей внутри изотермы 1000° С и изокомы 30 П надо спроектировать ее на любую ось составов параллельно линиям сетки. Длина основания полученного треугольника (А₁—А₂) соответствует противолежащей вершине — содержанию СаО, которое в данном случае равно приблизительно 23%. Отрезок FeO—А₁ определяет содержание SiО₂, равное ~44, а отрезок от А₂ до вершины SiО₂ дает ~ 33% FeO.

Заводские шлаки, помимо трех главных составляющих, содержат до: 20% Аl₂O₃, 15% MgO, 30% ZnO, 20% BaO, 10% MnO и всегда Fe₂O₃ в составе ферритов, преимущественно Fe₃6₄. Допустимая вязкость их ниже 3, а желательная менее 0,5 Н•с/м² при температурах от 1100 до 1250° С.

Выбирая состав, удовлетворяющий этим условиям, руководствуются опытом сходных переделов — данными практики или лабораторных работ. Плотность шлака для лучшего отделения от штейна должна быть по возможности малой. Шлаки с высоким содержанием сравнительно тяжелого окисла FeO (γ_FeO = 5500 кг/м³) менее желательны, чем известковистые (γ_CaO = 3400 кг/м³) или кремнеземистые (γ_Sio2 —2700 кг/м³).

Межфазное натяжение шлака на границе раздела со штейном (или металлом) и газами — важное свойство. При малой смачиваемости шлаком металла или штейна мелкие капли последих могут всплывать под действием газовых пузырьков подобно тс му, как при флотации тяжелые частицы минералов выносятся на поверхность пульпы пузырьками воздуха, мелкие капли трудно сливаются и дают взвеси.

Шлак — отвальный или побочный продукт; однако выход и состав его значительно влияют на экономику металлургических плавок. От вязкости, плотности и поверхностных свойств шлака зависят потери меди, а также температура, необходимая для плавки, и связанные с этим расходы топлива флюсов и огнеупорных материалов.

Различают химические, физические и механические потери металлов в шлаках; хотя такое подразделение нечетко и условно.

Химические потери связаны с неполнотой протекания основной реакции плавки. В результате этого некоторое количество окисла металла остается в шлаке. В частности, медь теряется в виде Сu₂О из-за неполного сульфидирования; химические потери меди теоретически сравнительно невелики, но их трудно отличить от физических.
Физические потери обусловлены растворением металла или штейна в шлаке, а также образованием коллоидных растворов. Потери в шлаках возрастают с повышением температуры и содержанием Fe (III); однако природа их не известна.

Механические потери происходят из-за неполного отстаивания капель штейна, имеющих крупность менее 0,1 мм, их флотации всплывающими пузырьками газов и стабилизации эмульсий поверхностными зарядами адсорбированных ионов. Оседание сравнительно крупных капель затруднено малым различием плотностей штейна и шлака, а также вязкостью.

Из-за возникновения коллоидных систем различие между механическими и физическими потерями также нечеткое.

Статья на тему Штейн и шлак