Файл: Циклонная плавка. (Теоретические основы, технология и аппаратурное оформление).pdf

»суточной штейновой фазы (вывод справедлив при условии, если

всистеме нет свободного кислорода);

—концентрация окисленной меди в шлаке, при всех прочих

равных условиях, снижается при переходе от железистых к высоко­ кремнеземистым шлакам.

Влияние окислительного потенциала газовой фазы на устойчивость штейновых частиц в расплавленных шлаках

На основании литературных и наших [184—186] данных можно предполагать, что относительно высокое содержание меди в промыш­ ленных шлаках объясняется не только механическим уносом не ус­ певших осесть штейновых частиц, но и растворением сульфида меди в шлаках. Как первый, так и второй виды потерь зависят главным образом от состава шлака. Температура при этом играет двоякую роль. Увеличение ее уменьшает вязкость шлака и снижает потери меди, которые в тоже время увеличиваются в результате раствори­ мости сульфида меди в шлаке. В связи с тем, что железистые шлаки растворяют в себе значительное количество сульфида меди по срав­ нению с кремнисто-кальциевыми, простой их перегрев не дает замет­ ного эффекта снижения содержания меди. Напротив, при перегреве кремнисто-кальциевого шлака следует ожидать значительного сниже­ ния в нем содержания меди в результате оседания взвешенных ко­ рольков штейна и несущественного растворения сульфида меди [188].

Согласно [186], в шлаке Карсакпайского медеплавильного заво­ да, содержащем Si02-—58—-54%; CaO—12,6; Feo6—8,6; А120 3—13; Cu—0,7; Zn—0,7, количество растворенной меди при плавке его в контакте с 60%-ным штейном не должно превышать 0,2%. Как пока­ зывает практика работы этого завода, указанная величина практиче­ ски не выдерживается. В шлаке находится 0,3—0,5% Си в виде взве­ шенных частиц штейна.

Простой перегрев шлака подобного состава и отстаивание при температуре 1300° в течение одного часа не дает положительного эффекта. Это обстоятельство указывает не только на большую вяз­ кость расплава и очень малые размеры штейновых частиц, но и на какие-то другие причины, тормозящие процесс их укрупнения и осаж­ дения. Известно что взвешенные частицы штейна в шлаке несут на своей поверхности электрический заряд. Причем, согласно теории электрокапиллярных явлений, чем выше величина заряда поверхно­ сти штейновой частицы, тем меньше межфазное натяжение на грани­ це раздела штейн — шлак и скорость ее осаждения, величина кото­ рой, кроме того, зависит от удельной электропроводности шлака.

118

Таким образом, есть основания предполагать, что в определен­ ных условиях, при которых достигаются наименьшие вязкость шлака и величина заряда штейновых частиц при достаточно высокой элект­ ропроводности шлака, можно значительно увеличить полноту осаж­ дения штейновых частиц из шлакового расплава. Как отмечалось, такими свойствами обладают кремнисто-кальциевые шлаки, которые

незначительно растворяют сульфиды меди. Что касается зависимо­ сти величины и знака заряда штейновых частиц, то такие сведения

визвестной нам литературе немногочисленны.

Вранее выполненных работах [189] была установлена зависи­

мость изменения знака заряда от состава шлака и штейна и от сте­ пени окисленности шлака. В связи с тем, что состав шлака и штейна нами выбран заранее (применительно к Карсакпайскому медепла­ вильному заводу), изменение знака заряда и его относительной ве­ личины изучалось в зависимости от окислительной способности га­ зовой фазы. Для этого мы использовали метод перемещения капли штейна в шлаке под действием электрического поля в силу обратимо­ сти электрокапиллярного явления.

Опыты проводились в атмосфере СО и С02 в различном их соот­ ношении на установке (рис. 47). Для получения более надежных результатов каплю штейна помещали не в объем шлака, а на его поверхность.

В первой серии опытов использовался синтетический шлак 1 ■следующего состава: Si02—49,2%; FeO—17,5; CaO—22,1; А120 3— 10,5 и белый матт с содержанием Си—77,9%; Fe—0,57; S—21,4.

•Заданный размер капли (~ 1 ,5 мм в диаметре) получали взвешива­

119

нием кусочка CU2S, который помещался на поверхности шлака в ло­

дочке. После расплавления штейн превращался в каплю, которая хорошо удерживалась на поверхности расплавленного шлака.

После помещения лодочки 10 с навеской шлака и штейна с уста­ новленными в нее молибденовыми электродами 6 в фарфоровую труб­ ку 9, система трижды вакуумировалась с наполнением аргоном. За-

Усм/мия л- лтт?0е?у

тем она заполнялась заданным составом смеси СО и СО2 при одновре­

менном включении печи и циркуляционного насоса 7. После выдерж­ ки при 1250° в течение 1 час отбирался газ для анализа на содержа­ ние в нем СО и СО2. Молибденовые электроды с помощью нихромовых

токоподводов, выведенных на фарфоровую трубку 9 через резиновые зажимы, подключали к цепи постоянного тока. Время нахождения расплава под током 0,5—3 мин.

Скорость и направление движения капли оценивались по ее пе­ ремещению от первоначально заданного положения. Вначале изучали зависимость скорости перемещения капли СигЭ в атмосфере аргона от градиента напряжения. Оказалось, что капля CuaS начинает переме­

штейновых частиц, кул/см; ср — потенциал штейновой частицы, меж­ фазное натяжение на границе раздела штейна и шлака убывает при:

120

смещении потенциала капли в обе стороны от некоторого потенциала огаах, являющегося потенциалом максимума электрокапиллярной кривой. С учетом сказанного и наших экспериментальных данных сле­ дует считать, что наименьшая устойчивость капель CU2S в шлаке 1 при газовой фазе, состоящей из 85% СО и 15% СО2. Действительно, при таком соотношении СО и СО2 заряд частицы штейна близок к нулю,

У Гм/чин /!/гс/nwify

Рис. 49. Зависимость перемещения капель штей­ на I состава (60% Си) по поверхности шлака 3 (кривая 1) и шлака 1 (кривая 2). Температура опытов 1250°. Градиент напряжения в первом случае 10 в/см , во втором — 2 в/см .

и капля остается неподвижной. При нарушении соотношения в сторо­ ну увеличения процентного содержания углекислого газа капля штей­ на приобретает положительный заряд и движется к катоду. С увеличе­ нием в газовой фазе окиси углерода (выше 85%) она заряжается отрицательно и движется к аноду.

Таким образом, полученные данные позволяют утверждать, что капли чистой CU2S, находящиеся в шлаке 1, малоустойчивы и склонны

к укрупнению в небольшой области изменения состава газа, ограничи­ вающейся от 80 до 90% СО и от 20 до 10% СО2.

Во второй серии опытов изучалась подвижность частиц штейна, содержащего Си — 57,7%; F e — 15,8; S — 26, по поверхности того же шлака 1. Из рисунка 49 видно, что характер зависимости переме­ щения капли штейна от изменения соотношения СО и СО2 при постоян­

ном градиенте напряжения .(10 в/см) аналогичен движению капель CU2S в шлаке 1.

Для сравнения были проведены опыты по перемещению капель штейна, содержащего ~60% Си в аналогичных условиях, но при гра­ диенте напряжения в 2 в/см на поверхности железистого шлака 2 с со­ держанием віОг — 25,6%; FeO — 52,2; CaO — 15; A I2 O 3 — 6,8. Сле­

дует отметить, что скорость перемещения капель штейна в железистом шлаке гораздо выше. Это, по-видимому, связано не только с уменыпе-

121

нием вязкости шлака, но и с увеличением поверхностного заряда штейновых капель. Так, при градиенте напряжения 2 в/см капля штейна в атмосфере 80% С02 и 20% СО перемещается в сторону анода со скоростью 7 см!мин. Увеличение содержания окиси углерода в газо­ вой смеси приводит к уменьшению скорости перемещения капли в сто­ рону анода, затем она становится постоянной (2,5 см/мин), начиная от содержания в газовой фазе 60% СО и 40% С02 вплоть до 100% СО.

Таким образом, в железистом шлаке 2 капля штейна наиболее устойчива и менее склонна к укрупнению, особенно в окислительной атмосфере.

В следующей серии опытов использовался промышленный шлак и штейн Карсакпайского завода. Состав шлака приведен

12 в/см каплю штейна сдвинуть с места не удалось. По-видимому, вяз­ кость шлака при 1250° была слишком высокой. Повышение до 1300° также не дало ощутимых результатов. Для снижения температуры плавления до 1200° и вязкости шлака приведенного выше состава к нему добавляли около 20% окиси кальция. При этом состав нового шлака по основным компонентам оказался близким к шлаку 1 и со­ держал: СаО — 26,7; Si02 — 48,4; FeO — 8,5; А120з — 10,6. После­ дующие опыты проводили с добавкой к заводскому шлаку 20% ок^с:" кальция при градиенте напряжения 12 в/см и температуре 1300°. (>

лишь в том, что скорость перемещения капли штейна меньше, и изме­ нение ее заряда наблюдалось при более высокой концентрации окиси углерода в газовой фазе. Положительный заряд капли во всем интер­ вале изменения соотношения СО и С02 оставался приблизительно по­ стоянным и лишь при 95% СО резко менялся, принимая отрицатель­ ное значение.

Точка перезарядки зависит не только от состава газовой фазы, но и от состава штейна и шлака (рис. 50). В частности, в железистом шлаке капля штейна, содержащего 60% Си, во всем интервале изме­ нения СО и С02 практически не меняет знака заряда, однако отрица­ тельное значение заряда также снижается с увеличением в газовой фазе процента окиси углерода.

Такое изменение величины и знака заряда капель штейна, нахо­ дящихся в шлаке, связано с окислительно-восстановительными про­ цессами. Окислительный потенциал газовой фазы определяет распре­ деление железа в штейне и в шлаке [187]. Поэтому при значительном

122