7. Потери цветных металлов со шлаками

По современным представлениям о формах нахождения цветных металлов в промышленных шлаках можно выделить два вида потерь металлов со шлаками:

• электрохимические потери, обусловленные ошлакованием оксидов цветных металлов и некоторым растворением некоторой части в шлаке сульфидов или металлов;

• механические потери, обусловленные механическим запутыванием в шлаке взвешенных мельчайших капель сульфидов или металлов.

7.1. Электрохимические потери

Переход металла или сульфида при соприкосновении двух жидких фаз: штейна (или металла) и шлака может иметь место в следующих случаях:

1. Металл или сульфид переходят в шлаковый расплав в форме незаряженных атомов или молекул:

(41)

2. Из чернового металла или штейна в шлак переходят одновременно катионы и анионы, например, по реакциям:

(42)

(43)

3. При обменной реакции между катионами штейновой или металлической и шлаковой фазы. Например. По реакциям:

(44)

(45)

4. В случае перезарядки поливалентных ионов шлаковой фазы. Примеры реакций:

(46)

(47)

Me – цветной металл.

Если рассматривать переход цветного металла в шлак по реакциям (44-47), то записав константы равновесия этих реакций, можно затем рассмотреть факторы, от которых зависит содержание цветных металлов в шлаковой фазе.

Константы равновесия реакций (44-47):

(48)

(49)

(50)

Уравнения (48-50) показывают, что равновесные содержания () металлов, растворенных в шлаке в форме катиона Ме^Z+ при заданной температуре будут зависеть от состава шлаковой фазы ( , и др.) и от состава штейновой или металлической фазы ( ). Активности оксидов металлов связаны с газовой фазы, а активности сульфидов металлов с (или ).

В итоге можно заключить, что величина растворимости цветных металлов (электрохимических потерь) подчиняется сложной нелинейной зависимости:

(51)

Привести данные А.В. Ванюкова и В.Я. Зайцева о соотношении электрохимических и механических потерь металлов в шлаках некоторых процессов из металлургического производства тяжелых цветных металлов.

7.2. Механические потери цветных металлов со шлаками

Механические потери представлены каплями штейна или металла различной крупности, которые не успели выделиться из шлаковой фазы в донную (штейн или шлак) за время пребывания расплавов в металлургическом агрегате.

Основная масса капель имеет размеры 10-100 мкм (0,01-0,1 мм).

Верхний предел капель штейна или металла (100 мкм) может быть рассчитан на основании формулы Стокса с поправками Адамара и Рыбчинского для случая осаждения жидких капель в жидкости:

(52)

где: V- скорость осаждения капли, м/с;

g- ускорение силы тяжести, м/с² (9,81);

₁ и ₂- соответственно плотность более тяжелой и более легкой жидкости, кг/м³;

₁ и ₂- соответственно вязкость более тяжелой и менее тяжелой жидкости, Пас;

r- радиус осаждающейся капли, м.

Нижний предел крупности (0,5 мкм) штейновых или металлических капель в шлаке определяется устойчивостью мелких капель. Мелкие капли характеризуются большой избыточной поверхностной энергией, а потому и большей растворимостью. Вследствие этого в шлаковой среде должна осуществляться изотермическая перегонка вещества от мелких капель к крупным, из-за чего очень мелкие капли быстро исчезают.

Закономерности такого переноса вещества вытекают из известного в физике закона Гиббса-Томсона:

(53)

где: С₁-пересыщенная концентрация компонента дисперсной фазы у поверхности капли радиуса r;

С₂- насыщенная концентрация этого же компонента в объеме дисперсионной среды;

М- молекулярная масса дисперсной среды;

- межфазное натяжение на границе дисперсной фазы (штейн, металл) и дисперсионной среды (шлак);

- плотность дисперсной фазы (штейна, металла).

Из формулы (53) видно, что чем меньше r, тем больше С₁/С₂ при прочих равных условиях и тем больше скорость переноса вещества от мелких капель к крупным.