» » Коалесценция корольков штейна
03.06.2015

Ускорение коалесценции корольков штейна или металла в жидком шлаке во время его стекания или в шлаковой ванне определяется составом шлака, температурой и условиями перемешивания жидкой фазы.
Процесс коалесценции связан прежде всего с поверхностными явлениями на границе раздела шлак — штейн (или металл). Величина поверхностной энергии или межфазного натяжения определяет процесс коалесценции так, что чем ниже эта величина, тем слабее идет слияние жидких частиц, тем устойчивее взвешенная тонкодисперсная система и тем выше должны быть потери металлов со шлаком.
Поэтому для ускорения коалесценции и снижения благодаря этому потерь металлов необходимо создавать условия, повышающие величину межфазного натяжения. Ряд исследователей (И.Г. Срывалин, О.А. Есин и Ю.П. Никитин, а также В.А. Ванюков, А.В. Ванюков и Н.И. Уткин и др.) дали величину межфазного натяжения и краевого угла смачивания на границе штейн — шлак при разном их составе, а также установили прямую связь между величиной межфазного натяжения и содержанием металлов в шлаках. Исследования показали, что межфазное натяжение не определяется только величинами поверхностного натяжения каждой жидкой фазы в отдельности. Очевидно, здесь играют значительную роль процессы взаимодействия между фазами, т. е. между штейном и шлаком, снижающие величину межфазного натяжения.
Найдено, что повышение содержания в шлаках кремнезема, окиси кальция, окиси магния и глинозема увеличивает межфазное натяжение, а закись железа и особенно магнетит снижают эту величину, что совпадает с влиянием этих же компонентов на содержание в них никеля и меди (см. рис. 5—12). Таким образом, скорость коалесценции мелких частиц играет существенную роль в снижении потерь металлов.
Ионы железа, находящиеся в шлаке, могут обмениваться местами с ионами железа, находящимися в штейне, причем этот обмен при различном содержании железа в штейне и в шлаке может происходить преимущественно в одном направлении, пока средняя энергия ионов в обоих фазах не выравняется.
Ионы трехвалентного железа, присутствующие в шлаках, вызывают на границе раздела, помимо взаимного обмена с такими же ионами в штейне, дополнительные химические процессы окисления сульфидов штейна.
Такое взаимодействие не только снижает межфазное натяжение, но и создает скачок потенциала на границе штейн — шлак. Существование скачка потенциала на границе жидкого шлака с металлом и с сульфидами меди и никеля было показано опытами О.А. Есина и Ю.П. Никитина. Металл и сульфиды оказались заряженными отрицательно, что объяснялось авторами переходом части катионов из металлической или сульфидной фазы в шлак. Очевидно, что частицы штейна в шлаке также должны носить заряд, соответствующий скачку потенциала на их границе.
Пока еще трудно оценить влияние этого факта на потери цветных металлов со шлаком, однако несомненно, скачок потенциала, изменяющею величину межфазного натяжения, должен иметь непосредственную связь с величиной этих потерь, затрудняя сталкивание и слияние отдельных одинаково заряженных капель.
Следует отметить, что межфазное натяжение, так же как и потенциал заряда частиц штейна в шлаке, являются термодинамическими функциями, определяющими равновесное состояние системы и устойчивость дисперсного состояния, но не скорость процесса коалесценции. Отмеченное совпадение влияния состава шлака на величину поверхностного натяжения шлака и потерь металлов дает возможность сказать, что повышение термодинамического потенциала в данном случае способствует повышению скорости процесса, который должен идти в сторону снижения величины общего потенциала системы.
По-видимому, на скорость процесса коалесценции должны сильнее влиять диффузионные факторы — перемешивание и повышение температуры.
Энергичное перемешивание шлака, т. е. увеличение возможности столкновения мелких капелек и механического собирания их в более крупные, должно дать большой эффект. В шахтных печах такое перемешивание происходит при стекании струй шлака между кусками шихты и кокса. Поэтому чем выше зона плавления и больше длина пути шлаковых струй, тем более благоприятные условия создаются для укрупнения капель штейна. В отражательных печах эти условия хуже. Наилучшие условия для коалесценции капель штейна имеются в электропечах вследствие интенсивного перемешивания шлака вокруг электродов.
Повышение температуры шлака увеличивает его поверхностное натяжение и, кроме того, снижает вязкость. Поэтому работа на более туго плавких и горячих шлаках снижает потери металлов.
Как отмечалось, поверхностное натяжение силикатных расплавов определяется комплексообразованием анионов и добавкой катионов, причем наибольший эффект дают те катионы, которые имеют высокую энергию связи с кислородом или высокое значение ионного потенциала. Отсюда можно ожидать, что многозарядные ионы с малым радиусом, не реагирующие со штейном, такие как ионы алюминия, магния, титана, должны повышать поверхностное натяжение и снижать потери металлов, что и подтверждено опытами.
На процессе коалесценции частиц штейна могут оказывать влияние, кроме чисто капиллярных явлений, пленки из поверхности взвешенных в шлаке капелек штейна или металла, образующиеся, например, вследствие окисления воздухом или растворенными в шлаке окислителями (трехвалентное железо).