Pirometallurgiya jarayonlari nazariyasi

8.5. Shlak eritmalarining yopishqoqligi
Metallurgik ishlab chiqarishda shlaklarning yopishqoqligi katta ahamiyatga ega. Yopishqoqlikning qiymatiga metallurgik reaksiyalarni kinetika va eritmalardagi massa o‘tkazish jarayonlari bog‘liqdir. Yopishqoqlik metallarni shlak bilan isrofgarchiligiga katta ta’sir qiladi, chunki bu omilga likvatsiya orqali fazalarni bo‘linishi bog‘liqdir.

Yopishqoqlik oqim mexanizmini ko‘rib chiqganda shuni aniqlash mumkinki, yopishqoqlik koeffitsientining qiymati birinchi darajada eritmadagi moddalarning o‘lchamlariga bog‘liqdir.

Shlak eritmalarida eng katta birliklar bu kremniy kislorod komplekslardir. Ularni tuzilishi va o‘lchamlari shlakni yopishqoqlik oqimini tarkibga bog‘liqligini aniqlovchi xususiyatdir. Shlak qanchalik nordonroq bo‘lsa, shunchalik kremniy kislorod komplekslarini o‘lchamlari kattaroq bo‘ladi va ularni yopishqoqligi xam oshadi. Shlakdagi boshqa kislotali oksidlar (AI₂O₃, R₂O₅, TiO₂) miqdorligini oshishi, yopishqoqlik qiymatini o‘sishga olib keladi. Frenker ko‘rsatganidek, yopishqoqlik haroratga eksponenta qonuni bilan bog‘langandir:
 = V exp (E_n / Rt) (8.5.1)

bunda: V - eksponenta oldidagi doimiy koeffitsient; E_n - yopishqoqlik oqimini aktivlik energiyasi.

Har xil shlaklar uchun harorat oshishi bilan eritmani yopishqoqligini kamayishi xarakterlidir. Shlak eritmalarini yopishqoqligiga haroratga bog‘liqligi har xildir. Amaliyotda metallurgik shlaklar nordon (>40% SiO₂) va asosli (<40% SiO₂) guruhlarga bo‘linadi: nordon shlaklarda, yirik kremniy kislorod anionlarini kam harakatchanligi kristallizatsiya jarayonini qiyinchilik bilan o‘tishiga olib keladi. Buning natijasida likvidus harorati yetib kelganda shlak o‘zini o‘ta sovitilgan eritma kabi ta’riflaydi. Shlakning yopishqoqligi haroratning pasayishi bilan asta sekin ko‘payib boradi (8.3-rasm, 1-chiziq).

8.3-rasm. Nordon (1) va asosli (2) shlak yopishqoqliklarini haroratga bog‘liqligi.

Kremniy dioksidini miqdorligi kam bo‘lgan asosli shlaklar o‘zlarini mutlaqo boshqacha tutadilar. Bunday eritmalarda kremniy-kislorod anionlari oddiy turkimida mavjuddir. Shlaklarning harakatchanligi yuqori. Likvidus harorati yetilganda, shlak tezlik bilan kristallanadi va eritmadan qiyin eriydigan moddalar ajralib chiqadi. Shlakning geterogen holatiga o‘tishi yopishqoqlikni zudlik bilan o‘sishiga olib keladi (8.3-rasm, 2-chiziq).

Moddani eritmada siljishi uchun kerakli bo‘lgan energiyani aktivlik energiyasi deb aytiladi. Uni qiymati suyuqlikning tuzuvchilarni o‘lchamlaridan va siljayotgan moddaning turiga bog‘liqdir. Shlakning yopishqoqligi va aktivlik energiyasiga asosan shlakning nordonligi ta’sir qiladi. Nordonlik oshishi bilan kremniy kislorod komplekslarini o‘lchamlari kattalashadi va u bilan yopishqoqlik ham oshadi. Masalan, suyuq kvartsning aktivlik energiyasi judayam katta (600 kDj/mol), uning yopishqoqligi esa millionlar paskalni tashkil qiladi. Shunday katta yopishqoqlik kremniy dioksidini erigandan keyin o‘zini qattiq uch tarafli turini saqlashini qo‘shimcha tasdiqlaydi.

Uch tarafli turni buzilishidan keyin eritmani yopishqoqligi ham kamayadi. Binarli silikatlarning aktivlik energiyasi, agarda ularda 12 % Me₂O yoki 20% MeO bo‘lsa, 140 va 240 kJ/molga kamayadi. Agarda eritmaga 2 valentli metall oksidi qo‘shilsa bir valentli metall oksidiga nisbatan, yopishqoqlik va aktivlik energiyasi yuqoriroq bo‘ladi. Bu ikki valentli metalni kislorod bilan ko‘prik aloqa tuzishi bilan bog‘liqdir. Eritmaga bir valentli metall oksidi qo‘shilsa bunday ko‘priklar kuzatilmaydi.

Bir xil zaryadli kationlar yopishqoqlikni kiymatiga taxminan o‘xshash ta’sir qiladi. Lekin baribir yopishqoqlikni pasaytirishga qanday oksid qo‘shilishi katta ahamiyatga ega. Real metallurgik jarayonlarning harorat o‘zgarish masofasi judayam kaltadir. Bir tomondan metallurgik agregatlarni o‘tga chidamli futerovkasini mustahkamligi, ikkinchi tomondan, quvvatning sarfi va bir qator boshqa omillar bilan bog‘liqdir.

Shuning uchun qattiq eriydigan magniy oksidini ko‘shish, eritmani likvidus chizig‘idan harorat o‘sishiga deyarli ta’sir qilmaydi va shlak to‘liq erish qobiliyatiga ega emasdir. Agarda vyustit ko‘shilsa, shlakni umumiy erish harorati pasayib, uning harorati oshib yopishqoqlikni qiymatini pasayishiga olib keladi.

Amaliyotda har xil jarayonlar uchun o‘ziga mos yopishqoqlik qiymatlari aniqlangan. Masalan, shaxtali erishga bu qiymat 1 - 210⁴ Pa, yallig‘ pechda eritish uchun yopishqoqlikni qiymati 1 - 1,510³ Pa tashkil qiladi.

Agarda shlaklarda 50%dan ziyodroq SiO₂ bo‘lsa, ularning yopishqoqligi 110³ Pa dan ko‘proq bo‘ladi. Yopishqoqlikni qiymatini kamaytirish uchun uning tarkibiga ohak, yoki temir rudali flyuslar qo‘shiladi (CaO, FeO). Kompleks tashkil qiluvchi kationlar (A1⁴⁺, A1³⁺) eritmani yopishqoqligini oshirishadi.

Shlak eritmasiga ikki valentli metall oksidini qo‘shish, (temir, magniy va kaltsiy) agarda eritma gomogen tarkibida qolsa yopishqoqlikni kamaytiradi. Agarda oksid qo‘shilganda erish harorati oshsa va undan qiyin eriydigan modda ajralib chiqsa, shlakning yopishqoqligi o‘sadi.

Hozirgi davrda asosiy pirometallurgik jarayonlar uchun shlak eritmalarini yopipshqoqligi yaxshi o‘rganilgan. Metallurgiyaga muhim bo‘lgan FeO - CaO - SiO₂ sistemasini uch komponentli yopishqoqlik diagrammasi tuzilgan (8.4-rasm).

Erish harorati va quymani yopishqoqligi orasida bir-biriga bog‘liqligi ko‘rinib turibdi. Oson eriydigan shlak, bir xil o‘lchash haroratida (1300°C), kamroq yopishqoqlikga ega. Bu diagramma metallurgiklar uchun optimal shlak tarkibini tanlashga imkon yaratadi. Masalan, mis ishlab chiqarishda, shlakning tarkibi quyidagicha bo‘lishlari mumkin: 30-40 % SiO₂, 10-30 CaO va 25-45 FeO. Bunday eritmani tarkiblari yopishqoqlikning past qiymatlariga javob beradi.

1-1100⁰C; 2-1150⁰C; 3-1200⁰C; 4-1250⁰C; 5-1300⁰C; 6-1350⁰C;

7-1175⁰C; 8-1135⁰C

8.4-rasm. Oksidlangan nikel rudalarni shaxtali pechda eritish jarayoni shlaklarining yopishqoqlik izotermalari.

Pirometallurgik jarayonlarning amaliyotida ko‘pincha geterogen shlak eritmalari bilan ish olib borishga to‘g‘ri keladi. Metallurgik jarayon haroratlarida, bir xil oksidlarning erishi cheklangandir. Masalan, Fe₃O₄, ZnO, MgO, Cr₂O₃ metallurgik agregatlarning haroratlarida erish qobiliyatlari cheklangandir. Miqdorligi ko‘payganda ular qattiq modda turida ajralib chiqadi. Eynshteyn qoidasiga binoan, bunday geterogen shlaklarning yopishqoqligi o‘sadi:

 = _o(1+2,5 ) (8.5.2)

bunda ₀ - gomogen eritmaning yopishqoqligi

 - dispergerlangan qattiq moddaning hajmini sistemaning umumiy hajmiga nisbatligi.