Штейновые расплавы viιΙ Структура штейновых расплавов

Рис. 105. Активность серы в расплавах системы Fe-S (a), Co-S (б), Ni-S (в) при 1300 ⁰С





Рис. 106. Диаграмма изоактивностей компонентов в системе Сu-Fе-S и равновесное давление рS₂



Рис. 107. Диаграмма зависимостей p_FeS от состава

Обра­щает на себя внимание тот факт, что изменение характера отклонения активности FeS от закона Рауля связано с точ­кой изменения направления конод на диаграмме Сu—Fe—S (см.рис. 99, 106). Бедные по меди штейны находятся в равновесии с твердым γ-Fe, в то время как богатые по меди штей­ны — с расплавом на основе металлической меди.

Объяснение подобной закономерности опять-таки, по- видимому, связано со структурой различных сиботаксисов системе Me—S. Для выяснения вопроса привлечем данные С.Е.Вайсбурда об изменении коэффициентов активности железа в системах Fe-Cu-S, Fe-Co-S, Fe-Ni-S (рис. 108).
Прочность связи металлов с серой увеличивается в ряду Fe-Co-Ni-Cu. Следовательно, величина γ_Ме должна уменьшаться при замене одного металла другим (а также при увеличении концентрации серы в расплаве). Как видно из рис. 108 замена железа на медь приводит к резкому возрастанию γ_Fe. При низких концентрациях меди еще существуют сиботаксисы на основе связей Fe—S, но при повышении концент­рации картина меняется на обратную. В системе возникают два вида сиботаксисов: один из которых обогащен медью и серой по сравнению с среднестатистическим распределением, другой—координациями Fe—Fe. При уменьшении содержания серы система переходит в область расслаивания.
Связь никеля и кобальта с серой меньше, чем у железа, что и приводит к более низкому расположению кривых зави­симостей γ_Fe- состав на рис. 108. По мнению С.Е.Вайсбурда структурой образования сиботаксисов управляют металлы, имеющие большее сродство к сере.
Вернемся к диаграмме Cu-Fe-S (см. рис. 106). Изменение активности меди в системе по данным Коха и Язавы при тем­пературе 1250 °С в какой-то мере повторяет ход конод рас­слаивания (рис. 99).
Система Си—Fe-S является основой медных плавок концентратов. В процесс плавки поступают концентраты с со­держанием меди 15-40%, Если эти концентраты будут просто



Рис. 108. Коэффициенты активности железа в расплавах Fe-Co-S, Fe-Ni-S, Fe-Cu-S в сечениях стехиометрических сульфидов (а) и в сечениях сульфид металла- γ-Fe (б) при 1300 ^ОС: 1-FeS-Cu₂S; 2 - FeS-Ni₃S₂; 3 - FeS-CoS; 4 - Cu₂S-Fe; 5 – Ni₃S₂-Fe; б -CoS-Fe

Pиc 109. Схема отражательной печи:

1 — лещадь; 2 — фундамент; 3 — окна для горелок (форсунок); 4 - двутавровая балка; 5 — загрузочное отверстие; б — газоход; 7 — шлаковое окно; 8 — шнуры для выпуска штейна; 9 - запасной шнур; 10 — свод; 11 — стена; 12 -металлический каркас
расплавляться вместе с флюсами в отражательной печи (рис. 109), то содержание меди в образующемся штейне будет со­ответствовать составу концентрата за исключением оксидных составляющих, перешедших в шлак.
Отражательная печь представляет собой плавильный агре­гат с горизонтальным рабочим пространством. Внутренние размеры современных отражательных печей следующие, м: длина 28—39; ширина 6-10; высота от свода до пода 3—4,5. Площадь пода таких печей колеблется (180—350 м²).
В ходе отражательной плавки и конвертирования полу­чаются шлаки, состоящие из FeO, SiО₂ и других оксидов. По закону распределения в эти шлаки должна переходить медь, содержащаяся в штейне. Очевидно, что чем выше величина активности меди в штейне, тем большее количество меди перейдет в шлак. Термодинамические расчеты, видимо, не могут быть выполнены без знания величин а_Си в штейнах раз­личного состава. Активность меди в штейне меняется (см. рис. 106) от 0,3 (для исходных штейнов) до 0,9 (для богатых по меди штейнов).
Определению активности серы в системе Cu-Fe-S посвяще­ны многие работы. Большинство исследований проводилось методом определения р над жидкими сульфидами при приведении в равновесие жидкости и газовой фазы, содержащей Н₂ и H₂S. Равновесное значение р над расплавом может служить (при введении соответствующих коэффициентов) анало­гом активности серы в расплаве. На рис. 110 приведены результаты работы Балли и Тогури по определению равновесно­го давления серы над расплавом системы Сu—Fe—S в области гомогенных расплавов.
В реальных металлургических процессах при плавке могут появляться и существовать в определенный отрезок времени медные штейны, содержащие повышенное сверх стехиометрии системы Cu₂S—FeS количество серы. Это возможно в результате загрузки в металлургический агрегат концентратов, содержащих высшие сульфиды FeS₂, CuS, CuFeS₂ и др. Очевидно, что активность серы в таких расплавах будет отли­чаться от стехиометрической. В работе В.П.Быстрова и М.Е.Александрова определена степень отклонения активности серы в подобных расплавах (рис. 111). Величина а_S в штей­нах сильно зависит в первую очередь от содержания железа в штейне, а также от количества нестехиометрической серы.