Лекция 8. Штейновые и оксисульфидные системы

Штейнами называется расплав сульфидов переменного со­става (Сu_2-xS, Fe_1-xS и т. д.). В штейне концентриру­ются цветные и благородные металлы. В зависимости от разно­видности плавки они содержат кислород (окислительная плавка и плавка в нейтральной атмосфере) или металлическую фазу (восстановительно-сульфидирующая плавка). Ионы О^2- в штейне представлены в форме ферритов пере­менного состава (FеO)_х·(Fe₂O₃)_у простейшей формой которых яв­ляется Fe₃O₄. Чем беднее штейны, тем больше они содержат ио­нов Fe (III). Например, заводские штейны, содержащие 20 % ме­ди, содержат 7,2 % Fе (III). В богатых штейнах (50-70 % Сu) со­держится не более 2,3 Fe (III). Как и для шлаковых расплавов, для расплавов штейнов ха­рактерна микронеоднородность. В отдельных участках штейны обогащены серой, в других – металлом.

В штейновом расплаве представлены ковалентная и метал­лическая связи, поскольку:

- электролиз сульфидного расплава не позволяет выделить металл,

- электропроводность жидких сульфидов много выше шла­ковой электропроводности,

- при недостатке серы температурный градиент электро­проводности отрицателен, как и у металлов.

Сульфидный расплав FeS-Cu₂S (рисунок 8.1 имеет большую область расслаивания, которая начи­нается по линии Cu-S и проходит практически через всю об­ласть тройной системы. Промышленные штейны располагают­ся в зоне, находящейся между границей Cu₂S-FeS и линией рас­слаивания. Штейны отражательной плавки в значительной своей части лежат ближе к линии Fe-S, штейны автогенных пла­вок – ближе к линии Сu-S. Температура плавления штейнов ниже температуры плавления шлака на 50-100 °С, а плот­ность – выше плотности шлака минимум на единицу и тем боль­ше, чем богаче штейны. Например, плотность штейнов, содер­жащих 60 % Сu, равна 5,42 г/см³; штейны, содержащие 25 %Сu, имеют плотность 4,9 г/см³.

Рисунок 8.1 – Диаграмма состояния системы Cu-Fe-S

Разница в плотностях обеспечивает качественное отстаивание штейна от шлака.

На разделение штейна и шлака влияет поверх­ностное натяжение. Поверхно­стные натяжения штейнов и шлаков практически сопоставимы. Вязкость штейнов значительно ниже. Чем выше содержание FeS, температура, тем ниже вязкость. Вязкость штейнов на два порядка ниже, чем у шлаков.

Таблица 8.1 - Взаимодействия на границе «штейн-шлак»

1. Переход катионов и анионов через границу раздела фаз:
2. Обмен зарядами анионов:
3. Обмен зарядами катионов:
4. Частичный обмен зарядами:

Штейн имеет полупроводниковую прово­димость, а шлак – ионную. В контакте между фазами образу­ется разность электрических потенциалов, в результате чего создается двойной электрический слой.

Его наличие способст­вует переходу ионов из одной фазы в другую вплоть до дости­жения равновесного состояния. Это сказывается на величине потерь металлов, на эффективности разделения шлака и штейна. Возможно несколько вариантов перехода.

Со стороны штейна на границе фаз могут адсорбироваться положительные [Мe]ⁿ⁺, со стороны шлака – отрицательные ио­ны (О)^2-.