Produkty tavení:

 

- STRUSKY

- KAMÍNEK

- MÍŠEŇ

- PLYNY A EXHALÁTY

 

Přehled tavících pecí

 

 

Produkty tavení- STRUSKY

 

Zpracovávané rudy a koncentráty obsahují kromě užitkových minerálů i doprovodné nečistoty, jalovinu a hlušinu, které se musí od redukovaných kovů oddělit, a to jejich převedením do strusky. Převážně struska obsahuje SiO2, CaO, FeO, Al2O3.

         Struska reguluje převod tepla z plynné atmosféry do roztaveného kovu a vytváří na kovové lázní přirozenou ochrannou vrstvu, která brání rozpouštění plynů z pecní atmosféry v roztaveném kovu

         Jednotlivé složky strusky na sebe působí, vstupují do vzájemných reakcí, vytvářejí sloučeniny a roztoky

 

Podle charakteru se strusky dělí na:

 

  1. zásadité (bazické) – převládají složky CaO, MgO, FeO
  2. kyselé – převládají složky SiO2, Al2O3, Fe2O3
  3. neutrální – rovnováha zásaditých a kyselých oxidů

 

Vyjádření bazicity strusky:

 

 

 

 

Podle složení se strusky dělí na:

 

  1. silikátové – vyznačují se vysokým obsahem SiO2; v metalurgii se vyskytují nejčastěji
  2. fosfátové – obsahuje převážně P2O5
  3. na bázi oxidů kovů – jsou tvořené směsí různých oxidů

 

Silikátové strusky a jejich struktura

 

ð     V taveninách jsou kovové soli přítomny ve formě iontů.

ð     Kovy a k nim připojené nekovové prvky se snaží dosáhnout podobnou konfiguraci nejbližšího inertního plynu odevzdáním nebo přijetím elektronu. Vznikají tak kladné kationty a záporné anionty.

 

Kationty se dělí do dvou skupin:

 

  1. modifikátory – Na+, Li+, K+, Ca22+, Fe22+, Mg2+, Zn2+, Pb2+. Tyto kationty se nacházejí v silikátových taveninách samostatně. Vyznačují se malým nábojem, velkým iontovým poloměrem a iontovou vazbou s kyslíkem
  2. komplexotvorné – Si4+, Al3+, Fe3+. Tyto kationty se vyznačují velkou energii vazby s kyslíkem a vytvářejí s ním komplexní anionty, které jsou stálé (kovalentní vazba)

 

Anioty se dělí do dvou skupin:

 

  1. jednoduché anionty – O2-, S2-
  2. komplexní anionty – SixOyZ-, AlxOyZ-

 

Komplexní anionty s velkými molekulami vznikají za přítomnosti dostatečného množství O2:

Si4+ + 2 O2- = SiO44-

 

Fyzikální vlastnosti strusek

 

  1. Teplota tání strusek – nejdůležitější vlastnost; strusky nemají stanovenou teplotu tání, ale taví se v intervalu teplot. Teplota tání, příp. interval teplot je závislý na množství struskotvorných přísad, má být co nejnižší.

 

Ø      Čisté oxidy mají teploty tavení vysoké (např. FeO – 1369 °C; SiO2 – 1723 °C; CaO – 2570 °C), ale v polykomponentních struskových soustavách tvoří řadu podvojných, potrojných a polykomponentních eutektik s podstatně nižšími teplotami tavení, příp. intervaly teplot než čisté oxidy.

Ø      Měrná hmotnost strusek – dostatečný rozdíl měrných hmotností strusky, kamínku a kovu umožňuje dokonalé odmísení a oddělení produktů.

     - hustota strusek: 2,8 – 3,8 g.cm-3.

     - zvyšování obsahu SiO2 a přítomnost CaO, MgO a 

       Al2O3 snižuje měrnou hmotnost strusek.

     - oxidy Fe, ZnO a další sloučeniny (např. PbO, PbS)

       zvyšují měrnou hmotnost strusky

 

  1. Povrchové napětí strusek – významná vlastnost z hlediska dějů probíhajících na fázovém rozhraní kov - struska, pevná fáze - struska, kamínek – struska.

      Mezi tyto jevy patří: smáčení pevné i tekuté pecní vsázky, její krytí, adhese, oddělování kovů od strusky, disperze tekutého kovu, příp. kamínku ve strusce

      - hodnoty povrchového napětí strusek při T = 1300 °C: 0,38 – 0,52 N.m-1

      - SiO2 a magnetit povrchové napětí snižuje

      - CaO, MgO, FeO povrchové napětí zvyšuje

 

  1. Elektrická vodivost strusek – významná vlastnost při studiu struktury struskových tavenin a také při stanovení proudových poměrů v ele. pecích. Vodivost má iontový charakter.

 

  1. Viskozita struskových tavenin – ovlivňuje oddělování kamínku, míšně nebo kovu od strusky a tím i ztráty kovů ve struskách.

 

 

-         je závislá na chemickém složení (na velikosti a pohyblivosti aniontů) a teplotě. Se vzrůstem koncentrace a rozměrů aniontů viskozita roste

-         rozsah hodnot viskozity u strusek je velký: 0,05 – 8 Pa.s

 

Závislost dynamické viskozity na teplotě:

 

 

 

 

 

A, B – empirické konstanty, závislé na složení strusky

Vzájemné oddělování kamínku se řídí Stokesovým zákonem:

 

 

v2  – rychlost klesání částic kamínku ve strusce

g   – tíhové zrychlení

(D1 – D2) – rozdíl měrných hmotností kamínku a strusky

r   – průměr částic kamínku

h   - viskozita strusky

 

Požadavky na strusky:

 

  1. podporovat a zabezpečovat průběh metalurgických reakcí
  2. obsahovat po ukončení reakcí co nejmenší množství kovu nebo jeho sloučenin
  3. množství strusky musí být co nejmenší, bez přebytků
  4. teplo, potřebné k vytvoření strusky musí být minimální (energetická náročnost strusek)
  5. další možné zpracování strusky – bezodpadová metalurgická technologie

Obsahy zbytkových kovů ve struskách závisí na chemickém složení strusky a na vedení tavby.

 

Typy ztrát kovů ve struskách:

 

  1. Chemické Þ např. v měďařských struskách se nachází malé množství Cu ve formě Cu2O.
  2. Fyzikálně – chemické Þ množství kovů, rozpuštěné ve strusce ve formě sulfidů. Tyto ztráty závisí na složení strusky a teplotě a jsou asi 0,1 – 0,2 % kovu
  3. Fyzikálně – mechanické Þ mechanicky stržené kapičky kamínku nebo kovu ve strusce. Příčina: vyšší viskozita strusky, malý rozdíl měrných hmotností. Bývají nejvyšší i několik % kovu.

 

Další zpracování strusek:

 

-         granulace Þ prudce ochlazená struska v proudu vody se rozpadne na písek – stavebnictví

-         výroba  dlažebních kostek, struskové drti, pórovitých dlaždic, struskové vlny pro izolační účely

 

 

Produkty tavení- KAMÍNEK

 

ð     produkt koncentračního tavení, který je homogenní s litinou sulfidů kovů. Soustřeďují se v něm kovy s vysokou afinitou k síře (FeS, Cu2S, Ni3S2, PbS), ušlechtilé kovy (Au, Ag), vzácné a stopové prvky

ð     základní složkou kamínků je FeS

ð     roztavený kamínek má větší měrnou hmotnost než struska a hromadí se pod ní.

ð     má však měrnou hmotnost menší než kovová tavenina a plave na ní

ð     taví se při poměrně nízkých teplotách (950 – 1100 °C)

ð     je meziproduktem při výrobě některých kovů (Cu, Sn, Ni)

ð     podmínkou tvorby kamínku je dostatečné množství síry ve vsázce (22 – 25 %)

 

Kamínky lze rozdělit:

 

  1. Podle typu základního vyráběného kovu:

-         měděné (zákl. složka Cu2S, FeS)

-         niklové (zákl. složka Ni3S2, FeS)

-         olovářské (zákl. složka PbS, Cu2S, FeS)

-         měďnato-niklové (Cu2S, Ni3S2, FeS)

-         cínové (SnS, FeS)

 

  1. Podle obsahu základního vyráběného kovu

-         surové kamínky (chudé na Me) – poměr Me/Fe < 1

-         koncentrované kamínky (bohaté na Me) – poměr Me/Fe > 1

-         bíle kamínky (téměř čistý sulfid kovu Me) – poměr Me/Fe >> 1

 

Produkty tavení- MÍŠEŇ

 

ð     vzniká při koncentračním tavení nikl-kobaltových rud s vysokým obsahem arsenu a antimonu a při výrobě olova v šachtové peci

ð     měrná hmotnost míšně bývá 5,8 – 8,3 kg.dm-3. Ta je vyšší než měrná hmotnost kamínku a nižší než měrná hmotnost kovu, proto se míšeň ukládá mezi kov a kamínek

ð     vznik míšně je většinou nežádoucí – obsahuje jedovatý arsen, drahé a platinové kovy se rozdělují mezi kamínek a míšeň, zpracování míšní je složitý a nákladný proces

ð     hlavními složkami niklových míšní jsou arsenidy a antimonidy Ni, Fe a Co

 

Produkty tavení- PLYNY A EXHALÁTY

 

ð     při výrobě kovů vznikají také plyny a hutní exhaláty, úlety a polétavé prachy. Plynné produkty neobsahují pouze plynné složky, ale i částice kapalné s tuhé fáze.

a)  Plynná fáze – má charakteristické složení a směsi, odcházející komínem obsahují hlavně tyto plynné složky:

-         spalné plyny vzniklé hořením paliva: CO2, H2O, nízký obsah SO2 a N2, SO3 (vzniká pražením a vedlejšími reakcemi při tavení sulfidů), CO, H2 a jiné redukční plyny

-         páry kovů, zejména těkavých a jejich plynné sloučeniny a exhaláty plynných halogenů

b)  Tekutá fáze odpadních plynů – skládá se především z kapek taveniny (kovu, kamínku, strusky), které proud plynu strhl z roztavené lázně. Jejich množství je však většinou malé. Převážná část tekuté fáze vzniká při ochlazování – kondenzace vodní páry a zkapalnění složek plynné fáze, které mají rosný bod vyšší než nejnižší teplota odpadních plynů

c)  Tuhá fáze – mechanicky stržené částice vsázky, dále úlety, vznikající při ochlazování plynů

 

Přehled tavících pecí

 

Možné typy ohřevu:

-         odporový ohřev

-         indukční ohřev

-         obloukový ohřev

-         ohřev elektronovým svazkem paprsků

-         iontový ohřev

-         laserový ohřev

-         plazmový ohřev

 

Typ pece se volí podle vlastností zpracovávaného materiálu, podle množství, které má být zpracováno, podle paliva a podle požadavků, kladeny na čistotu produktů tavení.

Základní typy pecí, používané v metalurgii těžkých neželezných kovů:

-         šachtové pece

-         nístějové pece

-         pece pro tavení ve vznosu a pece cyklonové

-         bubnové rotační pece

-         konvertory

-         elektrické pece

-         destilační pece

 

Šachtové pece

ð     používají se pro výrobu Pb, Zn, Sn a Cu redukčním tavením, pro výrobu kamínku koncentračním tavením, pro přetavování odpadů i druhotných kovů

Výhody:

-         vysoký tavící výkon

-         nepřetržitost provozu

-         vysoký stupeň využití tepla

-         dobrá životnost vyzdívek, výdusek

-         komplexní automatizace kontroly a řízení provozu

Nevýhody:

-         nutnost zpracování kusové vsázky

-         použití jakostního koksu jako paliva a redukčního prostředku

-         velká spotřeba chladící vody

-         nutnost dmýchaní předehřátého či kyslíkem obohaceného vzduchu

 

Nístějové pece

 

ð     používají se pro výrobu Cu-kamínku

ð     výkon je oproti šachtových pecí značně nižší

ð     jsou vytápěny levným palivem, pevným – prahové uhlí, kapalným – topné oleje, plynným – generátorový plyn, zemní plyn aj.

ð     vsázka může být v závislosti na technologii tuhá nebo tekutá

ð     vsázka se zahřívá na povrchu, roztavená pak stéká do nístěje, kde se tavenina hromadí

Výhody:

-         možnost zpracování jemnozrnných materiálů, odpadá stmelování vsázky

-         možnost úplné mechanizace provozu (vsázení, zpracování odvalové strusky apod.)

-         dobrá ovladatelnost tavícího pochodu

-         možnost použití méně hodnotných paliv

Nevýhody:

-         nízká tepelná účinnost

-         nízký měrný výkon na 1 m2 oproti šachtové peci

-         vyšší měrná spotřeba bazických žáruvzdorných materiálů (vyzdívek)

-          

Pece pro tavení ve vznosu a cyklonové pece

 

ð     konstrukčně spojují zařízení na pražení koncentrátů ve vznosu s plamennou nístějovou pecí (snaha o spojení exotermního procesu pražení s většinou endotermním tavícím procesem a pokusit se o zvýšení tepelné účinnosti)

Výhoda:

-        velké množství tepla vyvinutého při pražení se využije již v reakčním prostoru k natavení vsázky, takže pro přetavování kamínku je nutno dodat jen minimální množství další tepelné energie

 

Konvertory a konvertorování kamínků

ð     při konvertorování se zpracovávají kamínky přidáváním oxidačního činidla do tekuté vsázky nad její teplotou tavení, aby se na základě větší afinity příměsí ke kyslíku tyto příměsí a složky oddělily od základního kovu – surový kov.

ð     jako oxidační činidlo se používá vzduch nebo vzduch a obohacený kyslík

Konvertorová reakce: 3/2 MeS(l) + 3/2 O2(g) = 3/2 Me(l) + 3/2 SO2 (g)

 

Aplikace:

Konvertorováním, tj. oxidačním tavením ve dvou periodách se zpracovává Cu-kamínek (Cu2S, FeS):

-         v prvé periodě se přiváděným vzduchem oxiduje především FeS podle exotermických reakcí:

FeS + 3/2 O2 = FeO + SO2

 

3 FeS + 5 O2 = Fe3O4 + 3 SO2

2 FeO + SiO2 = 2 FeO.SiO2

Oxidy železa volné (Fe3O4) i vázané (FeO.SiO2) vytvářejí na povrchu taveniny kamínku, který se obohacuje na Cu a ochuzuje na Fe, konvertorovou strusku.

Produktem první periody konvertorování je tzv. bílý kamínek – téměř čistý Cu2S.

 

Po stáhnutí strusky se opět začíná foukat do bílého kamínku oxidační atmosféra – druhá perioda konvertorování:

Cu2S + 2 Cu2O = 6 Cu + SO2

Cu2S + O2 = 2 Cu + SO2

II. perioda končí zreagováním prakticky celého množství Cu2S a její produktem konvertorová měď.

 

Elektrické pece

ð     teplo vzniká pomocí elektrické energie buď přímo odporem vsázky nebo probíhá vytápění nepřímo

ð     při přímém přívodu ele. energie do vsázky probíhá její přeměna na tepelnou energii podle Joulova zákona:

Q = 0,239 U.I.T = 0,239 R.I2.T

ð     při nepřímém ohřevu je tepelná energie vyvíjena hořícím obloukem, odporovým topným tělesem mimo vsázku, indukcí apod. a tavící se vsázce předávána sáláním nebo konvekcí

Výhody ele. ohřevu:

-         čistější tavení, protože se v tavícím prostoru nevyskytují spaliny, nečistoty a strusky z paliv, ale pouze reakční plny a produkty vznikající ve vlastní vsázce

-         možnost přesné regulace teplot

-         vysoká koncentrace energie do pracovního prostoru pecí a tím jejich vysoké měrné výkony

Nevýhody:

-         vysoká cena ele. energie

Elektrické pece lze obecně rozdělit do tří skupin:

  1. Elektrické redukční pece (s přímým odporovým ohřevem vsázky) – ele. šachetní pece, elektrodové pece, nízkošachetní pece, pece pro tavnou elektrolýzu
  2. Přetavovací a rafinační pece
  3. Tavící pece se speciálními typy elektrochemických ohřevů – plazmové pece, elektronové a iontové pece pece, solární pece aj.