Density and surface tension of slag in copper metallurgy

• Autorzy: Łabaj J.

Warianty tytułu

PL

Gęstości i napięcie powierzchniowe żużli hutnictwa miedzi

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The surface phenomena are playing particular role in processes of melting, casting and refining of metals. Among others, there exist such as nucleation of non-metallic inclusions, their growth and removal from liquid metal, removal of gas inclusions and careful filling of ingot mould or casting mould with liquid metal [1]. The surface properties of liquid metal oxides, sulphides or chlorides constituting components of the slag are considerably less examined than those of metals. The reason is much more complex composition of slags. A surface tension of acid metallurgical slag is usually maintained at the level of 300 to 400 mN m-1 while for the basic slag it is 500 to 600 mN m-1 [2, 3]. Interfacial tension of metal-slag system depends on the character of interaction between these phases, from chemical composition of phases, their structure and temperature. The value of interfacial tension of metal-slag system is lower than that of metal or slag alone. In examinations of liquid metallurgical slag, a very small range of application can find the methods used in research in low temperatures. Transfer of these methods to temperatures over 1273 K would require meeting of a number of requirements connected with achieving the high temperature, as well as with selection of materials featuring the heat-resistance and creepresistance [4-6]. However, the essential elements of measuring system are those exposed to contact with liquid slag. Using of unsuitable materials can lead to deviations of measuring system parameters, and thus to deform the results of measurements. In the literature can be found some sporadic data related with measurements of physical-chemical properties, i.e. the surface tension or density of metallurgical slag; mostly these data are connected with narrow range of oxide systems, binary, - trinomial or quaternary. The knowledge of basic physical properties of copper metallurgy slags is essential to proper operation of technological process. These properties depend from the chemical and phase composition of slags. The chemical and phase composition in turn depends on the minerals and raw materials used in manufacturing process; method of their preparation and copper smelting process. The Polish cupriferous minerals are specific and their smelting methods are unique; the slags forming in smelting process of copper matte, converter shop of copper matte and the fire refining of copper are not yet systematically examined. There is also lack of the full data concerning slags from the flash smelting process. The main components of slag from copper smelting processes are the oxides of: calcium, silicon, iron, aluminium and magnesium. Beside of oxides there appear also the compounds of sulphur (sulphides and sulphates), selenium, lead, antimony, arsenic and bismuth. Liquid copper slags are very chemically aggressive; they react both with metals as with ceramic materials. Thus the selection of materials for examinations would require some preliminary tests on their corrosivity. The fact, that the data concerning the density and surface tension of liquid slags from Polish copper metallurgy are fragmentary only is due to the technical difficulties in examinations, caused by the lack of materials with sufficient resistance.

PL

Zjawiska powierzchniowe odgrywają szczególną rolę w procesach wytapiania, odlewania i rafinacji metali. Zaliczają się do nich: zarodkowanie wtrąceń niemetalicznych, ich wzrost i usuwanie z ciekłego metalu, usuwanie zanieczyszczeń gazowych i dokładne wypełnianie wlewnicy lub formy ciekłym metalem [1]. Własności powierzchniowe ciekłych tlenków, siarczków lub chlorków metali będących składnikami żużla są w znacznie mniejszym stopniu zbadane niż metali. Podyktowane jest to bardziej złożoną budową żużli. Napięcie powierzchniowe dla kwaśnych żużli stalowniczych kształtuje się na poziomie od 300 do 400 mN m-1, a żużli zasadowych od 500 do 600 mN m-1 [2, 3]. Napięcie międzyfazowe układu metal-żużel jest uzależnione od charakteru oddziaływania pomiędzy tymi fazami i zależy od składu chemicznego faz, ich struktury i temperatury. Wartość napięcia międzyfazowego metal-żużel jest niższa niż wartość napięcia powierzchniowego metalu czy żużla. W badaniach ciekłych żużli metalurgicznych w bardzo ograniczonym zakresie mogą znaleźć zastosowanie metody stosowane w badaniach przy niskich temperaturach. Przeniesienie tych metod na temperatury powyżej 1273 K wymaga spełnienia szeregu wymogów związanych z uzyskaniem wysokiej temperatury, jak również z doborem materiałów charakteryzujących się żaroodpornością i żarowytrzymałością [4-6]. Jednak najważniejsze elementy układu pomiarowego to części posiadające bezpośredni kontakt z ciekłym żużlem. Zastosowanie nieodpowiednich materiałów może powodować zmianę parametrów układu pomiarowego, a więc bezpośrednio wpływać na wyniki pomiarów. W literaturze można spotkać nieliczne dane dotyczące pomiarów własności fizykochemicznych tj. napięcie powierzchniowe czy gęstość ciekłych żużli metalurgicznych, w głównej mierze dane te dotyczą wąskiego zakresu układów tlenkowych - dwu-, trój- lub czteroskładnikowych. Znajomość podstawowych własności fizycznych żużli hutnictwa miedzi jest bardzo ważna dla prawidłowego prowadzenia procesu technologicznego. Na własności te wpływa skład chemiczny i fazowy żużli. O składzie chemicznym i fazowym, z kolei decydują minerały i surowce użyte w procesie wytwarzania: sposób ich przygotowania oraz metody wytapiania miedzi. Polskie minerały miedzionośne są specyficzne, jak również sposoby wytapiania miedzi są oryginalne, a żużle powstające w procesach wytapiania kamienia miedziowego, konwertorowania kamienia miedziowego, rafinacji ogniowej miedzi nie są systematycznie zbadane. Brak jest również pełnych danych o żużlach z procesu zawiesinowego. Podstawowym składnikiem żużli z procesów otrzymywania miedzi są tlenki: wapnia, krzemu, żelaza, glinu i magnezu. Poza tlenkami występują również związki siarki (siarczki i siarczany), selenu, ołowiu, antymonu, arsenu i bizmutu. Ciekłe żużle miedziowe są bardzo agresywne chemicznie, reagują zarówno z metalami jak i materiałami ceramicznymi. Dobór materiałów do eksperymentowania wymaga wstępnych badań korozyjności tych materiałów. To, że dane dotyczące gęstości i napięcia powierzchniowego ciekłych żużli z polskiego hutnictwa miedzi są fragmentaryczne tłumaczy się trudnościami doświadczalnymi, spowodowanymi brakiem materiałów odpornych na ich działanie.

Słowa kluczowe

EN

metallurgical slag; surface tension; density

PL

żużle metalurgiczne; napięcie powierzchniowe; gęstość

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Rudy i Metale Nieżelazne
• Rocznik: 2010
• Tom: R. 55, nr 5
• Strony: 268--273
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Łabaj J.

• Politechnika Śląska, Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii, Katowice

Bibliografia

• 1. Staronka A., Holzer M.: Podstawy fizykochemii procesów metalurgicznych i odlewniczych. Wydaw. AGH, Kraków 1988.
• 2. Kucharski M.: Pirometalurgia miedzi. UWN-D, Kraków 2003.
• 3. Botor J.: Podstawy metalurgicznej inżynierii procesowej. Wydaw. Polit. Śląsk., Gliwice 1999.
• 4. Staronka A., Piekarska M.: Wysokotemperaturowe metody pomiarowe napięcia powierzchniowego gęstości żużli. Archiwum Hutnictwa, 1982, nr 1-2, s. 31-48.
• 5. Linczewskij BW.. : Tiechnika metałłurgiczeskowo ekspierimienta. Mietałłurgija, Moskwa 1979.
• 6. Lukas L. D. : Opracowanie IRSID (Francja) 1975 [non-published].
• 7. Zieliński M., Sikora B.: Napięcie powierzchniowe układu CaO-Al2O3 z dodatkami SiO2, Fe2O3, CaF2, NaF i MgO. Prace IMŻ 29, Gliwice 1977, s. 157-165.
• 8. Staronka A., Piekarska M.: Wpływ składu żużli metalurgicznych na ich napięcie powierzchniowe. Archiw. Techn. Maszyn i Automat., z. 11, Poznań 1993.
• 9. Łabaj J., Sikora B.: Material choice to the investigation of physical and chemical properties of liquid metals and slags. Acta Metallurgica Slovaca, 2004, nr 10, s. 187.
• 10. Adamson AW.: Chemia fizyczna powierzchni. PWN, Warszawa 1963.
• 11. Łabaj J., Sikora B., Fornalczyk A.: Gęstość i napięcie powierzchniowe ciekłych stopów Cu-Pb. Rudy Metale 2005, t. 50, nr 4, s. 164-169.
• 12. Łabaj J., Domin A.: Density and surface tension of liquid alloys Cu-Pb. Acta Metallurgica Slovaca 2007, nr 5, s. 449.
• 13. Łabaj J., Sikora B.: Density and surface tension of liquid: SiO2-CaO-Al2O3-MgO-Fe2O3-X Systems (X: Cu2O; PbO; CuS). 12th International Metallurgical-Materials Congress, Istanbul 2005.
• 14. Łabaj J., Vadas P.: Pomiar gęstości i napięcia powierzchniowego wybranych żużli przemysłu miedziowego. XIV Konferencja sprawozdawcza PAN „Metalurgia 2006”, Krynica 2006.
• 15. Łabaj J., Siwiec G.: Zwilżalność w układzie: ciało stałe-ciekła faza żużlowa. Rudy Metale 2007, t. 52, nr 6, s. 307-309.