Кислотно-основные свойства оксида алюминия Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

МЕТАЛЛУРГИЯ СТАЛИ

УДК 669.01

Шешуков О.Ю., Некрасов И.В., Егиазарьян Д.К., Лапин М.В., Бонарь С.Н.

КИСЛОТНО-ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ОКСИДА АЛЮМИНИЯ

Аннотация. Рассмотрено проявление кислотных и основных свойств оксидом алюминия при его увеличении в бинарных шлаковых расплавах на основе анализа экспериментальных данных по сульфидной емкости шлаков. Ключевые слова: шлак, основность, оксид алюминия, оксид магния, оксид кальция, оксид фосфора.

Известно, что А1203 в сталеплавильных шлаках проявляет амфотерные свойства, сочетающие в себе кислотные и основные свойства. Главным параметром структуры расплава, определяющим химические и физические свойства шлака, является его основность. В наиболее простом выражении, которое используется на практике, основность выражается как отношение суммы концентраций основных оксидов к сумме концентраций кислотных и амфотерных оксидов.

В первом приближении выражение основности в виде отношений концентраций действительно характеризует структуру шлака. В соответствии с данными рентгеноструктурных исследований [1] оксидный расплав можно представить как трехмерную упаковку О2- (анионов кислорода). В промежутках между анионами расположены остальные компоненты расплава -катионы Са2+, Mg2+, Si4+, А13+ и т.д. Катионы резко отличаются друг от друга силой электростатического поля (рис. 1).

Валентность (заряд катионов)

+ 1 +2 +3 +4 +5

В 4 51 Р *

А1 4

мв 1 Ре 4 Ре « 4 Т1

Мэ 4 Мп 1 , Са (

К 1 > Бз 4

способность шлака снижается. Из-за наличия в шлаке крупных комплексов повышается вязкость шлака в его гомогенной области. То есть при большом содержании в шлаке Si4+, Р5+, В3+ он приобретает «кислые» свойства.

Катионы из Са2+, Mg2+, №1+ и др. (левый угол на рис. 1), не характеризующиеся большой электростатической силой (большой радиус при меньшем заряде), не способны формировать стабильные анионные комплексы. Поэтому ввод в шлак СаО, MgO, №20 повышает содержание в нем свободных анионов кислорода О2-, в результате возрастает химическая активность шлака и снижается его вязкость в гомогенной области. То есть шлак с высоким содержанием Са2+, Mg2+, №1+ и др. приобретает «основные» свойства.

Катионы А13+, характеризующиеся средним значением силы поля, могут способствовать усилению как «кислотных», так и «основных» свойств расплава.

К настоящему времени данный вопрос проявления оксидом алюминия основных и кислотных свойств не решен на теоретическом уровне, однако имеются экспериментальные данные, которые можно использовать для анализа влияния А1203 на основность шлака.

Прежде всего, это данные по сульфидной емкости шлаков Cs, которая определяет способность шлака растворять серу и является характеристическим свойством шлака [2].

Сера растворяется в оксидном расплаве в виде сульфидного иона S2\ Она экспериментально определяется по изучению равновесия шлака с серосодержащим газом. То есть изучается равновесие реакции:

Рис. 1. Валентности и радиусы катионов оксидного расплава

Причем катионы Si4+, Р5+, В3+, отличающиеся наибольшей силой электрического поля (меньший радиус при большем заряде), интенсивнее притягивают к себе отрицательно заряженные анионы кислорода О2-. Из-за более интенсивного взаимодействия с анионами кислорода по сравнению с другими катионами, они «стягивают» трехмерный каркас анионов кислорода в обособленные анионные комплексы -типа SiO44". Анионы кислорода, «затянутые» в подобные комплексы теряют подвижность и способность участвовать в химических реакциях. Реакционная

2*2+и=и+|о2-

(1)

Сульфидная емкость, выраженная через константу равновесия реакции (1), записывается следующим образом:

\ 0,5

= К1 • а02-

(2)

© Шешуков О.Ю., Некрасов И.В., Егиазарьян Д.К., Лапин М.В., Бонарь С.Н., 2016

где (*2-) - содержание серы в шлаке, масс.%;

Рз2 - парциальное давление серы в газовой фазе, мПа;

р02 - парциальное давление кислорода в газовой фазе, мПа;

Раздел 3

К - константа равновесия реакции (1);

ао2-

- активность (эффективная концентрация) свободного аниона кислорода О2- в шлаке.

Активность свободного аниона кислорода О2- и является истинной основностью шлака, определяющей его физические и химические свойства.

На рис. 2 приведены данные по сульфидной емкости для системы Са0^Ю2-А1203. Данная трёхком-понентная система охватывает свыше 90 % валового оксидного состава ковшевых шлаков и является базовой. Поскольку данные получены для одной температуры, то константа К1 для всех опытных точек одинакова. Поэтому все изменения (либо постоянство) С8, которые видны на рис. 2, вызваны именно структурой шлака. Причём на рис. 2, а имеются изолинии, которые отмечают составы шлака с постоянным значением С Изменение состава в пределах одной линии не влияет на активность свободного кислорода О2-. Химический состав расплава меняется, а его структура нет. То есть анализируя одну отдельно взятую линию, можно сказать, например, в какой пропорции увеличение содержания А1203 с точки зрения структуры шлака эквивалентно изменению содержаний СаО и Si02. Поскольку СаО и Si02 - основной и кислотный оксиды, то можно определить, в каких условиях А1203 проявляет основные или кислотные свойства.

Рис. 2. Сульфидная ёмкость шлаков и результаты её анализа: а - диаграмма сульфидной емкости С^104 шлаков СаО^Ю2-А1Юз в гомогенной области при 1650 °С в зависимости от состава (мол. доли)[3]; б - изменение мольной доли А1Юз и эквивалентное изменение мольных долей SiO2 и СаО на изолинии сульфидной ёмкости шлака 2110-4

На рис. 2, б представлено эквивалентное изменение мольных долей оксидов кальция и кремния при увеличении мольной доли оксида алюминия в шлаке. Из данных, представленных на этом рисунке, следует, что в этом шлаке А1203 ведёт себя преимущественно как кислотный оксид, поскольку увеличение его доли более 0,2 мол. ед. в шлаке компенсируется преимущественно за счет снижения доли кислого оксида, при меньшем количестве это происходит в большей степени за счет основного оксида. При увеличении доли оксида алюминия до 0,26 мол. ед. происходит равная компенсация за счет кислого и основного оксида. В этот момент оксид алюминия в равной степени проявляет основные и кислотные свойства.

Аналогичный анализ был проведен и по диаграммам систем Mg0-Si02-Al20з, Са0-Р205-АЪ0з (рис. 3).

Рис. 3. Анализ данных по сульфидной емкости для систем: а - MgO-SЮ2-AhOз; б - СаО-РЮз-АЮз

Из полученных данных следует, что в основные шлаки ковшевой обработки стали не следует вводить более 30 % глинозема. При превышении этого количества глинозем ведет себя аналогично кислотным оксидам, т.е. снижает десульфурирующую способность шлака и повышает его агрессивность к футеровке. При меньшей добавке данный оксид ведет себя преимущественно как основной, т.е. он разжижает шлак, но, в отличие от кислотных, не снижает де-сульфурирующую способность шлака и не повышает его агрессивность к футеровке.

24

Теория и технология металлургического производства

МЕТАЛЛУРГИЯ СТАЛИ

Список литературы 2. Новиков В.К., Невидимов В.Н. Полимерная природа

расплавленных шлаков: учеб. пособие. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006. 62 с.

1. Попель С.И., Сотников А.И., Бороненков В.Н. Теория

металлургических процешк учеб. п°с°бие для ^ М.: 3. Атлас шаКоГсПраВ. изд.: пер.с нем. М.: Металлургия, 1985.

Металлургия, 1986. 463 с. 208 с

Сведения об авторах

Шешуков Олег Юрьевич - д-р техн. наук, зав. лабораторией пирометаллургии черных металлов ИМЕТ УрО РАН, Екатеринбург, Россия. Тел. (343) 2679715. E-mail: [email protected]

Некрасов Илья Владимирович - канд. техн. наук, ст. науч. сотр. лаборатории пирометаллургии черных металлов ИМЕТ УрО РАН, Екатеринбург, Россия. Тел. (343) 2329019. E-mail: [email protected]

Егиазарьян Денис Константинович - инженер-исследователь лаборатории пирометаллургии черных металлов ИМЕТ УрО РАН, Екатеринбург, Россия. Тел. (343) 2329019. E-mail: [email protected]

Лапин Максим Владимирович - инженер-исследователь 3 категории, магистр по направлению «Металлургия» ФГУП «РФЯЦ - ВНИИТФ имени академика Е.И. Забабахина», Снежинск, Россия. Тел. 89823049658. E-mail: [email protected]

Бонарь Светлана Николаевна - студент «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», Екатеринбург, Россия. Тел. +79630384215. E-mail: [email protected]

INFORMATIONABOUT THE PAPER INENGLISH

ACID-BASIC PROPERTIES OF ALUMINUM OXIDE

Sheshukov Oleg Jurevich - Professor, Manager of Laboratory of ferrous metals, IMET UB RAS, Ekaterinburg, Russia. Ph. (343) 2679715. E-mail: [email protected]

Nekrasov Ilya Vladimirovich - PhD (Eng.), scientific employee of Laboratory of ferrous metals, IMET UB RAS, Ekaterinburg, Russia. Ph. (343) 2329019. E-mail: [email protected]

Egiazarjan Denis Konstantinovich - the engineer-researcher of Laboratory of ferrous metals, IMET UB RAS, Ekaterinburg, Russia. Ph. (343) 2329019. E-mail: [email protected]

Lapin Maksim Vladimirovich - the engineer-researcher, Federal State Unitary Enterprise "Russian Federal Nuclear Center -Academician E.I. Zababakhin All-Russian Research Institute of Technical Physics" (FSUE "RFNC-VNIITF"), Snezhinsk, Russia. Ph. 89823049658. E-mail: [email protected]

Bonar' Svetlana Nikolaevna - Student, Ural Federal Universiti named after the first President of Russia B.N.Yeltsin, Ekaterinburg, Russia. Ph. +79630384215. E-mail: [email protected]

Abstract. The expression of aluminum oxide acidic and basic properties in the course of it's increase in binary molten slag based on the analysis of experimental data of the sulfide capacity slag is considered.

Keywords: slag basicity, aluminum oxide, magnesium oxide, calcium oxide, phosphorus oxide.

♦ ♦ ♦