ЛЕКЦИЯ 6. ШЛАКИ И ШТЕЙНЫ

Процессы плавки в металлургии цветных металлов протекают с участием жидких фаз: оксидной (шлаковой), сульфидной (штейновой) и металлической. Расплавы подразделяют на металлические, для которых характерно взаимодействие катионов со свободными электронами, и оксидно-сульфидные – с ионными связями.
В жидких металлах межчастичная связь осуществляется коллективизированными валентными электронами. Промышленные сплавы содержат не только металлические, но и металлоидные составляющие.
При плавлении кристаллическая решетка твердого тела разрушается; за счет увеличивающейся энергии теплового движения частиц решетки преодолевается энергия электростатического притяжения и происходит разрыв внутрикристаллических связей.
Простые химические соединения, имеющие однородные связи, плавятся при фиксированной температуре. Соединения, имеющие связи с разной энергией, плавятся в некотором интервале температур: распад различных по своей энергии связей предполагает разные энергетические уровни теплового движения.
За температуру плавления обычно принимают точку на кривой нагревания и плавления (рис. 4.1), которая характеризуется резким увеличением температуры (точка б), следующую за относительно горизонтальным участком термограммы «аб». Практически переход вещества из одного состояния в другое происходит не скачкообразно, а после завершения этапа предплавления – перевода в расплав ограниченных объемов кристалла. По мере нагревания материала в твердой фазе вблизи температуры плавления начинают образовываться зародыши новой жидкой фазы. С ростом температуры количество зародышей возрастает, и твердое тело переходит в жидкое состояние.
Процесс плавления сопровождается увеличением объема, которое для металлов составляет 3–6 %, для ионных кристаллов 10–12 % и для молекулярных – выше 12 %. Например, элементы группы кислорода плавятся, сохраняя молекулярную структуру, тип связи остается неизменным и при плавлении некоторых ионных и металлических кристаллов. При плавлении не происходит полного нарушения упорядоченности в расположении структурных частиц: исчезает дальний и сохраняется ближний порядок.

6.1.1. Шлаки
Шлаками называется расплав оксидов, получаемых из породообразующих компонентов шихты. Различают шлаки рудной плавки, конвертерные и рафинировочные. Основной функцией шлаков плавильных процессов является ассимиляция пустой породы руды и концентратов, что позволяет сконцентрировать ценные металлы в форме штейнов, шлаков, металлических расплавов.
В шлаковых расплавах завершаются физико-химические процессы получения извлекаемого компонента и начинается разделение продуктов плавки на разные фазы. Шлаковый слой предохраняет металлосодержащую фазу от воздействия печной атмосферы, что снижает окисленность металла и его насыщение газами. При руднотермической электроплавке шлаки выполняют роль элемента сопротивления.
Шлаки цветной металлургии представлены в основном оксидом железа (II), диоксидом кремния и оксидом кальция. Суммарное содержание данных оксидов достигает 80– 90 % от общей суммы шлакообразующих компонентов, что позволяет рассматривать шлак как псевдотройную систему FeO – СаО –SiO2.
Представление о фазовых превращениях, например о температурах плавления произвольной смеси из оксидов FeO, CaO, SiO2, получают из анализа диаграмм состояния (плавкости).
В меньших количествах шлаки содержат Аl2O3, МgO, МnO, Fe3O4, Fe2O3,  оксиды цветных и щелочных металлов, а также Cr2O3, Р2O5, ВаО. Состав шлаков изменяется в широких пределах (табл. 4.1), соответственно изменяются и физико-химические свойства расплавов.
Степень основности определяется как отношение массы кислорода в основных оксидах (СаО, МgО, МnО, PbO, FeO) к его массе в кислых оксидах (SiO2, Аl2O3). По возрастанию основности оксиды могут быть представлены следующим рядом: В2O3, SiO2, P2O5, А12O3, As2O5, Sb2O5, ZrO2, TiO2, BeO, SnO2, FeO. Модуль основности равен:

При Mo= 1 шлаки являются нейтральными, при Mo>1 относятся к основным, при Mo< 1 к кислым. Конвертерные шлаки характеризуются высоким содержанием оксида железа (II) и относительно низкой концентрацией кислотных оксидов; среднее значение Mo = 1,5. Шлак отражательной плавки в зависимости от содержания меди и железа в концентрате может быть основным и кислым:
Mo=0,5–1,4. При электроплавке высококремнистых концентратов, отражательной плавке малосернистых концентратов образуются кислые шлаки (Mo = 0,5 - 0,65).
При плавлении шлаков учитывают следующие требования:
- минимальный расход флюсов и как следствие меньший выход шлака;
- шлак должен быть жидкотекучим, иметь низкую температуру плавления, наименьшую плотность и вязкость;
- содержание цветных металлов в шлаке должно быть минимальным.

Таблица 4.1
Содержание шлакообразующих в шлаках некоторых
металлургических процессов, масс. %
Процесс
SiO2
CaO
FeO
Al2O3
ZnO
MgO
Отражательная плавка медьсодержащего сырья
31-48
1-13
15-40
3-9
до 8
1,6-4
Шахтная плавка окисленных никелевых руд
42-48
13-18
18-21
4-10
-
7-12
Шахтная плавка свинцового агломерата*
8-30
3-25
17-41
2-3
4-30
2
Электроплавка оловянных концентратов
25-55
10-25
10-30**
10-20
-
-
Конвертирование медных штейнов***
23-25
0,5-1,6
65-70
1-5
-
0,5-10
Плавка в печах Ванюкова
30-32
1-4
50-55
3-5
-
1-2
Кислородно-факельная плавка
30-33
до 4
39
3,5
-
2,4
Электроплавка медных руд и концентратов
34-43
5-15
16-44
3-8
2-9
-
* В шлаках отдельных заводов содержится до 5% BaO
** При плавке на безжелезистые шлаки содержание FeO не более 1-3%
*** Содержание Fe3O4 10-30%

Температура плавления шлака определяет в значительной степени скорость плавильного процесса и производительность печи.
Шлак плавится в определенном интервале температур, когда его состояние после размягчения изменяется от вязкого тестообразного до жидкотекучего.
Этот интервал температур называется температурой жидкоплавкости. Для шлаков типичен более пологий участок кривой, следующий за точкой б (см. рис. 4.1) после достижения температуры плавления (размягчения). Интервал температуры, соответствующий данному участку, называется интервалом переохлаждения. Для силиката оксида кальция он составляет 1400–1512 ºС, для силиката оксида железа (II) – 1150–1200 °С.
Наименьшая температура плавления в системе FeO – SiO2 – СаO (1093°С) принадлежит точке «s» с координатами: 46 % FeO, 37 % SiO2 и 17 % СаО. Несколько более высокая температура плавления (1105°С) отвечает составу 45,5% FeO, 43% SiO2 и 11,5% CaO (точка «к»).
Наиболее легкоплавкими соединениями являются: фаялит
(Тпл= 1244°С), монтичеллит (Тпл=975ºС) и метасиликат закиси железа
(Тпл= 1240°С).
Основные шлакообразующие компоненты по-разному влияют температуру плавления шлака. Наиболее легкоплавки железистые шлаки, содержащие 50 мас. % FeO, 4–8 % СаО и аналогичное количество ZnO и А12O3. Чем выше в шлаках содержание оксида железа, тем ниже температура его плавления, обычно Т = 1150– 1200 ºС.
Оксид кремния повышает температуру жидкотекучести шлака. Высококремнистые шлаки (52–56% SiO2) становятся подвижными лишь при Т=1450–1550°С, и в этом случае плавка характеризуется низкой производительностью и высоким расходом топлива.
Оксид кальция в небольших количествах (до 25 %) снижает температуру плавления шлака; при замещении оксида железа (II) оксидом кальция температура плавления вначале снижается, затем возрастает.
Температура плавления шлаков четверной системы SiO2 – FeO –– СаО – Аl2O3 обычно выше, чем у тройной FeO – SiO2 – СаО, т. к. присутствие оксида алюминия приводит к образованию тугоплавких алюмосиликатов, особенно при добавках Аl2O3 в количествах свыше 10 %. Характерно, что Аl2O3 способствует образованию более однородных шлаковых расплавов, склонных к переохлаждению. Температура полного застывания таких шлаков на 200–300ºС ниже температур, их плавления.
Тугоплавкими являются магнезиальные шлаки, содержащие 13–25 % МgО, которые становятся жидкотекучими при Т = 1400– 1450 °С. При высоких концентрациях МgО образуются тугоплавкие оливины (Мg, Fe)2SiO4, уменьшающие жидкотекучесть и ускоряющие затвердевание шлака. Следовательно, чем выше содержание МgО в шлаке, тем «короче» шлак.
Энтальпия шлаков. Важным термическим свойством шлака является его энтальпия (теплосодержание). Энтальпией называется количество теплоты, заключающейся при определенной температуре в единице массы вещества. Она может быть определена расчетным путем, если известны теплоты образования основных соединений, скрытая теплота плавления шлака и его теплоемкость.
Энтальпия жидких шлаков системы FeO – SiO2 – СаО при температуре 1473 К в зависимости от содержания основных шлакообразующих компонентов изменяется от 1050 до 1890 Дж/г (табл. 4.2). При увеличении температуры до 1523 К теплосодержание шлака может достигать 2100 Дж/г. С увеличением концентрации СаО в шлаке энтальпия также увеличивается. Замещение СаО закисью железа приводит к уменьшению теплосодержания. Глинозем (Аl2O3) несколько понижает энтальпию шлаков, особенно в области высоких температур. Увеличение содержания ZnO в шлаке приводит к снижению теплосодержания шлака при замещении оксида кальция. При повышении концентрации ZnO более 10 маc. % энтальпия шлаков системы FeO – СаО – SiO2 – ZnO начинает уменьшаться. Теплосодержание шлаков, содержащих менее 20 % МgО + СаО при Т = 1573 К, например, составляет 1500–1750 Дж/г, при более высокой концентрации данной суммы шлакообразующих энтальпия возрастает до 1920 Дж/г.

Таблица 4.2
Химический состав и энтальпия (ΔН) шлаков
Состав, масс.%
ΔН, Дж/г при Т, К
SiO2
FeO
CaO
Аl2O3
ZnO
1473
1523
1573
41.1
26.0
14.2
15.1
-
1070
1112
-
46.9
23.4
17.2
12.7
-
1450
1525
-
18.0
23.4
13.4
11.9
-
1776
1830
-
48.6
7.7
27.1
10.6
-
1973
2102
-
54.7
4.7
14.1
20.8
-
1647
-
-
32.4
37.8
5.5
-
5.8
1087
-
1213
39.5
37.9
7.4
-
1.3
1212
-
1317
30.6
50.2
3.0
-
3.2
1108
-
1170
41.1
20.3
22.4
8.3
4.4
1137
-
1241
31.2
28.7
27.0
4.1
3.8
1120
-
1212
27.3
26.1
27.0
4.8
4.4
1103
-
1190
26.9
62.7
1.1
5.7
-
1409
-
-
26.9
57.7
3.7
4.5
-
1425
-
-

Вязкость шлаков. Температурный интервал плавления шлака связан с кинетическими характеристиками расплава (коэффициенты вязкости, удельной электрической проводимости и диффузии), которые характеризуют подвижность частиц в расплаве.
Вязкость влияет на величину потерь цветных металлов со шлаками, скорость физико-химических процессов и на полноту разделения продуктов плавки.
Вязкость или текучесть любой жидкости, в том числе шлаковых расплавов, характеризуется величиной коэффициента динамической вязкости η, Па·с). Вязкость зависит от природы и состава расплава и определяется силой трения, возникающей при перемещении относительно друг друга слоев несжимаемой жидкости.
Металлургические шлаки содержат комплексные образования, структура которых зависит от температуры. Этим объясняется отклонение температурной зависимости шлаковых расплавов от экспоненциального закона, хотя для всех шлаков характерно резкое уменьшение их вязкости с ростом температуры.
Шлаки в зависимости от вязкости условно подразделяют на очень жидкие (менее 0,5 Па·с), жидкие (0,5–1,0 Па·с), вязкие (1,0-2,0 Па·с), очень вязкие (более 2,0 Па·с). Шлаки с вязкостью менее 5,0 Па·с сохраняют жидкотекучесть и сравнительно легко вытекают из печи. Определенные трудности в этом отношении представляй шлаки с вязкостью 20 Па·с.
Вязкость шлаков регулируют температурой процесса или изменением состава шлака. Второй способ является более рациональным, поскольку требует меньше энергозатрат для изменения вязкости шлака.
Используя диаграммы вязкости, можно подобрать состав шлака с минимальной вязкостью при заданной температуре. При Т= 1573 К наименьшей вязкостью обладают расплавы, содержащие, масс. %: 40-50 SiO2, 30-60 FeO и
5-24 CaO.
Влияние SiO2, CaO, FeO на величину вязкости зависит от состава расплава и его температуры. При Т= 1573 К и содержании FeO 40 %, увеличение концентрации SiO2 с 40 до 45 % практически не изменяет вязкости расплава (2,0 Па·с). При содержании SiO2 50 % вязкость повышается до 3,0 Па·с, и при концентрациях SiO2 более 50 % вязкость резко возрастает (7,0 Па·с). Для основных шлаков характерна меньшая зависимость вязкости от температуры.
При нагреве кислых шлаков снижение их вязкости растягивается на больший интервал температуры. Низкая подвижность крупных кремнекислородных анионов в кислых шлаках замедляет процесс кристаллизации, и при достижении температуры ликвидуса вязкость шлака продолжает плавно увеличиваться.
В основном шлаке кремнекислородные анионы представлены более простыми и подвижными ассоциациями. Это приводит к быстрой кристаллизации шлака вследствие образования в расплаве твердой фазы из его тугоплавких составляющих. Наряду с МgО подобный эффект проявляют Fe3O4, ZnO, Сr2O3, растворимость которых в шлаке ограничена.
Оксиды FeO и CaO снижают вязкость шлака. Наименьшую вязкость имеют железистые шлаки; например, вязкость расплава, содержащего 45-55 % FeO и 20-30 % SiO2, при Т= 1423/1573 К составляет 0,1–1,0 Па·с. Наличие в шлаках 20–20% CaO также уменьшает вязкость расплава. Варьируя отношение CaO : FeO, можно повысить жидкотекучесть кислых шлаков. При
Т=1623–1723 К для шлака, содержащего 47–50% SiO2, оптимальным является соотношение CaO : FeO = 2 : 4. Аналогичную вязкость можно получить и при более низкой температуре – 1473–1573 К, изменив это соотношение до
0,1 : 1,86. С ростом кислотности шлака увеличение доли CaO уменьшает вязкость шлака до тех пор, пока содержание FeO в шлаке не окажется ниже 25 %. Для снижения вязкости кислых шлаков вводят известняк и железную руду.
Замена SiO2 на глинозем снижает вязкость расплава, замена FeO на Аl2O3 с 15 до 25 % приводит к ее увеличению. Обычно рассматривают влияние суммарного содержания SiO2 + Аl2O3 на вязкость шлака; при увеличении их суммы выше 60– 65 % (в том числе 50 % SiO2), вязкость шлака заметно возрастает.
Увеличение содержания ZnO с 1,6 до 6,5 % приводит к снижению вязкости; при более высоком содержании (18–30% ZnO) вязкость шлака возрастает.
Добавка к шлакам оксидов щелочных металлов (NaO) значительно снижает вязкость шлака, особенно в области низких температур (менее 1573 К).
Электропроводность шлаков. Это свойство шлаков имеет большое значение в связи с электротермией и электроплавкой. Электрическая проводимость оксидных расплавов определяет интенсивность выделения тепла при протекании электрического тока.
Шлаки в твердом виде обладают низкой электропроводностью, однако для жидких шлаковых расплавов (Т = 1623 – 1673 К) она составляет значительную величину: 0,2–1,0 Ом-1·см-1.
Электропроводность зависит от температуры расплава, например удельная электропроводность шлаков системы FeO – SiO2 – CaO в интервале Т = 1473–1673 К увеличивается в 4–5 раз.
Электропроводность расплава в значительной степени зависит от содержания SiO2 и FeO; увеличение концентрации SiO2 снижает электропроводность; шлаки с высоким содержанием 50–55 % SiO2 имеют электропроводность 0,2–0,3 Ом-1·см-1. Железистые шлаки (50-55 % FeO) при аналогичной температуре более электропроводны  (3–5 Ом-1·см-1). Замена FeO на CaO и МgО уменьшает электропроводность шлака. Добавки МnО, ТiO2, Сr2O3 резко уменьшают сопротивление оксидного расплава.
Электропроводность реальных шлаков медных и медно-никелевых предприятий составляет 0,25–0,8 Ом-1·см-1 при Т = 1623 К.
Плотность шлаков. Чем меньше плотность шлака, тем выше скорость отстаивания и полнее его отделение от штейнового или металлического расплава.
Плотность шлаковых расплавов в системе FeO – SiO2 определяется содержанием наиболее легкого компонента (SiO2); с увеличением его концентрации плотность пропорционально уменьшается.
Замена в расплаве FeO на СаО сопровождается отрицательным отклонением молярного объема от аддитивности: ион Fe2+  имеет больший ионный потенциал, чем ион Са2+; в присутствии более слабо иона кальция (II) анион О2- сильнее притягивается ионом Si (IV), что вызывает более плотную упаковку расплава.
В присутствии магнетита и оксида цинка плотность шлака увеличивается, т. к. повышается содержание в расплаве ионов Fe3+ и Zn2+, частично разрушающих кремнекислородные комплексы и способствующих образованию более плотной структуры расплава.
С повышением температуры плотность прямо пропорционально снижается на 0,12–0,3 г/см3 на каждые 100 градусов.
Плотность реальных шлаковых расплавов при Т =1523–1573 К составляет 2,8–3,2 г/см3.
Поверхностное натяжение. Физико-химические взаимодействия на границе штейн-металл-шлак определяют удельную производительность агрегата, десульфуризацию, извлечение металла. От поверхностного натяжения зависит также смачиваемость флюсов, огнеупоров, формирование штейновых капель в процессе их коалесценции, вспенивание шлаковой ванны при ее продувке и т. д.
Величина поверхностного натяжения определяется типом связи (ионная или ковалентная) и для шлаковых расплавов составляет
(200-400)·10-7 Дж/см2, а расплавов металлов (1200–1300)·10-7 Дж/см2. Влияние отдельных шлаковых компонентов на поверхностное натяжение приведено на рис. 4.5.
Оксиды Al (III), Si (IV) увеличивают поверхностное натяжение, поскольку ионы Al3+ и Si4+ являются комплексообразователями, плотность их связи с расплавом низкая. Поверхностное натяжение при их присутствии понижается. На поверхностное натяжение шлака оказывают основное влияние сложный анион кремния и ион Fe3+; оно возрастает при снижении содержания в шлаке SiO2 и магнетита.
Величина поверхностного натяжения снижается в присутствии ионов щелочных металлов, фосфора, фтора.
С повышением температуры происходит разукрупнение кремнекислородных комплексов, снижается микронеоднородность расплава и возрастает поверхностное натяжение.
Природа шлаковых расплавов. В соответствии с ионной теорией строения шлаковых расплавов, предложенной О. А. Есиным, компоненты шлака находятся в состоянии ионной диссоциации. Поэтому закономерности, характерные для растворов электролитов, свойственны и для шлаковых расплавов.
Катионами в жидких шлаках являются Са (II), Мg (II), Fe (II), Zn (II), Al (III), Si (IV) и др., простейшими анионами S2-, О2-. Структурной единицей шлакового расплава является кремнекислородный комплекс [SiO4]4-, имеющий вид тетраэдра, в центре которого находится ион Si (IV), а в вершинах ионы О2-. Связывание ионов кремния (IV) между собой происходит через анионы кислорода.
Комплексообразователь [SiO4]4- может соединяться с другими тетраэдрами в группы, состоящие из двух [Si2O7]6- и более радикалов [SixOy]2-. В зависимости от энергетических характеристик, вида связи катионы шлакового расплава можно разбить на две группы. К первой группе относятся катионы-модификаторы, имеющие ионную связь с кислородом (ионы щелочных и щелочноземельных металлов, железа (II), цинка (II) и др.). Ко второй группе относятся катионы-сеткообразователи (ионы кремния (IV), алюминия (III), бора (III), титана (IV), обладающие ковалентной связью с кислородом. Энергетической характеристикой катиона является его ионный потенциал, представляющий отношение заряда иона к его радиусу: чем выше заряд катиона, тем больше ионный потенциал. Многокомпонентные шлаковые расплавы состоят из энергетически неравноценных ионов. Сильные катионы стремятся окружить себя более простыми анионами, происходит разукрупнение кремнекислородных комплексов:
≡ Si–O–Si≡ +MeO → 2 (≡Si–O–) + Me2+.
Структура анионных комплексов зависит от концентрации в шлаке SiO2 и усложняется с возрастанием его содержания:
Содержание SiO2 в шлаке, мас. %    до 33    от 33 до 55    55
Вид комплекса                                  .
Аналогичные комплексы образуют и катион алюминия (, AlO2-), однако их влияние на свойства шлаков в связи с более низким содержанием алюминия проявляется в меньшей степени.
Ионная теория позволяет объяснить характер изменений вязкости расплавов в зависимости от содержания кремнезема. В кислых шлаках преобладают крупные кремнекислородные анионы, а основные шлаки содержат свободные катионы и кремнекислородные анионы с относительно малыми размерами и поэтому имеют меньшую вязкость.
С позиции ионной теории строения шлака рассматриваются формы нахождения цветных металлов в шлаке, процессы шлакообразования и анализируются причины потерь цветных металлов со шлаками.

6.1.2. Штейны
Штейнами называется расплав сульфидов переменного состава
(Cu2-xS, Fe1-x S и т. д.), в котором при плавке 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).
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.
Ионы О2- в штейне представлены в форме ферритов переменного состава (FeO)x·(Fe2O3)y, простейшей формой которых является Fe3O4. Чем беднее штейны, тем больше они содержат ионов  Fe (III).  Например, заводские штейны, содержащие 20 % меди, содержат 7,2 % Fe (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. Согласно диаграмме плавкости системы Сu – Fe – S (рис. 4.6) сульфидный расплав FeS – Cu2S имеет большую область расслаивания, которая начинается по линии Сu – 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. Разница в плотностях компонентов расплава обеспечивает качественное отстаивание штейна от шлака.

6.1.3. Взаимодействия на границе «штейн-шлак»
Напомним, что штейн имеет полупроводниковую проводимость, a 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.
1. Переход катионов и анионов через границу раздела фаз:
(Fe2+)шл +2e → [Fe]шт
(O2-)шл – 2e → [O]шт
(Fe2+)шл  + (O2-)щл → [Fe]шт  + [O]шт
2. Обмен зарядами анионов:
[S]шт + 2e → (S2-)шл
(O2-) → [O]шт + 2e    
[S]шт + (O2-)шт → (S2-)шт + [O]шт
3. Обмен зарядами катионов:
[Me]шт – 2e → (Me2+)шл
(Fe2+)шл + 2e → [Fe]шт
[Me]шт + (Fe2+)шл → (Me2+)шл + [Fe]шт
4. Частичный обмен зарядами:
2(Fe3+)шл + 2e → 2(Fe2+)шл
(O2-)шл – 2e → [O]шт
2(Fe3+)шл + (O2-)шл → 2(Fe2+)шл + [O]шт
где Me – Сu, Ni, Co.
Со стороны штейна на границе фаз могут адсорбироваться положительные [Me]n+, со стороны шлака – отрицательные ионы (О)2-.
В системе «металл-шлак» расстояние между слоями зависит от радиуса катионов. В металле избыточный заряд сосредоточен в слое ~ 10-8 см.

6.1.4. Потери цветных металлов со шлаками
Вследствие высокого содержания в исходном сырье пустой породы при плавке выход шлака достигает 100–120 % от массы руды. Поэтому, несмотря на относительно низкое содержание в шлаке цветных металлов
(0,1 – 1,5 %), абсолютные их потери высокие. Например, потери меди со шлаками составляют (кг/т черновой меди): при отражательной плавке – 7–8, электроплавке – 16, кислородно-факельной – 12, взвешенной – 20. Различают три группы потерь цветных металлов: химические, физические и механические. Химические потери обусловлены обратимостью реакций сульфидирования и восстановления металлов:
(МеО) + FeS  ↔ [MeS] + (FeO);
(МеО) + СО (Н2) ↔ [Me] + СO2 (H2O).
Физические потери связаны с растворением в шлаке сульфидов их металлов и описываются законами распределения вещества между двумя несмешивающимися фазами.
Механические потери происходят при неполном разделении фаз и образуются вследствие запутывания в шлаке мельчайших частиц штейна.
Первые две группы потерь относят к электрохимическим. Они отличаются друг от друга лишь механизмом перехода металлов через межфазную границу; роль электрохимической формы потерь металлов возрастает с увеличением температуры.
На величину потерь металлов со шлаками оказывают влияние составы шлака, штейна и температура. Магнетит, например, влияет не только на свойства шлака, но и на величину электрохимических потерь цветных металлов. В шлаках автогенных процессов,  для которых характерно повышенное содержание магнетита, количество растворенной меди в шлаках составляет 80 отн. %. Повышенное содержание магнетита увеличивает также рост механических потерь, что связано с ухудшением коалесценции взвешенных в шлаке сульфидных частиц.
Существенное влияние на потери цветных металлов оказывает кремнезем. Например, наименьшего содержания меди в шлаке достигают при концентрации 42– 45 SiO2, что соответствует высокому межфазному натяжению на границе «штейн-шлак» и невысокой вязкости шлака. При (SiO2)> 45 % вязкость расплава возрастает и потери меди увеличиваются.
Растворимость металлов возрастает в железистых шлаках; так, при (FeO) >25 % возрастает доля потерь меди не только в форме растворенной, но и в форме дисперсной взвеси сульфидов.
Увеличение содержания СаО снижает потери цветных металлов как в растворенной, так и механической формах.
По мере обогащения штейнов цветными металлами возрастает их общее содержание в шлаке. Для ориентировочной оценки зависимости содержания металла в шлаке от его концентрации в штейне можно использовать соотношение
,
которое относится к равновесным условиям и практически не достигается. С повышением температуры возрастает доля электрохимических потерь цветных металлов.