5. Твердофазные химические реакции

Реакции, протекающие в твердых фазах имеют некоторые особенности.

1. В твердой фазе идут только экзотермические реакции. Выход продуктов определяется главным образом числом контактов реагирующих частиц. Химическое сродство играет второстепенную роль.

2. Важное значение имеет природа твердого продукта реакции. Располагаясь на контакте реагирующих веществ, продукт реакции может существенно тормозить реакцию, зоздавая препятствие для диффузии реагентов.

3. Независимо от массы вступающих в реакцию веществ, первым продуктом реакции оказывается вещество с наиболее простой кристаллической решеткой или с решеткой, легко сопрягающейся с решетками реагентов. Так в смеси СаО и SiO₂ , взятых в соотношении 3:1, 1:1, 1:3 (по массе) сначала образуется Са₂SiO₄ и лишь через 4-8 чассов в первой смеси появляется Са₃SiO₅ а во второй и третьей СаSiO₃ . При спекании офлюсованной шихты в твердой фазе преимущественно развиваются реакции образования ферритов кальция. Хотя химическое сродство СаО к SiO₂ почти в два раза выше, чем к гематиту, число контактов частиц в первом случае во много раз выше, чем во втором.

Схема вертикального разреза зоны горения твердого топлива (без учета образования расплава в этой зоне). Черное – топливные частицы, белое – рудные частицы и флюсы. Стрелки – направление движения струй воздуха 1-9

6. Плавление шихты и кристаллизация расплава при агломерации

Хотя шихта не содержит легкоплавких компонентов, после начала реакций между твердыми фазами образуются новые соединения с пониженной температурой плавления.

Первые капли ферритного и силикатного расплава начинают растворять в себе всю массу шихты в зоне горения твердого топлива, чему способствует их неограниченная растворимость в расплаве. СаО и MgO хорошо смачиваются и энергично растворяются в расплавах силикатов железа, а гематит и кварц – в расплавленных ферритах кальция. Таким образом, все вещество шихты оказывается в расплавленном состоянии и готовый агломерат образуется при кристаллизации этого расплава.

В верхней части зоны горения при соприкосновении расплава с воздухом начинается его кристаллизация.

При спекании неофлюсованного агломерата. (см рис 47 стр 96)

При охлаждении расплава в интервале от линии ликвидуса до линии солидуса (1142^оС) идет выпадение первичных кристаллов магнетита, Далее кристаллизуется эвтектика Fe₃O_{4 –} Fe₂SiO₄. Из за высокой скорости охлаждения значительная часть силикатного расплава не успевает кристаллизоваться и застывает в виде стекла.

В случае офлюсованного агломерата, ввод извести несколько осложняет картину. При небольших количествах извести и известняка в агломерационной шихте вся известь входит в состав Са₂SiO₄ а оставшееся количество SiO₂ в состав фаялита – Fe₂SiO₄. Образующиеся твердые растворы имеют формулу Са_х Fe _2-x SiO₄ (x=0-1,1). и называются Са-оливинами в отличие от природных оливинов MgFeSiO₄. Таким образом, до основности СаО/ SiO₂=0,5 агломерат состоит из кристаллов магнетита, скрепленных Са-оливинами и стеклом. При основности агломерата выше 0,5 фаялит растворяет в себе максимальное количество Са₂SiO₄, образуя насыщенный Са-оливина, а оставшееся количество Са₂SiO₄ выделяется из расплава в виде кристаллов силиката кальция.