4 Описание аппаратурно-технологической схемы

4.1 Физико-химические основы процесса спекания

Спекание шихты происходит во вращающихся печах. Поскольку в нефелиновой руде содержится значительное количество диоксида кремния (до 42 %), который может образовывать с оксидом алюминия нерастворимые соединения и приводить к его потерям, диоксид кремния необходимо вывести из процесса, что осуществляется связыванием его в двухкальцевый силикат, который малорастворим в щелочных растворах.

При температуре от 1200 до 1280 ⁰С и наличии жидкой фазы, активизирующей диффузию компонентов шихты, осуществляются все физико-химические преобразования.

При последующем снижении температуры материала до (1100-900) ⁰С заканчивается кристаллизация образовавшихся соединений и формирование физической структуры спека, в котором находятся вышеуказанные соединения. Факторами, определяющими эффективность процесса, скорость реакций, поведение материала в печи, являются: химический состав шихты, температура и продолжительность спекания.

Соответствующие температуры создаются в печи сжиганием топлива. Продолжительность спекания определяется скоростью вращения печи.

В зависимости от температуры газового потока и физико-химических превращений шихты печь условно можно разделить на ряд температурных зон (считается с холодной головки по ходу материала).

Первая – зона сушки материала. В этой зоне происходит испарение основной массы влаги и гранулирование материала. Температура материала на входе в зону от 45 ⁰С до 50 ⁰С. На выходе - от 300 до 350 ⁰С. Температура печных газов на входе от 650 ⁰С до 750 ⁰С, на выходе от 250 ⁰С до 320 ⁰С.

Вторая – зона подготовки материала. Происходит процесс удаления кристаллизационной влаги и начинается процесс декарбонизации известняка. Температура материала на выходе из зоны – от 700 ⁰С до 800 ⁰С.

Третья – зона декарбонизации. Материал подогревается до температуры от 800 до 1100 ⁰С. В этой зоне происходит разложение известняка по реакции:

CaCO₃ = CaO + CO₂ (4.1)

Реакция происходит с большим поглощением тепла.

В этой зоне начинаются реакции между окислами железа и содой с образованием феррита натрия по реакции:

Fe₂O₃ + Na₂CO₃ = Na₂O*Fe₂O₃ + CO₂ (4.2)

Начинается основная реакция спекообразования между нефелином и оксидом кальция

(Na,K)₂О*Al₂O₃*2SiO₂ + 4CaO = (Na,K)₂О*Al₂O₃ + 2(2CaO*SiO₂) (4.3)

Начинаются другие фазовые взаимодействия:

Na₂О*Fe₂O₃ + Al₂O₃ = Na₂О*Al₂O₃ + Fe₂O₃ (4.4)

Fe₂O₃ + 2CaO = 2CaO*Fe₂O₃ (4.5)

Четвертая – зона спекания. В этой зоне происходит завершение реакций 4.3, 4.4, 4.5, возможно взаимодействие между полученными соединениями.

При отклонении состава шихты от оптимального увеличивается количество нерасчетных, «паразитных» фаз, что снижает качество спека.

Температура материала на входе в зону от 1000 ⁰С до 1150 ⁰С, на выходе – от 1250 ⁰С до 1300 ⁰С. Материал (спек) приобретает комковатый, пористый вид с небольшим количеством оплавленной фазы.

Пятая – зона охлаждения. В этой зоне происходит охлаждение спека до температуры (900 – 1100) ⁰С за счет воздуха, поступающего в печь на сжигание топлива, и потерь тепла в окружающую среду корпусом печи.