книги из ГПНТБ / Вегман, Е. Ф. Теория и технология агломерации

кальциевого оливина (СаО)о,5- (FeO) 1,5-S i0 2 и однокаль­ циевого феррита Ca0-Fe20 3, а также механические сме­

си гематитовой руды с известью и гематитовой руды с известняком.

Результаты опытов представлены в табл. 9.

Т а б л и ц а 9

Влияние ввода порошков спеков и ферритных смесей на показатели спекания и качество агломерата

Результаты этих опытов неопровержимо свидетельст­ вуют в пользу технологии ферритных смесей.

В самом деле, добавка к шихте механических смесей СаО и Fe20 3 и СаС03 и Fe20 3 увеличивала количество

расплава и улучшала качество агломерата настолько же, насколько добавка порошка Ca0-Fe20 3. Это означа­

ет, что реакции между СаО и СаС03, с одной стороны, и Fe20 3, с другой, идут столь быстро, что нет смысла по­

лучать феррит кальция перед лентой. Таким образом, подтверждается бесспорное с теоретической точки зре­ ния положение, по которому сверх определенного темпе­ ратурного уровня не скорость химического акта, а лишь число контактов СаО, СаС03 и Fe20 3 определяют выход

продукта реакций. Отметим, что добавки Са-оливинов создают вязкий расплав пониженной газопроницаемос­ ти, что снижает производительность. Качество агломера­ та улучшалось от всех видов добавок, так как они спо­ собствовали увеличению качества связки.

100

Следует подчеркнуть, что состав связки в готовом агломерате зависит от основности агломерата, а не от природы шихты или природы добавок к шихте. При нор­ мальном расходе топлива и основности C aO :Si02> l — 1,5 ввод Са-оливинового порошка в шихту улучшает ка­ чество агломерата, увеличивая количество феррито-каль­ циевой связки в нем. При основности менее единицы ферритные смеси улучшают качество агломерата со связкой из Ca-оливинов. Только при низких расходах топлива вещество добавок, ферритных смесей и др. мо­ жет входить в готовый агломерат в первоначальном ви­ де, не подвергаясь плавлению и перекристаллизации.

В заключение приводим результаты использования технологии ферритных смесей на агломерационной фаб­ рике в Днепродзержинске [113], где в шихту вводили полученную в молотковых дробилках смесь из 60% воз­ врата и 40% известняка.

Установлено, что ввод в аглошихту 15% ферритной смеси увеличивает скорость спекания на 10—12% и уп­ рочняет агломерат на 15—20%. Приготовление феррит­ ных смесей не требует больших затрат и может быть ре­ комендовано аглофабрикам в качестве эффективной ме­ ры, позволяющей повысить производительность лент и улучшить качество агломерата.

7. ПЛАВЛЕНИЕ И КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ. ФОРМИРОВАНИЕ БЛОЧНОЙ ТЕКСТУРЫ АГЛОМЕРАТА

Размягчение шихты происходит в верхней части зоны ее подогрева и в зоне горения; плавление— только в зо­ не горения твердого топлива. Понятия размягчения и плавление во многих случаях разграничиваются условно в соответствии с вязкостью плавящегося вещества. Наи­ более простым случаем является плавление химиче­ ских соединений, которые плавятся при вполне опреде­ ленной температуре. Образующийся расплав может быть очень вязким, что дает повод к введению понятий раз­ мягчение, интервал размягчения, температура жидкоте­ кучести и т. п. вместо однозначного термина температура плавления.

101

Применение указанной терминологии становится за­ труднительным при характеристике процесса плавления шихт, имеющих сложный минералогический состав. Так, изменение фазового состояния шихты, подвергнутой тща­ тельному измельчению и смешиванию до полной одно­ родности минералогического состава, при нагреве может рассматриваться с помощью диаграммы состояния оп­ ределенной многокомпонентной системы. При этом тер­ мин размягчение соответствовал бы периоду нагрева шихты между линиями солидуса и ликвидуса на диаг­ рамме. Процесс размягчения истолковывался бы в этом случае как результат плавления части твердого вещест­ ва шихты. Переход через линию ликвидуса означал бы одновременно и плавление шихты. Приведенные сообра­ жения не могут быть без значительного усложнения при­ менены к описанию процесса размягчения и плавления агломерационной шихты. Помимо значительной неодно­ родности сырой шихты, здесь сказывается также неодно­ родность теплового поля в зоне горения и подогрева, микронеоднородность в распределении продуктов реак­ ций восстановления, окисления, диссоциации и других процессов в массе шихты. В общем случае диаграммы состояния применимы только к каждому микрообъему шихты, взятому в отдельности. Поведение шихты в це­ лом характеризуется многими диаграммами состояния или различными концентрационными областями на од­ ной и той же диаграмме состояния.

Практическим следствием этого является удлинение интервала размягчения при усложнении состава шихты. Таким образом, процесс размягчения агломерационной шихты необходимо рассматривать как результат полно­ го плавления шихты в одних микрообъемах, частичного плавления и сохранения твердого состояния в других микрообъемах, отличающихся от первых минералогиче­ ским составом, крупностью частиц и находящихся в дру­ гих температурных условиях. Отметим также, что аморфные составляющие шихты, например стекло в воз­ врате, в силу своей природы не имеют фиксированной температуры плавления и плавятся в некотором интер­ вале температур. Это обстоятельство еще более услож­ няет общую картину размягчения и плавления агломе­ рационной шихты.

Очевидно, что в первую очередь должны плавиться наиболее легкоплавкие соединения и смеси кристаллов.

102

Т а б л и ц а 10

Легкоплавкие соединения и смеси веществ применительно к составу

103

Продолжение табл. 10

В табл. 10 приведены экспериментальные данные раз­ ных авторов о такого рода соединениях и смесях в раз­ личных системах, характерных для агломерационной шихты, последовательно обработанной в зонах сушки, подогрева и горения. В таблицу включены только темпе­ ратуры плавления веществ или их смесей, измеренные опытным путем.

Сравнительная оценка данных табл. 10 показывает, что температуры плавления офлюсованной и неофлюсован­ ной шихты приблизительно одинаковы. В практике, од­ нако, неофлюсованная шихта размягчается значительно медленнее офлюсованной. Кроме того, при переходе от неофлюсованной к офлюсованной шихте происходит рез­ кое снижение температуры в зоне горения.

По данным Д. Г. Хохлова и Ю. А. Гырдымова (1959 г.), присадка 17,6% СаО к концентрату магнитно­ го обогащения руд КМА снижает температуру начала размягчения в окислительной атмосфере с 1450 до 1160° С, т. е. на 290° С. Этот факт можно объяснить раз­ личной скоростью минералообразования в твердой фазе. Определение размягчаемости проводится по стандартной методике с постоянной скоростью нагрева навески. Фер-

104

риты кальция начинают образовываться при 500—600° С, фаялит — лишь при 1000— 1100° С. Скорость образования ферритов также выше, чем скорость образования фая­ лита в твердой фазе. Кроме того, окислительная атмо­ сфера препятствует появлению фаялита и содействует образованию ферритов кальция. Все перечисленные при­ чины приводят к тому, что при равной скорости нагрева навески к 1100— 1200° С в неофлюсованной шихте начи­ нают появляться следы фаялита, в то время как в офлю­ сованной шихте вся известь уже переходит в ферриты кальция. Естественно поэтому раннее размягчение офлю­ сованных шихт. Запаздывание в опускании плунжера при нагреве неофлюсованных шихт вызывается не более высокой температурой размягчения и плавления образу­ ющихся в твердой фазе веществ, но главным образом небольшой массой этих веществ в пробе. Другими сло­ вами, истинные температуры начала размягчения офлю­ сованной шихты и неофлюсованной шихты нельзя опре­ делять при одинаковой скорости нагрева образцов. Не­ офлюсованную шихту необходимо греть медленно в соответствии с низкой скоростью минералообразования в этом случае. С другой стороны, для практики именно существующая методика является правильной, так как скорость нагрева шихты в агломерационной установке в ходе спекания примерно одинакова для всех шихт. Принятая в настоящее время методика определения температуры начала размягчения шихт может быть улучшена путем замены воздушной атмосферы на смесь из N2, СО2, СО и О2, как это имеет место в реальных ус­

ловиях агломерационного процесса.

Однако это не объясняет резкого понижения темпе­ ратуры в зоне горения топлива при вводе в шихту изве­ сти. Скорость образования фаялита и перенос этого про­ цесса в зону горения не могут, разумеется, оказать ни­ какого влияния на температуру его плавления (1205° С), весьма близкую к температуре плавления ферритов кальция. Существенное различие в температурах зоны горения при спекании офлюсованной и неофлюсованной шихт может быть объяснено, помимо некоторой разни­ цы в теплотах плавления фаялита и ферритов, особенно­ стями конфигурации диаграмм состояния соответствую­ щих систем.

Изучение диаграммы состояния системы ЕезС>4— 2Fe0 -Si02 (основная система для случая спекания

105

неофлюсованного агломерата) показывает, что после плавления фаялита при растворении в силикатном рас­ плаве магнетита шихты температура плавления желези­ стого силикатного расплава постепенно повышается (на

%(по массе)

Рис. 64. Диаграмма состояния системы Fe30 4—2Fe0*Si02 [114]:

ABC — линия ликвидуса по экспериментальным данным; А'В'С' — поло­ жение линии ликвидуса, выведенное на основании теоретических сооб­ ражений С. Т. Ростовцевым в 1934 г. (показаны направления изменения состава и температуры расплава при растворении в нем Fe3 0 4 и ход по­ следующей кристаллизации расплава)

рис. 64 этот процесс идет в направлении от С к Л). Окончательный состав расплава после растворения в нем больших количеств магнетита показан на рис. 64 (заштрихованная область).

Из диаграммы состояния системы Fe20 3—CaO (рис. 65) следует, что после плавления ферритов каль­ ция и последующего растворения в расплаве окиси же­ леза температура его плавления понижается (на рис. 38 показано стрелкой).

В равной мере это относится и к системе 2F e0 -S i02— 2C a0-Si02 (рис. 66), в которой насыщение фаялита известью длительное время сопровождается понижени­ ем температуры плавления образующегося при этом из­ вестково-железистого оливина.

106

Железистый силикатный расплав на основе фаялита, растворяя в себе магнетит, делается все более тугоплав­ ким. Это позволяет твердой шихте перед растворением в расплаве нагреваться до весьма высоких температур.

1873

Теплота плавления затрачивается в этом случае при высоких температурах.

Наоборот, при плавлении ферритов кальция образу­ ется легкоплавкий расплав, температура плавления ко­ торого еще понижается (при растворении в нем окиси железа). Теплота плавления затрачивается здесь при низких температурах, что не позволяет нагреться шихте. Это явление совершенно аналогично влиянию темпера­ туры плавления доменного шлака на нагрев горна до­

ликвидуса в известной мере предопределяет температуру в зоне плавления.

ство расплава в зависимости от содержания кремнезема в шихте и температуры в зоне горения. Количество рас-

107

плава и его состав могли быть определены только с по­ мощью диаграммы состояния системы FesCU—2Fe0-Si02. Такой диаграммы не существовало до опытов И. А. Ост­ ровского и Я- И. Ольшанского, т. е. до 1956 г. На основа­ нии теоретических соображений и используя данные

N

% (по м ассе) CaFeSOif

Рис. 66. Диаграмма состояния системы 2CaO*SiC>2—2FeOSi02 (по Н. Боуэну, Дж. Шереру и Е, Позняку (1934 г.). Изменение оптиче­

ских констант известково-железистых оливинов по мере насыщения их известью

микроскопического анализа шлифов железорудного аг­ ломерата, С. Т. Ростовцев в 1934 г. предсказал вероят­ ный вид диаграммы состояния системы FeßCU—2FeO • БіОг с достаточной точностью (см. рис. 64). Отклонение тео­ ретической диаграммы от реальной было бы еще мень­ шим, если бы в то время имелись более точные данные о температуре плавления фаялита.

Вычисления, проведенные по этой диаграмме, пока-

108

ззлй, что одна единица массы кремнезема в шихте дает в зоне горения при 1300, 1400 и 1500° С соответственно 6,7; 9 и 14,3 единиц массы расплава.

В наиболее простом случае (высокий расход топлива на процесс) уже небольшие количества фаялита, обра­ зовавшегося в твердой фазе, могут расплавить всю ших-

Рис. 67. Изменение крае­ вых углов смачивания компонентов агломераци­ онной шихты жидкими фазами в зависимости

от температуры:

{СаО)0(5 *(FeO)15 *Si02;

б — расплав ферромонтичеллита (СаО) • (FeO) •

центрат ЮГОКа; 2 — кри­

ту, так как между фаялитом и магнетитом существует неограниченная взаимная растворимость выше линии ликвидуса. Заштрихованная на рис. 64 область составов железистого силикатного расплава соответствует кон­ центрации компонентов в ней перед началом кристал­ лизации.

Г. Г. Ефименко и Д. А. Ковалев [116] измерили крае­ вые углы смачивания компонентов офлюсованной агло­ мерационной шихты расплавами разного состава при различных температурах (рис. 67) на воздухе. Как выяс­ нилось, Ca-оливин (СаО)0,5- (Fe0)i,5-Si02 плохо смачи-

109