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

вает все компоненты шихты, кроме СаО и MgO, которые энергично в нем растворяются. Кстати, СаО и MgO хо­ рошо смачиваются и остальными из исследованных рас­ плавов. Хуже других смачиваются расплавами гематит и магнетит, причем гематитовая руда смачивается фер­ ритным расплавом лучше гематита, так как смачивае­ мость кварцевой пустой породы руды ферритами выше, чем у гематита и магнетита. Это последнее обстоятель­ ство создает благоприятные условия для хода реакции

докторской работе С. В. Базилевич (1969 г.). В целом высокоосновные расплавы лучше смачивают компонен­ ты шихты в сравнении с Ca-оливином, характерным для производства агломератов низких основностей. При тем­ пературах свыше 1350— 1400° С краевой угол смачива­ ния достаточно низок для всех исследованных распла­ вов. Присутствие небольших количеств NaCl и МпО

в расплаве резко улучшает смачиваемость компонентов шихты.

Опытами Д. А. Ковалева, Г. Г. Ефименко и А. И. Каракаша [117] было установлено, что возврат основно­ стью 0,4—1,2 плавится при температурах более высоких, чем 1420° С. Таким образом, сами по себе кусочки воз­ врата не могут быть центрами образования расплава. Лишь при подаче в шихту ферритной смеси (в данном случае смеси возврата с известняком) наблюдается пла­ вление уже при 1100—1200° С, но оно связано с образо­

ванием ферритов кальция в ходе реакций в твердой фазе.

Б. В. Царевский, В. Г. Бабкин и С. И. Попель пока­ зали, что тефроитовый расплав (2M n0-Si02) хорошо смачивает пластинки из магнезии (угол смачивания через секунду после нанесения капли при 1300°С равен 40 град) и значительно хуже — пластинки из кварца (82 град в тех же условиях).

Скорость пропитки шихты расплавом химически чис­ тых веществ, зависящая от его вязкости, пористости подложки и ряда других характеристик жидкой и Твер­

і ю

Интересны опыты В. Ф. Куценко и И. Е. Куренкиной [118] , исследовавших процесс размягчения и плавле­ ния шамозита и тюрингита в сравнении с фаялитом. Как оказалось, фаялит плавится при 1300° С за 2—2,5 мин, хлориты — за 7—9 мин. Сплавления хлорита или про­ дуктов их дегидратации с концентратом не наблюдалось. Образующийся расплав характеризовался высокой вяз­ костью и крайне низкой химической активностью. В этом состоит одна из причин пониженной спекаемости руд КМА.

В Московском институте стали и сплавов разработа­ на специальная конструкция нагревательного столика [119] для исследования прозрачных объектов при высо­ ких температурах в проходящем свете. Нагревательным элементом в столике является тонкая платиновая пла­ стинка с отверстием 0,1—0,5 мм, через которую пропу­ скают электрический ток. Нагрев до 1300—1400°С объекта, уложенного над отверстием в пластине, может быть проведен за 10 с или, по желанию, за несколько часов на воздухе или в атмосфере любого газа, для чего нагреватель и объект заключаются в кварцевую камеру (рис. 68). Температура объекта с ошибкой ±10° С из­ меряется термопарой, приваренной к нагревательной пластине снизу у самого отверстия. Свет подается зер­ калом через поляризатор и отверстие в платиновом на­ гревателе на прозрачный объект и далее через объектив, анализатор и окуляр стандартного рудного микроскопа МИН-9, который позволяет, кроме того, изучать непро­ зрачные объекты при нагреве в отраженном свете. Объ­ ектив инструмента охлаждается водой с помощью мед­ ного змеевика. На нагревательном столике легко наблюдать, фотографировать или проводить киносъемку хода ' кристаллизации, содержащегося в агломерате стекла при нагреве, когда в скрещенных николях из изо-

111

to 9

Рис. 68. Нагревательный столик Е. Ф. Вегмана, смонтированный на стандарт­ ном рудном микроскопе МИН-9:

вставки из стекла или кубического минерала, не изменяющих разность хода световых волн, полученную в исследуемом объекте; 12 — зеркало; /3 —поляри­ затор; 14 — объектив; 15 — анализатор; 16 — тубус с окуляром; 17 — опак-иллю­ минатор

112

тронного черного стекла выпадают ярко поляризующие кристаллы, а также изучать реакции между твердыми фазами, размягчение и плавление фаз, растворение твер­ дых фаз в расплаве, кристаллизацию расплава при по­ нижении температуры. Капля расплава не падает вниз через отверстие в нагревателе, а удерживается в отвер­ стии силами поверхностного натяжения. Таким образом, при нагреве в скрещенных николях или без анализатора можно исследовать прозрачные шлифы (освобожден­ ные от стекол и тщательно отмытые ацетоном от канад­ ского бальзама и канифоли), порошки и капли расплава. Методика может быть рекомендована для изучения свойств агломерационных расплавов, реакций между компонентами аглошихты, реакций декарбонизации и де­ гидратации и т. п. На столике изучаются также реакции восстановления прозрачных железосодержащих фаз (фаялит, Ca-оливин, ферриты кальция, стекла и др.)

втоке Нг и СО.

В1965 г. В. И. Коротич, В. Т. Баранов, Г. М. Май-

зель и П. И. Худорожков (авторское свидетельство

СССР, кл. 18а, 1/18, № 202184, 2 декабря 1965 г.) пред­ ложили устанавливать перед началом спекания в слой шихты пустые магнезитовые стаканы (диаметр и высота по 50 мм), снабженные отверстиями в днище и прикры­ тые сверху решеткой из фарфоровой соломки диаметром 2,5 мм с щелями по 3 мм (общая площадь решетки со­ ставляет 10 см2) [120]. В ходе спекания в стакан нате­ кает расплав, исследование состава которого представ­ ляет большой теоретический интерес. Приводим ниже некоторые из полученных таким способом анализов со­

значительно отличается от состава готового агломерата. Очевидно, что агломерационный расплав неоднороден. На отдельных участках, например, вблизи растворяемой частицы извести или около крупного скопления зерен магнетита, он имеет чрезмерно высокую вязкость, и в силу этого недостаточно подвижен. В объемах, где преобладают силикаты железа или ферриты кальция, существует, напротив, подвижный расплав с минималь­ ной вязкостью.

Во всех случаях основность подвижного расплава

при спекании качканарского концентрата была ниже ос­ новности агломерата, но это различие постепенно сгла­ живалось с ростом основности шихты. Подвижный рас­ плав содержал также меньше окислов железа. Таким образом, наибольшей подвижностью обладают капли расплава, еще не насыщенного окислами железа и изве-

114

стью, т. е. первые порции расплава, образующиеся при плавлении наиболее легкоплавких соединений и эвтектик. Заслуживает внимания тот факт, что различие в составе подвижного расплава и конечного агломерата тем больше, чем богаче шихта (табл. 13) [121].

При спекании богатой шихты образуется сравнитель­ но мало первичного подвижного расплава, в котором за­ тем растворятся большая масса окислов железа, извести, кварца. Естественно, различия между составом первого расплава и готового агломерата усиливаются.

В 1972 г. Е. Ф. Вегман и М. И. Лакоза провели опы­ ты улавливания расплава при спекании двухслойной шихты (верхний слой с основностью CaO: SiO 2=0,l, нижний слой с основностью 1,2). В нижнем слое устанав­ ливались три тигля-ловушки. Верхняя кромка первого из тиглей совпадала с плокостью раздела двух спекае-

мых слоев шихты разной основности. Верхние кромки двух других тиглей, также расположенных в нижнем слое, отстояли от плоскости раздела слоев соответствен­ но на 20 и 40 мм. Исследование содержимого тиглей показало, что слабо офлюсованный расплав попадал только в первый тигель. Во втором и третьем тиглях на­

и вакуума близки к условиям спекания расплава через колосниковую решетку при крайнем нижнем положении зоны горения, но они значительно отличаются от усло­ вий перетекания расплава в массу пылеватой недоста­ точно прогретой шихты, подстилающей снизу зону горе­ ния твердого топлива. Поэтому определенные на опыте массы перетекающего вниз расплава (от 1 до 2 г рас­ плава на 1 см2 горизонтального сечения спекаемого слоя, средняя плотность расплава 4,25 г/см3) представ­ ляются значительно завышенными против реальных. Од-

116

на-ко метод позволяет выявить влияние различных тех­

вижного расплава с ростом расхода топлива на процесс (рис. 69), а также по мере опускания зоны горения к ко­ лосниковой решетке. Использование этой методики от­ крывает новые перспективы исследования процессов об­ разования расплава, пропитки расплавом окружающей шихты, ее растворения.

Природа вещества расплава до сих пор недостаточно изучена. Хотя многие факты, экспериментально установ­ ленные, свидетельствуют в пользу ионной теории строе­ ния шлаков, все же чисто ионных представлений оказы­ вается недостаточно для объяснения всех без исключе­ ния свойств расплава. По-видимому, нельзя не считать­ ся с наличием в расплавах более или менее устойчивых группировок ионов.

С чисто практической точки зрения значительный ин­ терес представляет степень диссоциации фаялита, сили­ катов и ферритов кальция при плавлении. По исследо­ ваниям Н. С. Курнакова, степень диссоциации любого соединения при плавлении может быть охарактеризова­ на по виду соответствующей диаграммы состояния. Плавный характер линии ликвидуса у максимума, соот­ ветствующего точке плавления химического соединения, свидетельствует о значительной диссоциации соедине­ ния при плавлении и, наборот, чем острее форма пересе­ чения кривых ликвидуса в районе максимума, тем мень­ ше диссоциирует соединение при плавлении. Сильно дис­ социируют вещества, плавящиеся инконгруэнтно (диаг­ раммы состояния со скрытым максимумом). Как видно из рис. 70, фаялиту соответствуют весьма мягкие очер­ тания линии ликвидуса, что свидетельствует о значи­ тельной диссоциации его при плавлении.

Еще сильнее диссоциируют ферриты кальция, плавя­ щиеся инконгруэнтно (см. диаграмму 65). Из диаграммы состояния системы CaO—S i02 (рис. 71) следует, что на­

следнее соединение, по-видимому, почти не диссоцииру-

117

Рис. 70. Диаграмма состояния системы FeO—Si02 (по Н. Боуэну и Дж. Шереру, 1934 г.)

П8

ет при плавлении, сохраняясь в виде устойчивой группи­ ровки ионов и в расплаве.

Таким образом, вещества, образовавшиеся в твердой фазе, вновь распадаются при плавлении. Поэтому при нормальном расходе топлива на процесс конечная струк­ тура агломерата значительно отличается от структуры шихты перед плавлением. Конечный минералогический состав агломерата определяется основностью расплава, расходом топлива на процесс и скоростью охлаждения расплава.

Отметим здесь, что еще в 1955—1957 гг. многие ис­ следователи придерживались так называемой феррито­ кальциевой теории строения офлюсованного агломерата. Считалось, что ферриты кальция, преимущественно об­ разующиеся в твердой фазе, сохраняют затем ведущее положение и в структуре готового агломерата, спеченно­ го при нормальном расходе топлива, уже при низких основностях.

Теоретически еще до начала серии опытов по изуче­ нию структуры офлюсованных агломератов, предприня­ той в 1954—1958 гг. многими исследователями, было яс­ но, что диссоциация ферритов кальция в расплаве дол­ жна привести к перераспределению извести между кри­ сталлизующимися фазами. Надо иметь в виду, что фер­ риты кальция образуются в твердой фазе не в силу по­ вышенного химического сродства между СаО и Fe20 3, а только из-за наличия большого числа контактов меж­ ду частицами извести и окиси железа. Высокий выход ферритов кальция в твердой фазе объясняется лишь низ­ кой температурой начала реакции и высокой скоростью реакции. Не было никаких оснований предполагать, что и после диссоциации ферритов кальция известь будет вновь кристаллизоваться вместе с Fe2C>3. Напротив, хи­

мическое сродство S i02 и СаО гораздо выше, что неиз­ бежно вносит соответствующие изменения в характер кристаллизации расплава.

Серии опытов по исследованию минералогического состава лабораторных и заводских агломератов, прове­ денные начиная с 1954 г. во многих институтах и завод­ ских лабораториях, показали полную несостоятельность феррито-кальциевой теории строения агломерата. В аг­ ломератах, приготовленных с нормальным расходом топ­ лива на процесс, до основности 1,0 не было обнаружено ферритов кальция.

119