При обжиге железорудных окатышей в окислительной атмосфере протекают реакции окисления магнетита. Диссоциация карбонатов, химическое

взаимодействие компонентов шихты. Эти процессы вносят определенные изменения в физическую структуру окатышей, во многом предопределяют их физико-механические свойства.

Влияние основности и температуры обжига на Физическую структуру окатышей Влияние основности окатышей на формирование их конечной структуры заключается в том, что появляется возможность образования легкоплавких эвтектик с участием извести. При образовании жидкой фазы появляется возможность перегруппировки твердых частиц под воздействием поверхностных сил расплава. В результате перегруппировки значительно уменьшается исходная пористость окатышей. Однако одновременно с образованием жидких фаз появляется угроза слипания окатышей в друзы. Совмещение повышения основности и температуры обжига может быть обеспечено при использовании в качестве флюса доломитизированного известняка.

Повышение температуры обжига при изотермической выдержке вызывает уменьшение пористости, увеличение прочности и кажущейся плотности окатышей. Наиболее вероятно, что основное влияние на прочность (при выбранном режиме обжига) будет оказывать пористость, так как поры являются концентраторами напряжений.

Известно, что с позиции термодинамики убыль свободной поверхностной энергии дисперсной системы при повышении температуры реализуется двумя путями: спеканием (внешнее спекание) и коалесценцией (внутреннее спекание). При внешнем спекании убыль поверхностной энергии происходит благодаря уменьшению общего объема пор, сопровождающегося усадкой.

При внутреннем спекании уменьшение общей пористости и усадка не происходят, а свободная энергия системы убывает вследствие уменьшения поверхности пор при увеличении их радиуса.

Внешнее спекание Закономерности внешнего спекания окатышей описаны изменением общей, открытой и закрытой пористости, на примере брикетов в интервале температур 1373-1573°К. В этом диапазоне температур обжига проходят процессы окисления, диссоциации, влияющие как на общий объем пор, так и на соотношение между открытыми и закрытыми порами.

Общая пористость брикетов при обжиге изменяется незначительно (таблица 6.6).

По полученным данным были рассчитаны коэффициенты внешнего спекания (Кп):

где Ті - температура обжига, °К; Пі - общая пористость, %; ~т = 77

средняя температура обжига в интервале, °К; ~п = ,1, п‘ - средняя пористость, %.

Таблица 6.6 Изменение общей пористости брикетов при обжиге Тип Температура обжига,0 К пористо­ сти Основность 1273 1423 1473 1498 1523 1548 1573 0,07 23,9 23,6 22,9 22,1 24,0 23,5 22,3 0,7 27,9 28,4 27,8 27,8 27,7 26,3 26,5 общая 1,0 28,7 29,3 29,6 31,1 30,2 30,4 29,6 1,3 28,7 29,0 26,6 26,3 26,0 24,4 22,7 1,0 смесь 28,8 29,4 31,3 33,3 34,9 34,8 33,3 1,3 cMgO 30,7 31,2 31,3 30,9 30,0 29,4 28,5 0,07 23,9 23,6 22,9 22,1 24,0 23,5 22,3 0,7 27,9 28,4 27,8 27,8 26,38 26,3 25,11 о к рытая 1,0 28,7 29,3 29,0 31,1 26,94 28,3 25,48 1,3 28,7 29,0 26,6 26,0 26,0 24,1 20,52 1,0 смесь 28,8 29,4 31,02 29,68 33,6 31,22 28,06 1,3 cMgO 30,1 31,2 31,3 26,87 27,24 27,14 26,99 0,07 - - - - - - - 0,7 - - - - 1,32 - 1,39 Закры­ 1,0 - - 0,6 - 3,26 2,1 4,12 тая 1.3 - - - 4,26 - 0,5 2,18 1,0 смесь - - 0,48 3,62 1,3 3,58 5,24 1,3 с MgO - - - 4,03 2,76 2,26 1,51

Кп характеризует количественную сторону развития процесса внешнего спекания, а знак (-) направление изменения общей пористости в температурном интервале обжига (рис. 6.23). Процесс внешнего спекания получает наибольшее

развитие при обжиге неофлюсованных брикетов (Кп= -1,4*10'3 —!—). Механизм

град

спекания неофлюсованных брикетов диффузионный, а так как время процесса

ограничено (скорость нагрева 0,83 гР-д ), то значительное уплотнение не

с

происходит. Площадь контакта между частицами остается практически неизменной, то есть, перенос вещества на расстояния, сравнимые с линейной протяженностью исходного контакта между частицами, отсутствует. При таком механизме спекания уплотнение должно в значительной мере определяться временем высокотемпературной выдержки и факторами, ускоряющими диффузионные процессы.

0,3

0,2

і

& 0,1

0

0 о

-0,7

0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1.3

Основность

Рис. 6.24 Влияние основности на коэффициенты внешнего (Кп) спекания и

упрочнения (Ка)

Наиболее эффективно с позиции интенсификации диффузионных процессов - это образование жидких фаз, что достигается офлюсованием шихт. Однако увеличение коэффициента внешнего спекания при повышении основности не происходит. Это объясняется тем, что спекание в этом случае будет сопровождаться химическими превращениями и изменения пористости будут результатом протекания двух процессов. Наряду с уплотнением под
действием спекания, наблюдается разуплотнение, которое может быть вызвано образованием соединений с большим удельным объемом, чем исходные вещества; образованием закрытых пор и диффузионной пористости. Уже при основности 1,0 Кп меняет знак на обратный, а при основности равной 1,3 - разуплотнение достигает величин, превосходящих уплотнение. Таким образом, при обжиге офлюсованных брикетов внешнее спекание развития не получает. Определение прочности обожженных брикетов показало, что несмотря на это наблюдается значительное повышение прочности с увеличением температуры обжига и основности (таблица 6.7).

Таблица 6.7 Предел прочности на сжатие обожженных брикетов Основность Предел прочности на сжатие (оТ0 ), кг/м Температура обжига, °К 1373 1423 1473 1493 1523 1543 1573 0,07 235 200 366 258 599 429 573 0,7 184 275 624 402 788 843 855 КО 109 275 324 524 859 1030 812 КЗ 237 387 562 765 691 979 765 1,0 ферритная смесь 122 291 487 843 1183 1592 1360 1,3 cMgO 275 309 369 427 669 851 812

По приведенным данным был рассчитан температурный коэффициент упрочнения Ка:

ZTa-nTa

------- ттг. (6-38)

ІТі2-піт)

Величина температурного коэффициента упрочнения свидетельствует о том, что наименьшее упрочнение наблюдается при основности 0,07, достигая максимума при основности 1,0.

Образование закрытой пористости приурочено, в основном, к области высоких температур, а ее доля в общей пористости незначительна.

Приведенные экспериментальные данные позволяют сделать вывод, что внешнее спекание не определяет процесс упрочнения, связь следует искать с распределением объема пор по радиусам или с последовательностью фазовых и химических превращений.

Внутреннее спекание Внутреннее спекание характеризуется двумя характеристиками: средневзвешенным эффективным радиусом пор и их количеством (таблицы 6.8 и 6.9).

Средневзвешенный эффективный радиус открытых пор

Таблица 6.8 Средневзвешенный радиус 10, м Основность Температура, °К 1373 1423 1473 1498 1523 1548 1573 0,07 1,43 1,21 1,28 0,95 1,87 1,50 1,84 0,7 1,59 1,67 2,76 3,63 4,09 4,27 5,82 1,0 1,39 1,67 2,66 3,83 4,72 6,35 9,48 1,3 1,91 1,88 3,37 5,07 6.58 9,76 12.45 с ферритной смесью 1,3 1,34 1,48 2,37 3,71 4,14 5,67 7,11 с MgO 1,3 2,08 2,64 3,92 4,62 5,11 5,66 7,60

Таблица 6.9 Удельное количество пор в обожженных брикетах Основность Удельное количество пор 10'11 , пор/кг Температура обжига, °К 1373 1423 1473 1498 1523 1548 1573 0,07 91 280 120 360 40 60 40 0,7 80 41 9,5 4,0 2,6 2,3 0.8 1,0 80 45 11 4,0 1,9 0,8 0,2 1,3 36 34 3,8 1,7 0,84 0,24 0,12 1,0 смесь 90 60 11 8,1 2,2 0,86 0,36 1,3 с MgO 29 9,8 4,1 2,0 1,5 0,9 0,43

Как видно из приведенных моделей (6.39-6.42) внутренне спекание для нефлюсованной шихты и основностью 0,7 описывается линейным уравнением, а для основностей 1,0 и 1,3 - полиномами второй степени. Это связано с тем, что при обжиге брикетов основностью 0,07 и 0,7 процесс характеризуется
закономерностями твердофазного спекания (один механизм), а с повышением основности наблюдается заметное ускорение процесса в связи с образованием жидких фаз (твердофазный и жидкофазный механизм). Таким образом, при реализации процесса только за счет твердофазных реакций (основность 0,07 и 0,7) скорость внутреннего спекания величина постоянная и характеризуется температурным коэффициентом внутреннего спекания (Kr), который равен

соотвественно 4 • 10'9 и 2,56 • 10’8 ——.

град

--------- нормированное значение температуры.

АТ

Температурный коэффициент жидкофазного спекания для основностей

1,0 и 1,3 (Кж) примерно одинаков 8,8 • 10'9и 9,6 • 10*9 , тогда как KR равны

град

4- КГ8 и 6,92- 10"8

град

Полученные результаты позволяют сделать следующее обобщение: при обжиге железорудных окатышей процесс спекания сводится в основном к коалесценции пор, которая с повышением температуры и основности значительно интенсифицируется. Наиболее благоприятные условия с позиции внутреннего спекания достигается при основности 1,0 и 1,3, когда достаточное развитие получает жидкофазное спекание.

С повышением температуры обжига и основности структура брикетов становится однородной.