7.9.1 Неофлюсованный агломерат

Формированию конечной структуры агломерата предшествуют многие весьма важные процессы, разобранные в предшествующих главах. Конечным результатом этих процессов является образование расплава. Если процесс ведется с достаточным расходом топлива, то расплавляется значительная часть всей шихты. Минералогический состав и структура агломерата определяются составом расплава и скоростью его охлаждения. В свою очередь минералогический состав и структура агломерата во многом определяют его металлургические свойства.

Изучение законов кристаллизации расплавов ведется путем исследования минералогического состава агломератов и их структуры. Существует несколько способов определения минералогического состава агломерата, эффективность которых неодинакова.

Уже простой химический анализ средней пробы агломерата позволяет с помощью ряда условных допущений составить приблизительное представление о его минералогическом составе. Обычно не более 80% всего кварца шихты усваивается расплавом и входит затем в состав фаялита. Используя этот факт, обеспечивают 80% всего кремнезема агломерата закисью железа по стехиометрическому соотношению между этими окислами в формуле фаялита. Оставшееся количество закиси железа расходуют на магнетит. При этом может оказаться недостаточно оксида железа и тогда говорят о присутствии свободного вюстита в агломерате. Наоборот, если закиси железа мало, может быть вычислено содержание свободного гематита в агломерате. Приведенная методика оказывается чрезвычайно несовершенной, так как основные допущения, на которых она построена, ошибочны. Так. при малом расходе топлива на процесс в агломерате всегда есть небольшие количества металлического железа и вюстита. Наоборот, даже при очень высоком расходе топлива в агломерате всегда присутствует некоторое количество гематита. Количество этих фаз не может быть подсчитано точно по разбираемой методике.

Наиболее полные денные о минералогическом составе и структуре агломерата могут быть получены при изучении его шлифов под микроскопом. Остановимся кратко, на существе методики минераграфии (работа со шлифами в отраженном свете) и кристаллооптики (общая теория прохождения света, через кристаллы и методы изучения прозрачных шлифов в проходящем свете).

Исследованию предшествует отбор проб от пирога агломерата. Специальное исследование позволило установить, что для получения достоверных данных о минералогическом составе агломерата суммарный вес проб должен составлять не менее 7-8% от веса всего пирога агломерата.

Образцы провариваются в течение 20 мин. (учитывается только чистое время кипения раствора с образцом) в насыщенном растворе канифоли в ацетоне (ксилоле, бензоле, бензине высших марок). Затем быстро охлаждают образцы на воздухе. Полученная заготовка обладает значительной прочностью и допускает шлифовку. Эта операция ведется на чугунном вращающемся круге (500 об/мин) с помощью порошка электрокорунда. Используя все более тонкий порошок, электрокорунда, добиваются значительной чистоты рабочей поверхности шлифа. Затем ведут полировку шлифа с помощью водной взвеси окиси хрома на вращающемся круге, покрытом биллиардным сукном или фетром (1500-2000 об/мин). Готовность, шлифа проверяют под микроскопом при наивысших увеличениях. В результате получают - аншлиф.

Более сложной оказывается технология изготовления прозрачных шлифов. На первой стадии образец превращают на шлифовальном круге в плоскую заготовку толщиной 0,5-1 мм. Заготовку наклеивают на предметное стекло канадским бальзамом и ведут дальнейшую шлифовку, придерживая препарат рукой за предметное стекло. После того как толщина шлифа уменьшится до 0,2-0,3 мм, переходят к ручной шлифовке самым тонким порошком электрокорунда на зеркальном толстом стекле. Конечная толщина шлифа составляет обычно 0,03-0,07 мм. При известном навыке удается за 1,5-2 часа изготовить один прозрачный шлиф. Изготовление аншлифов не требует столь значительной затраты времени.

Аншлиф может быть изготовлен и из порошка агломерата или из агломерационной шихты. Для этого предварительно смешивают порошок с твердым шеллаком и сплавляют в монолит в небольшом тигле. Полученную заготовку шлифуют и полируют обычным способом.

При изучении аншлифов ведут диагностику фаз в агломерате по форме кристаллов, их цвету, характеру поверхности, отражательной способности, магнитности, твердости и отношению к травителям. В прозрачных шлифах изучают форму кристаллов, спайность, плеохроизм, двупреломление, углы погасания и знак главной зоны минерала.

Полученные таким образом данные дополняют результатами исследования порошка агломерата (-0,074 мм) иммерсионным методом. Этот метод дает возможность определить и абсолютную величину показателей преломления кристалла (порошок агломерата последовательно погружают в жидкости с известным показателем преломления, добиваясь равенства показателей преломления кристалла и жидкости, другими словами, невиди­мости кристалла в жидкости).

Исследование ведется в отраженном свете на рудном микроскопе (МИН-9) и в проходящем свете на универсальном поляризационном микроскопе.

Исследование завершается описанием структуры образцов и подсчетом их минералогического состава в большинстве случаев по планиметрическому способу.

Характеристика важнейших минералов, входящих в состав неофлю - сованного агломерата.

Гематит: Fe203, тригональный, плохо полируется (часто ямчатая струк­тура поверхности), травление только HF, высокая твердость (стальная игла не оставляет следа по Моосу 5,5-6,5 ед.), немагнитен, непрозрачен (в очень тонких шлифах и при применении вольтовой дуги в качестве источника света, гематит просвечивает по краям зерен кроваво-красным цветом, красно-бурые внутренние рефлексы, слабо анизотропен, отражательная способность 25%, в аншлифах серовато-белого цвета с голубым оттенком, уд. вес 5,0-5,2.

Магнетит: Fe30<b кубический, пары НС1 дают потускнение поверхности зерна, изотропен, магнитен, непрозрачен, отражательная способность 20%. В аншлифах серого цвета (в присутствии гематита на рассматриваемом участке шлифа магнетит окрашивается в розовато-кремовый цвет), высокая твердость, уд. вес 5,17-5,18.

Фаялит: 2FeOSiO?, немагнитен, прозрачен, Np = 1,835, Nm = 1,877, Ng = 1,886. оптически отрицателен, характерны удлиненные пластинчатые и табличатые формы зерен, в скрещенных николях прямое угасание в отношении главной спайности и удлинения, в проходящем свете зеленоватый желто-бурый цвет, в отваженном свете темно-серый; отражательная способность 8%; уд. вес. 4,4, твердость 6,5 ед. по шкале Мооса.

Металлическое железо: Fe, в отраженном свете ярко-белое, отража­тельная способность 64%, травление HN03, НС1, HF.

Вюстит: FeO, кубический, непрозрачный, немагнитный высокая

твердость, хорошая полируемость, отражательная способность 20%, травление насыщенным раствором SnCl2 в спирте, характерны игольчатые или округлые формы зерен.

Кварц: Si02, тригональный, прозрачный, в прозрачных шлифах бесцве­тен, в скрещенных николях интерференционная окраска не поднимается выше желтой первого порядка, N0 - Ne = 0,009; в отраженном свете темный (отражательная способность 4-4,5%), твердость 7 ед., уд. вес 2,56.

В неофлюсованных агломератах показатель преломления стекл составляет обычно 1,57-1,65. Не было замечено какой-либо связи между условиями приготовления агломерата и оптическим свойствами стекол в его структуре. В каждом агломерате состав стекол меняется в широких пределах.

В агломератах было установлено также присутствие металлического железа. Отдельные капли его располагаются обычно в непосредственном контакте с вюститом и магнетитом. В одном случае металлическое железо контактировало с остатками не сгоревшей частицы кокса, что, несомненно, не является случайностью. Именно вблизи горящей частицы горючего создают наиболее благоприятные условия для восстановления вюстита до металлического железа. Возможно, что образование крупных включений металлического железа в агломерате явилось следствием восстановления железа непосредственно из золы топлива. Хотя содержание оксидов железа в золе коксика ничтожно, все же, как показывают расчеты, металла оказывается достаточна для образования включений диаметром 30-50 мкм.

В каплях металлического железа были обнаруживаются карбиды железа (специфический травитель в данном случае - щелочной раствор пикрата натрия).

Количество металлического железа в агломерате обычно не превышает долей процента, но при повышенном расходе топлива на процесс оно может значительно возрастать.

С точки зрения теории, присутствие вюстита в агломерате, в особенности при повышенных расходах топлива на процесс, не вызывает сомнений. При медленном охлаждении при 570°С вюстит распадается на магнетит и металлическое железо. Обе последние фазы встречаются в агломерате довольно часто. Можно предположить, что часть вюстита действительно распадается, при охлаждении агломерата, но отделить продукты распада от остальной массы агломерата не представляется возможным. По-видимому, значительная скорость охлаждения расплава и твердого агломерата предотвращает распад главной массы зерен вюстита.

Весовое количество фаз в структуре годного агломерата из криворожских руд в зависимости от расхода углерода на процесс представлено на рис. 7.15. Из этих данных видно, что существует вполне определенный для каждого практического случая минимальный расход углерода на процесс, обеспечивающий получение агломерата нормального минералогического состава. Меньший расход топлива не обеспечивает достаточную степень восстановления и диссоциации гематита, что резко сокращает количество расплава в зоне горения. Небольшое количество фаялита и CaFe-оливина, которое образуется в твердой фазе при любом, даже очень малом, расходе углерода на процесс, попадает в конечную структуру агломерата, не проходя через жидкое состояние.

Зерна фаялита располагаются в этом случае непосредственно на контактах магнетит-кварц, т. е. в тех местах, где шла реакция в твердой фазе. В таком виде фаялит не может играть роль связки. Поэтому прочность агломератов ниже указанного минимального предела расхода топлива на процесс оказывается ничтожной. В рассматриваемых условиях для неофлюсованного агломерата этот предел составляет 3,5-4,0% С.

Агломерат, приготовленный с нормальным расходом топлива состоит главным образом из магнетита и фаялита. В его структуре содержится также немного вюстита, остаточного первичного гематита и кварца шихты.

При повышенном (>7%) расходе углерода на процесс количество вюстита и фаялита в агломерате значительно возрастает, а количество магнетита соответственно снижается. В агломерате появляется заметное количество металлического железа.