ОСНОВЫ АГЛОМЕРАЦИИ. ЖЕЛЕЗНЫХ РУД

Третий период — охлаждение агломерата

Охлаждение агломерата начинается сейчас же по окончании горения топлива <в зоне спекания. Скорость охлаждения по высо­те слоя образовавшегося агломерата не одинакова. Верхний слой агломерата подвергается резкому охлаждению потоком хо­лодного воздуха, в глубинные слои воздух поступает нагретым до температуры, близкой к температуре агломерата, вследствие чего охлаждение в глубинных слоях происходит постепенно.

От действия холодного воздуха в агломерате возникают тем­пературные напряжения, способствующие разрушению агломе­рата. Это обстоятельство является причиной пониженной проч­ности агломерата верхних слоев пирога. Продолжительность и интенсивность охлаждения зависят от вертикальной скорости спекания шихты и воздушного режима спекания. При большой скорости спекания охлаждение протекает интенсивнее с более резким перепадом температур, замедленные скорости спекания сопровождаются и замедленным процессом охлаждения агло­мерата. Как правило, агломерат из шихты, спекающийся с боль­шой вертикальной скоростью, менее прочан по сравнению с агломератом, полученным из шихты с замедленной скоростью спекания.

Переход из жидкого состояния в твердое сопровождается кристаллизацией из раопла'ва вновь образовавшихся химических соединений.

Изучение процесса кристаллизации различных систем показы­вает, что максимальные скорости зарождения центров кристал­лизации и роста кристаллов не совпадают. Скорость зарождения кристаллов наибольшая при температуре, близкой к температуре застывания сплава, а скорость роста кристаллов имеет макси­мальное значение при температуре, близкой к температуре плав­ления вещества.

Кристаллизация вещества сопровождается выделением теп­лоты кристаллизации, быстрый отвод которой создает условия для образования игольчатых, дендритных структур кристаллов. Крупные, правильно развитые кристаллы образуются в услови­ях медленной кристаллизации с постепенным и продолжитель­ным охлаждением расплава, что практически никогда не имеет места при агломерационном процессе. Поэтому все кристалли­ческие образования в агломератах имеют, как правило, форму дендритов, игол, вытянутых пластин и нитей.

Количественное распространение жидких фаз при агломера­ции руд, зависящее в основном от химического состава и круп­ности спекаемых компонентов шихты, расхода топлива и воздуш­ного режима спекания, в каждом отдельном случае различно. В преобладающем большинстве случаев жидкие фазы существуют в смеси с твердыми, что создает благоприятные условия для кристаллизации вещества. Твердыми частями системы могут быть остатки непрореаігировавших крупных зерен шихты и оскол­ки кристаллов, попадающие из смежных зон в зону спекания. Несформи'ровавшиеся твердые частицы кристаллов срастаются, образуя более крупные кристаллы, рост которых происходит в твердой фазе, — процесс рекристаллизации. Остатки непрореаги­ровавших рудных зерен шихты являются своеобразными центра­ми кристаллизации, создающими импульс к зарождению про­цессов кристаллизации во многих направлениях к своей поверх­ности. В массе жидкого расплава очень скоро образуется «твер­дая сетка», составляющая основу для дальнейшего формирова­ния и роста кристаллов. Вопреки высказываемым суждениям о необходимости доведения до полного раоплавления всех рудных частиц шихты для получения агломерата хорошего или высоко­го качества данное условие является не только не обязательным, но иногда и совершенно излишним, например при агломерации относительно крупнозернистых руд, содержащих в значительном количестве фракции крупностью 8—5 или 10—5 мм. При изуче­нии шлифов агломератов, полученных из таких руд, выявлено значительное количество включений первичных зерен в массе аг­ломерата. С поверхности «вплавленные» зерна представляют еди­ное целое с массой агломерата, сформировавшегося из жидкого расплава; дальше, на некоторой глубине, заметен переход ж пер­воначальной структуре зерна, центр которого может быть совсем не затронут процессами вторичных новообразований.

В зависимости от размеров рудных зерен, а также темпера­турного режима процесса спекания глубина проникновения про­цессов плавления и кристаллизации различна и часто даже при заведомо излишнем расходе топлива и чрезмерно горячем ходе процесса спекания полностью расплавить крупные (8—5 мм) зерна руды не удается.

С исчезновением жидкой фазы процессы кристаллизации со­ставляющих агломерат минералов не заканчиваются, а продол­

жаются в твердых фазах. Превращения в твердых фазах идут с малыми скоростями при относительно низких температурах.

Факторы, .влияющие на скорость реакций в твердых фазах, изучены недостаточно. Главную роль играет строение кристалли­ческих решеток реагирующих веществ. Особое значение имеют некоторые примеси, ускоряющие преобразование минерального вещества, но сами не участвующие в реакции (аналогично ката­лизаторам в химии поверхностных явлений). Такая примесь, на­зываемая минерализатором, добавленная в небольшом (2—5%) количестве к нагреваемому материалу, ускоряет его плавление, понижает вязкость расплава, а при некоторой оптимальной тем­пературе способствует развитию процесса кристаллизации. Не­которые примеси, наоборот, замедляют скорость превращений, что иногда бывает не менее важно. Так, например, добавка не­большого количества Р2О5, V205 и др. в цементный клинкер пре­дотвращает самопроизвольный переход ортосиликата кальция f}2Ca0-Si02 в v2CaO-Si02, обладающий свойством рассыпать­ся вследствие увеличения объема в инертный порошок — клин­кер [44]. Распад указанного силиката приводит так же к разру­шению офлюсованного агломерата.

Температурный интервал кристаллизации химических реак­ций в твердых фазах неодинаков в различных местах агломе­рата и зависит от контакта рассматриваемых мест с просасыва - нием воздухом.

На изолированных участках, не имеющих прямого контакта с воздухом, условия благоприятные для прохождения реакций в твердых фазах и роста кристаллов сохраняются продолжитель­ное время, иногда даже после разгрузки агломерата с машины. На таких участках при микроскопическом просмотре шлифов на - блюдаются хорошо сформировавшиеся кристаллы магнетита и железистых силикатов.

Участки агломерата, открытые для доступа воздуха и энер­гично омываемые холодными воздушными струями, быстро ох­лаждаются с прежрашением химических реакций и процессов кристаллизации минералов. В некоторых случаях охлаждение происходит настолько быстро, что в расплаве не успевают заро­диться центры кристаллизации, и вся масса застывает в виде стекла. В отличие от кристаллических веществ стеклообразное состояние характеризуется одинаковыми свойствами во всех на­правлениях, т. е. твердость, упругость, показатели преломления одинаковы независимо от направления, так же как у жидкостей и газов. Вещества, находящиеся в стеклообразном состоянии, плавятся в некотором температурном интервале, в то время как кристаллические вещества имеют определенную точку плазле - ния.

Период охлаждения, помимо реакций, протекающих в твер­дых фазах, характеризуется реакциями между газообразной и твердой фазами, из которых главное значение имеет окисление магнетита и закиси железа кислородом воздуха. Микроскопи­ческое изучение структуры агломератов показывает, что окис­лению подвергаются поверхности трещин и каналов, являющие­ся путями прохождения воздуха, что подтверждается располо­жением гематита оторочкой и каемками по краям каналов и пор. Чрезмерное распространение процессов окисления пред­ставляет серьезную опасность для порчности агломерата вслед­ствие увеличения объема окислившейся части, создающей микро­скопические трещины и разрывы между отдельными кристалла­ми минералов, слагающих агломерат.

По мере охлаждения агломерата реакции окисления протека­ют все с меньшей скоростью, а при температуре 200—300° прак­тически прекращаются.