Механизм упрочнения железорудных окатышей

Основная цель обжига – упрочнение до такой степени, чтобы выдерживать транспортировку, перегрузки и доменную плавку без значительного разрушения. При этом в отличие от агломерации нельзя доводить процесс до спекания материалов. Если не ограничить верхний предел температуры 1200-1350°С произойдет оплавление окатышей и сваривание их в крупные глыбы. При более низкой температуре – понижение прочности окатышей.

Процессы, происходящие при нагреве окатышей. При нагреве окатышей протекает ряд процессов – разложение гидратов и карбонатов, окисление оксидов железа, твердофазные реакции.

Упрочнение окатышей является усложненным вариантом процесса спекания дисперсных частиц. В отличие от спекания «классических» порошковых шихт обжиг окатышей имеет ряд особенностей, важнейшими из которых являются протекание в ходе обжига химических реакций, многокомпонентный состав шихты, выделение значительного количества газа, малая продолжительность процесса. Шихта для обжига окатышей представлена частицами очень малого размера, следовательно, обладает большой избыточной поверхностной энергией. Спекание является сложным самопроизвольным процессом приближения дисперсной системы (в данном случае окатыша) к равновесию. К причинам отклонения от равновесия, кроме избыточной поверхностной энергии, относится наличие макродефектов (пор), концентрационной неоднородности, микродефектов кристаллической решетки и др. Многообразием дефектов в системе объясняется и отсутствие единого механизма из залечивания.

При обжиге окатышей высокотемпературное спекание частиц в прочную гранулу может проходить в двух режимах: с отсутствием жидкой фазы (твердофазное спекание) и при наличии некоторого количества расплава (жидкофазное спекание). Температурная граница, разделяющая области твердофазного и жидкофазного спекания, зависит от окислительно-восстановительного потенциала газовой фазы, от количества и состава пустой породы. Для окислденных окатышей температурная граница колеблется в интервале 1150-1250 °С.

Объективным критерием протекания спекания частиц и упрочнения окатышей является длина контактов частиц шихты в окатыше, которая выражается в суммарной (или удельной) поверхности пор в окатыше и определяет его прочность. Протяженность границ тем больше, чем меньше поверхность пор и меньше размер зерна. Поэтому ранее предложенная трактовка упрочнения окатышей как результата рекристаллизации (роста размера) зерен оксидов железа является ошибочной. Зависимость прочностных свойств окатышей (офлюсованных и неофлюсованных) из Лебединского концентрата от удельной поверхности пор, замеренной методом ртутной порометрии (рис 3.57), имеет вид:

P_хол = Ae^-bS,

где P_хол – холодная прочность, Н/окатыш; S – удельная поверхность пор, м²/г; A и b – коэффициенты.

На первой стадии спекания упрочнение протекает с уменьшением суммарного объема пор, поэтому для малого времени процесса (до 15-20 мин) изменение объемной пористости является характеристическим параметром упрочнения окатышей. На заключительных стадиях спекания объем пор может не изменяться при исчезновении мелких и росте размера крупных пор (процесс коалесценции). Поверхность пор при этом продолжает снижаться. В режиме твердофазного спекания обычно упрочняются окатыши нижних слоев конвейерной машины, а также неофлюсованные окатыши из богатых концентратов с низким (менее 2-3%) содержанием пустой породы. Твердофазное спекание оксидов железа начинает проявляться при 800-900 °С. При этом активно спекаются как гематит, так и матнетит. Кинетические закономерности твердофазного спекания обычно изучают, замеряя усадку окатышей в процессе обжига.

Добавки, реагирующие с оксидами железа с образованием химических соединений (феррита, силиката) или твердых растворов, могут ускорять упрочнение.

Максимальная прочность окатышей, упрочненных в режиме твердофазного спекания, соответствует смеси 5—8 % оксидов кальция или магния и 92—95 % оксидов железа. Добавки инертных веществ (например, добавки кварца к гематиту) замедляют упрочнение.

Скорости твердофазного упрочнения сравнительно низки. За реальное время обжига окатыши, изготовленные из концентратов, содержащих более 3 % пустой породы, не успевают получить высокую «холодную» (т. е. при транспортировке и хранении) и «горячую» (т. е. при восстановительно-тепловой обработке) прочность. Образование некоторого количества жидкости (жидкофазное спекание) должно существенно интенсифицировать процесс упрочнения окатышей.

Это положение выполняется при условии высокой жидкоподвижности расплава и хорошей смачиваемости им твердой составляющей. Особенно эффективно должны воздействовать на упрочнение первые порции расплава. Заполняя поры и промежутки между частицами шихты, расплав играет роль клея, скрепляющего частицы, и роль смазки, позволяющей частицам передвигаться относительно друг друга. Все это приводит к резкому увеличению межзеренных границ, а следовательно, и к быстрому росту прочности окатышей.

Однако образование чрезмерного количества жидкости влияет на упрочнение отрицательно. В окатышах появляются крупные выделения застывшего расплава — шлаковой связки (так называемых «озер», обычно наблюдаемых в структуре агломерата), низкая прочность которых начинает ограничивать прочность окатыша в целом.

Поскольку источником расплава является пустая порода, следует предполагать экстремальную зависимость прочности окатышей от количества пустой породы. Оптимальное с точки зрения прочности окатышей содержание пустой породы колеблется в зависимости от типа концентрата для неофлюсованных окатышей в интервале 4—10 % и связано также с режимом обжига окатышей.