Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер




01.11.2019


01.11.2019


25.09.2019


14.09.2019


14.09.2019


08.09.2019


03.09.2019


26.08.2019


13.08.2019


13.08.2019





Яндекс.Метрика
         » » Влияние температуры и условий охлаждения расплавов на фазовый состав доменных шлаков

Влияние температуры и условий охлаждения расплавов на фазовый состав доменных шлаков

19.12.2017

Исходный шлаковый расплав, по Есину, имеет ионное строение. Электрически нейтральные замкнутые группировки атомов, подобные молекулам, в расплаве в заметных концентрациях отсутствуют. В зависимости от химического состава и температуры в расплаве могут присутствовать простые катионы (кальция, магния, железа, натрия, марганца и некоторые другие), анионы кислорода и серы, а также комплексные анионы (содержащие кислород и кремний, алюминий, хром, фосфор и т. п.) различной сложности, устойчивость которых определяется природой катионов. При этом катионы и комплексные, преимущественно кремнекислородные, анионы могут давать «группировки, встречающиеся, как правило, чаще, чем по закону случая».

Установлено, что чём выше температура расплава, тем проще строение комплексных анионов и ионных группировок. Понижение температуры расплава сопровождается увеличением вязкости из-за усложнения строения этих группировок.

Так, при максимальном перегреве расплава возникают наиболее простые группировки с комплексными анионами в виде изолированных группировок (SiO4в4- или Si2O7в6-), отвечающие островным силикатам и алюмосиликатам (ортосиликатам кальция и магния, ранкиниту, мелилитам). В дальнейшем, по мере снижения температуры расплава, наблюдается последовательное усложнение ионных группировок, происходящее при благоприятных условиях в следующем порядке:

- комплексные анионы с замкнутыми группами (Si3O9в6-) или (Si6O18в12-), соответствующие кольцевым метасиликатам;

- бесконечные кремнекислородные цепочки (SiO3)n дающие при кристаллизации силикаты группы пироксенов;

- бесконечные двухмерные слои из групп (Si2O5)n, отвечающие пластинчатым силикатам типа слюд;

- бесконечная «вязь» из кремнекислородных групп (SiO2)n, соответствующая каркасным силикатам или алюмосиликатам (анортиту, нефелину и др.), а также минералам кремнезема (кварцу, кристобалиту или тридимиту).

Перечисленные ионные группировки являются элементами, из которых при дальнейшем понижении температуры расплава образуются минералы доменного шлака. При быстром охлаждении (закалке, грануляции) микронеоднородное строение шлакового расплава в той или иной мере фиксируется в шлаковом стекле. При наиболее медленном охлаждении ионные группировки, сформировавшиеся в расплаве, подстраиваются параллельно к соответствующим группам ближайшего центра кристаллизации.

Первоначально кристаллизуются сульфиды кальция и марганца, присутствующие в шлаковом расплаве в небольших количествах. Дальнейший ход кристаллизации определяется составом расплава, его исходной температурой (обусловливающей характер и устойчивость ионных группировок) и режимом охлаждения.
Фазовый состав шлака, кристаллизующегося из доменного расплава в равновесных условиях (т. е. при медленном равномерном охлаждении), может быть установлен при помощи диаграммы состояния системы CaO—Al2O3—SiO2, показанной на рис. 1. Такой расчет дает достаточно надежные результаты при содержании MgO менее 3% и предварительном исключении окиси кальция, связанной в сульфид кальция — ольдгамит.

Диаграмма состояния показывает, что при равновесных условиях конечными продуктами кристаллизации доменных шлаков могут быть следующие основные фазы: ортосиликат кальция, ранкинит, псевдоволластонит, геленит (в присутствии MgO-мелилит переменного состава), анортит и тридимит. Практически, из-за быстрого и неравномерного (по объему) охлаждения шлаковых расплавов создаются условия, способствующие неравновесной кристаллизации доменного шлака. Наиболее часто это выражается в неполноте реакций взаимодействия выделившихся в начале кристаллизации фаз с остаточным расплавом и появлении новых фаз в результате одноприемной кристаллизации остаточного расплава.

Еще более сложен ход кристаллизации расплавов, фигуративные точки составов которых находятся у границ полей первичной кристаллизации различных фаз. В этом случае направление кристаллизации зависит от исходной температуры расплава и соответственно от строения и устойчивости ионных группировок в нем. Благодаря этому возможно образование из одного и того же расплава шлаков разного фазового состава.

Исследования процесса кристаллизации шлакового расплава Липецкого металлургического комбината показали, что при любой исходной температуре в данном расплаве первично выделяющимися фазами являются ольдгамит и мелилит. Это согласуется с расчетом по диаграмме состояния системы CaO—Al2O3—SiO2. Дальнейший ход кристаллизации определяется температурой расплава.

При низкой температуре (1300—1400°С) вслед за ольдгамитом и мелилитом кристаллизуется ортосиликат кальция, количество которого тем выше, чем ниже температура расплава перед началом кристаллизации и меньше скорость охлаждения. В высокотемпературных расплавах (1500—1600° С) вместо ортосиликата кальция кристаллизуется псевдоволластонит. На последующей стадии в расплавах любой исходной температуры происходит одноприемная кристаллизация псевдоволлаcтонита, мелилита и ранкинита.

Полученные данные показали, что при температурах от 1600 до 1450°С в расплаве изученного состава устойчивы анионы (Al2SiO7в4-) и (SiO3)n, предопределяющие неизбежность выделения при кристаллизации мелилита и псевдоволластонита. С понижением температуры расплава происходит разрыв цепочек (SiO3)n и образование групп (SiO4в4-), вследствие чего при кристаллизации такого расплава будет выделяться кроме мелилита также ортосиликат кальция — белит, переходящий в дальнейшем в у-модификацию.

Из табл. 4 видно, что основную роль в составе гранулированных шлаков, независимо от способа грануляции и химического состава расплава, играет стекло. Максимальное содержание стеклофазы наблюдается в шлаках мокрой грануляции, полученных на бассейновых и желобных установках из сильноперегретых расплавов (температура исходного расплава более 1600°С). Такие шлаки имеют и наиболее высокую активность. Полусухая грануляция расплавов в барабанных, гидрожелобных или гидроударных установках обусловливает замедленное охлаждение расплава с соответствующим уменьшением количества стеклофазы в шлаке и снижением его активности. По-видимому, оптимальной является схема установки ВНИИМТ, рассчитанная на грануляцию расплава непосредственно у доменной печи (т. е. при максимальной его температуре) с расходом воды, обеспечивающим резкое его охлаждение.

Кристаллические фазы, возникающие при медленном охлаждении расплава во время транспортирования и грануляции (полусухим способом), имеют вид дендритных или точечных выделений. Они представлены сульфидом кальция — ольдгамитом, мелилитом и силикатами кальция. Среди последних в гранулированных шлаках заводов Центра и Юга обычны выделения белита в*2СаО*SiO2 и ранкинита, реже наблюдается псевдоволластонит. В шлаках заводов Востока отмечен только псевдоволластонит.

Отвальные медленноохлажденные доменные шлаки состоят преимущественно из кристаллических фаз — силикатов кальция (ортосиликата, ранкинита, псевдоволлаетонита) и алюмосиликатов кальция и магния (мелилитов). Практически во всех отвальных шлаках присутствуют сульфид кальция — ольдгамит и стекло, значительно реже — сульфиды железа (троилит) и марганца (алабандин).

В некоторых магнезиальных шлаках при содержании MgO более 8% могут встречаться силикаты кальция и магния — мервинит и монтичеллит и в наиболее кислых разностях — диопсид. Кислые высокоглиноземистые шлаки иногда содержат анортит, а титанистые — перовскит, нефелин и лейцит. Тридимит, в поле первичной кристаллизации которого попадают составы некоторых кислых доменных расплавов, в шлаках практически отсутствует. Избыточный кремнезем таких шлаков входит в состав кислого стекла.