Свойства заполнителей и методы испытаний 6 страница

5.2.1. Огненно-жидкий шлаковый расплав представляет собой микрогетерогенную (микронеоднородную) структурированную жидкость, вязкую, но довольно текучую при высоких температурах.

Процесс вспучивания шлаковых расплавов проходит через три стадии: возникновение в шлаковом расплаве зародышей газовых пузырьков, их рост и затвердевание шлака, в результате которого фиксируются размеры и положение пор, образуемых газовыми пузырьками.

Элементарная капля шлакового расплава может начать вспучиваться только в том случае, если внутри ее будет выделяться газообразные продукты, способные создать избыточное давление по сравнению с давлением среды, окружающей эту каплю. Избыточное давление газов совершает работу вспучивания. Процесс вспучивания вообще не произойдет или приостановится, если избыточное давление уравновесится силами поверхностного натяжения и вязкого трения. При температуре слива расплава (1400-1500 ⁰С) поверхностное натяжение и силы вязкого трения относительно малы и образующиеся в этот период газовые пузырьки легко прорывают оболочку капли и покидают ее; с укрупнением газовых пузырьков и возможность такого прогрева усиливается. Расплав при этом будет застывать в виде сплошной невспученной массы.

Для этого, чтобы газовый пузырек не покинул каплю расплава и зафиксировался в ней в виде элементарной поры, нужно каплю в момент образования в ней газового пузырька охладить до такой степени, чтобы сопротивление вязкого трения уравновешивало внутреннее давление, созданное газовым пузырьком.

Рассмотренный механизм вспучивания характерен для охлаждающего слоя шлакового расплава. Но возможен (и практически реализуется) и другой механизм образования шлаковой пемзы: отдельные вспученные капли расплава, не связанные между собой, охлаждаются лишь до пиропластического состояния и приводятся в принудительный тесный контакт, что обеспечивает получение пористой массы. В этой массе, с одной стороны, зафиксированы поры внутри капель, с другой – образовалась еще одна система мажкапельных пор.

5.2.2. Газотворная способность шлаковых расплавов обусловлена тремя факторами: изменением растворимости газов в расплаве, разложением сульфидов и испарением воды, вводимой в расплав.

Газы, растворенные в расплаве. В огненно-жидких шлаковых расплавах находятся в растворенном состоянии различные газообразные продукты доменной плавки чугуна. При охлаждении расплава растворимость в нем газов (газоудерживающая способность расплава) понижается, вследствие чего часть газов оказывается в расплаве в свободном состоянии в виде рассеянных газовых пузырьков, размеры которых по мере охлаждения расплава продолжают возрастать, что вызывает его вспучивание. Одновременно происходит возникновение кристаллической фазы, которая не содержит газовых включений. Поэтому процесс кристаллизации расплава также сопровождается освобождением растворенных в нем газов.

Замеры показали, что в первоначальном расплаве (находящемся в доменной печи) содержание газов составляет 200 – 500 см³/кг, а в переплавленном шлаке только 10 – 40 см³/кг. Выделяющиеся из шлакового расплава при его охлаждении газы образуют в пемзе преимущественно мелкие поры.

Разложение сульфидов расплава. Шлаковые расплавы представляют собой структурированные жидкости и содержат в своем составе сульфиды железа, марганца, кальция и других металлов. При взаимодействии шлакового расплава с водой сульфиды разлагаются по схеме RS+H₂O=RO+H₂S-q. Сероводород при высокой температуры существовать не может и при взаимодействии с кислородом, растворенным в расплаве, окисляется по реакции 2H₂S+3O₂=2H₂O+2SO₂. Выделяющийся при этой реакции сернистый ангидрид вспучивает расплав.

Процесс газообразования за счет разложения сульфидных соединений является вторичным, т.к. реакция разложения сульфидов водой эндотермична и может протекать лишь при непрерывном восполнении теплоты эндотермии за счет внутреннего источника тепловыделения (теплоты кристаллизации расплава). Для осуществления реакции вода нужна вода, которую вводят извне во время производственного осуществления процесса поризации.

Вода оказывает положительное влияние на процесс вспучивания шлаковых расплавов. Но при некоторых условиях вода играет негативную роль, т.к. водяные пары катализируют процесс кристаллизации расплава и тем самым ускоряют его переход через пластическое состояние в твердое. При этом обрывается процесс разложения сульфидов и выделения SO₂. Это особенно проявляется при поризации низкотемпературных шлаковых расплавов с коротким интервалом плавкости. Поэтому является важным сохранение высокой начальной температуры расплава, что способствует более полному протеканию процессов разложения сульфидов, и следовательно, повышению степени вспучивания.

Испарение воды, вводимой в расплав. Вода, вводимая в расплав при его поризации, помимо участия в разложении сульфидов является самостоятельным источником образования газообразной фазы. Капли воды, проникает внутрь расплава или в промежутки между его охлаждающимися слипшимися каплями, испаряются и образуют водяные пары, объем которых в 1000 с лишним раз превышает объем жидкой воды. В расплав могут проникнуть только относительно крупные капли воды, т.к. мелкие ее капли успевают испариться при соприкосновении с поверхностью расплава. Поэтому за счет испарения воды при поверхностном ее контактировании в пемзе возникают преимущественно крупные поры. Для получения мелких пор необходимо осуществить объемные контактирование воды и расплава.

При средних удельных расходах воды пемза получается наиболее легкой с преобладающим размером по 2-3 мм. При вспучивании с большим и малым удельными расходами воды объемная масса пемзы возрастает, но структура ее улучшается: становится мелкопористой и более однородной.

ЛЕКЦИЯ №14

План лекции

5.3. Состав и свойства шлаковых расплавов.

5.4. Технологический процесс изготовления шлаковой пемзы.

5.3. Состав шлаковых расплавов. Различают доменные, сталеплавильные (мартеновские и конверторные) и ваграночные шлаковые расплавы черной металлургии. Для изготовления шлаковой пемзы используют только доменные шлаковые расплавы, которые имеют химический состав (в %): СаО 35 – 50; SiO₂ 30-38; Al₂O₃ 9-18; MgO 2-8; MnO 1-5; FeO меньше 1; сульфидов больше 2,5 %.

Основной химической характеристикой шлаковых расплавов является модуль основности:

При М_oc > 1,25 шлаки считаются основными, при М_oc = 1 – 1,2 – нейтральными и при М_oc < 1- кислыми. Для производства шлаковой пемзы используют кислые шлаки, т.к. основные склонны к силикатному распаду.

Пригодность шлаковых расплавов может оцениваться по трехкомпонентной диаграмме Al₂O₃ – SiO₂ – CaO.

Состав окислов группы RO оказывается большое влияние на вспучиваемость расплавов. При содержании Fe > 1 % шлаки вообще не вспучиваются, а при FeO = 0,6 – 1 % вспучиваются плохо. Содержание СаО не должно превышать 43 %, если одновременно содержание Al₂O₃ находится в пределах 12 – 13 % и MnO 0,8 – 1,5 %.

Сульфиды улучшают вспучиваемость расплавов. Вспучивающиеся расплавы содержат более 1,5 % серы. Соединения фосфора стабилизируют шлаки, предотвращая силикатный распад (должно быть не менее 0,1 %).

Газотворная способность шлаковых расплавов. Различают три понятия, связанные с наличием газов в шлаковых расплавах – газонасыщенность, газорастворимость и газотворность.

Газонасыщенность – общее количество газов, находящихся в расплаве при данных давлении и температуре. Газонасыщенность шлакового расплава тем больше, чем выше его температура.

Газорастворимость - количество газов, которое может удерживаться в расплаве в растворенном состоянии при определенных температуры и давлении. Растворимость газов в расплаве зависит от его температуры. Эта зависимость имеет экспоненциальный характер и описывается уравнением

где Т- абсолютная температура в ⁰К, А и В – постоянные, зависящие от состава шлака и режима работы доменных печей (А = 4¸9,75; В = 10350¸31500).

Коэффициент А представляет собой газорастворимость шлакового расплава при бесконечно большой его температуре.

Коэффициент В отражает энергию связи молекул растворенного газа с расплавом и выражается формулой:

где Е - энергия активации газовыделения; R – газовая постоянная.

Газотворность (имеющая наиболее важное значение для процесса вспучивания расплава) – это количество газов, выделяемое расплавом при переходе его из жидкого состояния в твердое, т.е. количество газов, принимающее участие во вспучивании расплава.

Газотворность Гт может быть выражена уравением:

где Гр_сл и Гр_кр соответственно растворимости газов в расплаве при температурах его слива из ковша в поризующий аппарат и кристаллизации.

Данное уравнение показывает, что с повышением температуры слива расплава увеличивается его газотворная способность и более полно проходят процессы вспучивания.

Газотворность некоторых шлаковых расплавов составляет (в см³/кг): Челябинского завода при выплавке литейных чугунов 131-250; Магнитогорского завода при плавке передельного чугуна 111-332, а при плавке литейного чугуна 318-390.

Вязкость шлаковых расплавов. При выпуске шлаковых расплавов из летки доменной печи вязкость составляет всего 0,3-0,5 Па×с, т.к. они являются перегретыми (1400-1500 ⁰С). Однако по мере охлаждения вязкость расплава возрастает и в интервале температур 1280-1300 ⁰С (иногда 1180-1220 ⁰С) достигает 4-7 Па×с.

Температурная зависимость вязкости шлаковых расплавов имеет экспоненциальный характер (рис. 24) и списывается уравнением

где Е – энергия активации.

Как видно на рисунке, с понижением температуры расплава вязкость сначала возрастает сравнительно медленно, а после начала кристаллизации увеличивается очень быстро.

Интенсивность нарастания вязкости расплава зависит от его состава. СаО понижает температуру начала кристаллизации, а MgO повышает ее. Следовательно, СаО уменьшает, а MgO увеличивает интенсивность нарастания вязкости. В то же время MgО, а так же сера и фосфор понижает вязкость шлаковых расплавов и облегчает процесс их поризации.

Добавка SiO₂ и в особенности Al₂O₃ укрупняет комплексные анионы (в шлаковых расплавах единицами их течения могут быть ионы отдельных химических элементов или их комплексы), а это повышает вязкость расплава. Причем, Al₂O₃ обуславливает особо резкое нарастание вязкости в узком интервале температур.

Температурный интервал плавкости – разность между температурами начала затвердения (начала кристаллизации) и потерей расплавом пиропластического состояния.

Шлаковые расплавы с узким интервалом плавкости называют «короткими» (основные шлаки), а с широким – «длинными» (кислы шлаки). В длинных шлаковых расплавах происходит плавный и постепенный переход из вязкотекучего в пиропластическое состояние, допускающее деформацию затвердевающего расплава без разрушения его структуры. Это и обуславливает лучшую вспучиваемость длинных (кислых) шлаковых расплавом.

Поверхностное натяжение является статической характеристикой шлаковых расплавов и его влияние на их вспучиваемость проявляется главным образом в первой стадии этого процесса – в момент образования газовых пузырьков и соответственно определяет возможность их возникновения. Для того, чтобы растворенные в расплаве газы образовали газовые пузырьки, им необходимо преодолеть силу поверхностного натяжения, т.е. энергетический барьер, который препятствует созданию новой поверхности раздела фаз газ-расплав. С другой стороны, поверхностное натяжение препятствует прорыву перегородок и слиянию образовавшихся мельчайших пузырьков в крупные газовые раковины.

С повышением температуры поверхностное натяжение линейно убывает. SiO₂, TiO₂, Fe₂O₃ и RS уменьшают, а CaO, MgO, Al₂O₃, FeO и MnO увеличивают поверхностное натяжение.

Практика установила следующие критерии пригодности расплавов для производства из них шлаковой пемзы: температура перед сливом не ниже 1250 ⁰С, температура кристаллизации не ниже 1100 ⁰С, вязкость при температуре 1250 ⁰С Па×с.

5.4. Технологический процесс изготовления шлаковой пемзы включает следующие операции: доставку шлакового расплава к поризующей установке, пробивку застывшей поверхности (корки) расплава, стабилизация расплава (в случае использования распадающихся шлаков), слив расплава, его поризацию, дробление пемзы, ее рассев, сепарацию и складирование.

Транспортирование шлакового расплава. Поризующие установки чаще всего размещаются на шлаковых отвалах в нескольких километрах от доменных печей и шлаковые расплавы транспортируют к ним в шлаковых ковшах. Эти ковши представляют собой стальную емкость вместимостью 11 или 16,5 м³. Ковш укреплен на металлической раме четырехосной тележки (вагонного типа) таким образом, что он может вращаться относительно горизонтальной оси. Наклонение (кантовку) ковша можно осуществлять посредством индивидуального привода, которым он оборудован. Перемещается шлаковозный ковш по железнодорожным путям широкой колеи.

Пробивка застывшей корки стабилизации расплава. За время транспортирования расплава в шлаковозных ковшах открытая поверхность его успевает затвердеть, образуя корку. Эту корку необходимо пробить перед сливом расплава с помощью копра.

В случае использования распадающихся шлаков пробивание корки совмещают с вводом в расплав стабилизирующих добавок, т.е. осуществляеют внедоменную стабилизацию расплава.

Наиболее эффективен кристаллохимический метод стабилизации неустойчивой при обычных температурах модификации g - 2СаО×SiО₂, основанный на переводе высокотемпературной формы С₂S в твердый раствор путем внедрения в кристаллическую решетку фосфоросодержащих добавок. В качестве стабилизаторов применяют фосфориты или апатитовый концентрат (0,25 – 0,4 % по массе расплава), в которых стабилизирующим окислом является Р₂О₃.

Кроме стабилизатора вводят наполнитель-колосниковую пыль в соотношении 1:2 к фосфоросодержащей добавке. Колосниковая пыль улучшает структуру пемзы благодаря наличию в ее составе окиси железа, являющейся поверхностно-активным веществом по отношению к расплаву.

Поризация расплава. Существует довольно значительное количество способов поризации шлакового расплава. Некоторые способы предусматривают поверхностное контактирование воды с расплавом, а другие – объемное.

Рассмотрим способы поризации расплава, которые применяют на отечественных предприятиях.

Брызгально-траншейный способ: из шлаковозного ковша расплав поступает на наклонный лоток, на дно которого непрерывно подается вода, при сходе с лотка расплав простреливается струями воды, фонтанирующими из перфорированной трубы; несколько охлажденный шлак подается в траншею, где он продолжает вспучиваться и охлаждаться за счет теплоотдачи в окружающую среду, превращаясь в пемзу.

В этом способе находит отражение попытка перейти от поверхностного к объемному контактированию расплава с водой. Однако при простреле струями воды только отдельные крупные капли воды могут внедряться в расплав (мелкие испаряются на поверхности). Причем, испарясь внутри расплава, крупные капли воды образуют и крупные поры вплоть до раковин и каверн. В результате пемза получается с неоднородной пористостью. Неоднородная пористость получается еще и потому, что во время движения расплава по лотку его вспучивание и охлаждение не завершается, а лишь начинаются. В основном своей части эти процессы развиваются и заканчиваются в траншее, что приводит к большой неоднородности по толщине слоя пемзы.

Установка, действующая по этому способу на Ждановском металлургическом заводе «Азовсталь», вырабатывает в год более 1 млн. м³ шлаковой пемзы со следующими показателями: средняя насыпная объемная масса 850 кг/м³ (нижних слоев ³ 1500, а верхних 300 – 400 кг/м³); прочность при сжатии 2 МПа; водопоглощение 9,3 %; пористость 41,4 %; межзерновая пустотность 48,8 %; расход расплава 0,75 т/м³; расход электроэнергии 3,7 кВт×ч/м³; трудозатраты 0,347 чел×ч/м³; фактическая себестоимость ##за 1 м³.

Способ поризации в опрокидном бассейне: при использовании распадающихся шлаков шлаковозный ковш подают к установке стабилизации расплава; процесс стабилизации длится 3-5 мин, а затем включают механизм кантования ковша и расплав через лоток сливают чашу в опрокидной бассейн, который представляет собой металлическую чашу с полыми наклонными стенками и с полым днищем, выложенным изнутри съемными перфорированными плитами, перед сливом расплава перфорированное днище бассейна покрывают тонким слоем воды; при сливе расплав попадает на струйки воды, фонтанирующие через перфорированное днище бассейна (давление воды 20 – 40 кПа). В бассейне протекают процессы вспучивания расплава, его кристаллизация и формирование структуры пемзы. Расход воды 400 л на вспучивание 1 т расплава. По окончании процесса вспучивания подачу воды прекращают и процессы кристаллизации и формирования структуры пемзы происходят без подвода воды. За 10-20 мин в бассейне получают примерно 25 м³ пемзы. В результате включения механизма кантования пемзу из бессейна сбрасывают в приямок, откуда ее извлекают грейферным краном и передают на промежуточный склад.

Опыт Липецкого металлургического завода показал, что бассейновый способ обладает довольно широким диапазоном регулирования режима поризации расплава. Насыпная объемная масса шлакопемзового песка 1050 – 1200 кг/м³. Себестоимость 1 м³ пемзы составляет около ### руб.

Недостатком этого способа является большое парение, что создает тяжелые условия обслуживания установки.

Гидроэкранный способ: из шлаковозного ковша расплав сливают в приемную воронку, из которой он поступает в первый желоб, где расплав разбивается кинетический энергией струй воды, подаваемых через гидромониторный насадок со скоростью 17 – 20 л/сек. При этом расплав перемешивается с водой, которая выбрасывает капли расплава на экран. Ударяясь о него, они падают во второй желоб, где их захватывают струи воды (скорость 17 – 20 м/сек), и выбрасывают на конвейер – перегружатель со звеньями в виде желобчатых палет. На нем расплав окончательно кристаллизуется, отвердевает. Шлакопемзовые глыбы конвейер сбрасывает на промежуточный склад, откуда в охлажденном до 100 ⁰С состоянии они поступают в дробильно-сортировочное отделение.

Гидроэкранная установка работает на Криворожском металургическом комбинате, ее среднемесячная производительность 12-15 тыс. м³. Себестоимость 1 м³ пемзы 2 руб. 50 коп.

Дробление и сортировка шлаковой пемзы основаны на двухстадийном дроблении (щековая и роторная дробилки) и двухстадийном рассеве пемзы. Складирование пемзы осуществляют по фракциям 0,5, 5-20 и 20-40 мм.

Библиографический список

1.Ицкович С.М. и др. Технология заполнителей бетона: Учеб. Для строит. вузов по спец. «Производство строительных изделий и конструкций»- М.: Высшая школа, 1991. - 272с.

2.Роговой М.И. Технология искусственных пористых заполнителей и керамики. М.; Стройиздат, 1974. - 319с.

3.Общесоюзные нормы технологического проектирования предприятий нерудных строительных материалов/ ОНТП - 18 - 85.Минстройматериалов СССР. Л., 1987.

4.Общесоюзные нормы технологического проектирования предприятий и цехов по производству керамзитового гравия и песка /ОНТП –11 - 86. Минстройматериалов СССР. М., 1986.