Практическая работа №1

Изучение твердофазных реакций, протекающих при высокотемпературном окусковании тонкоизмельчённых железорудных материалов

В процессе термообработки шихты при производстве агломерата и обжиге окатышей значительное развитие получают реакции между твёрдыми компонентами обрабатываемого материала, которые существенно влияют на протекание процессов спекания и упрочнения.

Реакции между твёрдыми реагентами сильно отличаются от реакций в растворах и расплавах. Первое отличие: природа первичного продукта реакции не зависит от соотношений количеств реагирующих веществ. Так, при соотношении твёрдых реагентов СаО и SiO2 от 3:1 до 1:1, первичным продуктом реакции во всех случаях будет 2СаОSiO2. Только при последующей многочасовой выдержке появляются конечные продукты реакции, состав которых соответствует составу исходной смеси. При агломерации время пребывания шихты в зоне высоких температур исчисляется несколькими минутами, а при обжиге окатышей - несколькими десятками минут. В этих условиях природа окончательных и даже вторичных продуктов твердофазных реакций не играет никакой роли. Таким образом, между любой парой реагирующих веществ в общем случае может возникнуть лишь вполне определённое соединение (табл. 1).

Таблица 1

Первичные продукты реакции между твёрдыми фазами

Реагирующие твёрдые вещества Молекулярные соотношения в смеси Первичный продукт реакции

СаО+SiO2

3:1; 2:1; 3:2; 1:1

2СаОSiO2

МgО+SiO2

2:1; 1:1

2МgОSiО2

СаО+А12О3

3:1; 5:3; 1:1; 1:2; 1:6

СаОА12О3

МgО+А12Оз

1.1; 1:6

МgОА12О3

СаО+Fе2Оз 2:1; 1:1

СаОFе2Оз

Fе3О4+SiO2

2Fе3О4+3 SiO2=ЗFеSО4+О2

2FеОSiO2 (фаялит)

Первым продуктом твердофазной реакции, независимо от исходного соотношения реагентов, является вещество с наименьшей молярной теплотой плавления и минимальной поверхностной энергией (чаще всего это вещество с наиболее простым строением решётки).

Второе отличие твердофазных реакций - решающим фактором протекания реакций является не химическое сродство реагентов, а наличие непосредственного контакта реагирующих веществ. При спекании офлюсованной шихты (окатышей) эта особенность реакций в твёрдой фазе приводит к тому, что, несмотря на большее химическое сродство СаО и SiO2 , чем СаО и Fе2Оз, из-за малого их количества (СаО и SiO2), в твёрдой фазе образуются главным образом ферриты кальция.

Важной характеристикой процессов в твёрдой фазе является температура начала взаимодействия реагентов (табл. 2).

Таблица 2

Температура начала взаимодействия между твёрдыми компонентами

Реагирующие вещества Твёрдый продукт реакции Температура начала взаимодействия, °С СаО+Fe2Оз

СаОFе2Оз

500 - 650

2СаО+SiO2

2СаОSiO2

500 - 690 SiO2+Fe2Oз ограниченный тв. раствор 575 2МgО+ SiO2

2МgОSiO2

680

МgО+Fе2О3

МgОFе2Оз

600

Fе3О4+ SiO2

2FеОSiO2

990

Среди компонентов окусковываемых шихт есть такие вещества, которые совсем не реагируют между собой при сколь угодно продолжительной выдержке. Например, гематит Fе2Оз не реагирует с кремнезёмом, магнетит FезО4 не взаимодействует с известью СаО.

Механизм и кинетика взаимодействия твёрдых веществ чрезвычайно сложны.

Скорость твердофазных реакции является функцией поверхностного натяжения. ............