ВЫБОР СОСТАВА ИСХОДНОЙ ШИХТЫ ПРИ ВАГРАНОЧНОЙ ПЛАВКЕ МИНЕРАЛЬНОГО РАСПЛАВА В Г.АНДИЖАН

АННОТАЦИЯ

Для получения расплава требуемого минерального состава, используя данные химического состава сырьевых компонентов, результаты дериватографических исследований и расчетных составов расплава при требуемом модуле кислотности, устанавливают закономерности изменения температур расплавления и кристаллизации шихтовых материалов, вязкости получаемого расплава. Было показано, что применяемый базальт способен образовывать минеральный расплав при минимальных температурах завершенности кристаллохимических преобразований с формированием стекловидной структуры в интервале температур 855-1082^оС  с использованием корректирующих добавок известняка.

АBSTRACT

To obtain a melt of the required mineral composition, using data on the chemical composition of raw materials, the results of derivatographic studies and calculated melt compositions at the required modulus of acidity, patterns of changes in melting temperatures and crystallization of charge materials, and the viscosity of the resulting melt are established. It has been shown that the basalt used is capable of forming a mineral melt at minimum temperatures of completion of crystallochemical transformations with the formation of a glassy structure in the temperature range of 855-1082oc using corrective limestone additives.

Ключевые слова: вагранка, минеральный расплав, базальт, известняк

Keywords: lining, mineral melt, basalt, limestone

Введение.

Минераловатное производство в г. Андижан основывается на формировании минерального расплава в коксовой вагранке китайского производства с использованием базальта, доменного шлака и известняка [1].

Материалы и методы исследований.

Их, химический состав представлен в табл.1.

Таблица 1.

Химический состав кремнийсодержащих компонентов

Поскольку исходные компоненты ваграночной шихты являются преимущественно источниками кремния [2], то наибольшим содержанием этого элемента обладает базальт (42,36%). Повышенное содержание в нем СаО (17,3%) и ограниченное количество потерь при прокаливании (1,56%) указывает ограниченность присутствия карбонатов в его составе и возможность повышенного выхода минерального расплава при использовании в ваграночной плавке. Базальт имеет модуль кислотности 2,50. В тоже время,  в его составе содержится повышенное количество Al₂O₃ (11,03%), являющееся стабилизатором стеклянной структуры будущего расплава [3]. В составе базальта содержится ограниченное количество соединений железа (4,97%), что является основной для получения минимального количества металлической части расплава в вагранке с ограниченным расходом кокса на восстановительные процессы. Небольшое содержание соединений магния в базальте (4,02%) обеспечивает относительно широкий интервал расплавления исходных материалов и стабильность структуры минерального расплава.

Доменный шлак имеет модуль кислотности 1,02, что является хорошей основой для повышения этого показателя в минеральном расплаве. Ограниченность значений ППП (0,36%) в нем свидетельствует о возможности повышенного выхода минерального расплава из этого компонента при ограниченном развитии процессов разложения в его структуры гидратов и карбонатов, а небольшое содержание оксидов железа (0,37%) свидетельствует об ограниченности развития восстановительных процессов в ваграночной плавке и несущественном выходе металлической фазы.

Для формирования минерального расплава предлагается использовать известняк, анализ химического состава которого показал высокое содержание в нем  СаО (54,95%), ограниченное количество SiO₂ (1,09%), Al₂O₃ (0,44%), соединений железа (0,37%) и магния (1,01%). При этом потери при прокаливании (ППП) составляют 41,4%, что указывает на повышенную степень его декарбонизации при высоких температурах и сопровождается существенным снижением производительности плавильного агрегата.  

При подборе шихты необходимо установить оптимальное соотношение количеств кислого и основного компонентов применительно к условиям работы шахтного плавильного агрегата и волокнообразующего оборудования [4] с использованием модуля кислотности М_к, %

По существующим стандартам для получения минеральной ваты высшей категории качества значение этого показателя должно быть не менее 1,5, а для первой категории – 1,2. С увеличением значений модуля кислотности М_к возрастает химическая стойкость изделий и их долговечность.

Кремнийсодержащие материалы являются самыми тугоплавкими компонентами ваграночной шихты и определяют преимущественно условия получения минерального расплава. На рис.1 представлена дериватограмма нагрева базальта со скоростью 20 градусов/мин. на воздухе, полученной термогравиметрическим методом на дифференциальном сканирующем дериватографе STA 449 F3 Jupiter (Netzsch-Gerateban GmbH). Результаты исследований представляются в виде двух зависимостей от температуры нагрева: термограммы (изменение температуры образца) (1) и изменения его массы (2).

В процессе тепловой обработки материал базальт проходит ряд технологических стадий при последовательном уменьшении массы образца: сушки, разложения гидратной влаги и известняка, окисления оксидов железа, образования состава первичного шлака, расплавления.

Рисунок 2. Дериватограмма нагрева базальта по периодам: I – сушки; II – разложения гидратной влаги; III – окисления оксидов железа; IV – образование первичного расплава; 1 – изменение температуры образца (ТГ/%); 2 – изменение массы образца (ДСК , мВт/мг)

Первые два этапа характеризуются эндотермическим характером развития. До температуры около 110^оС в структуре нагреваемых материалов развиваются процессы сушки и удаления физической влаги. Дальнейшее увеличение температуры образца  способствует разложению гидратной влаги до температуры примерно 200^оС. При последующем увеличении температуры происходят процессы разложения карбонатов в его составе вплоть до температуры 920^оС с последующим переходом на экзотермические процессы окисления оксидов железа до температуры 1180^оС. Этот период увеличения температуры тепловой обработки соответствует условиям формирования химического состава первичного расплава в режиме твердофазного спекания и, частично, с образованием жидкой фазы преимущественно по границам кристаллов базальта. Выше этого уровня нагрева развиваются эндемические процессы расплавления основной массы куска базальта. 

Исследования процесса охлаждения его расплава показали, что процесс стеклования в нем происходит в температурном интервале 855-1082^оC с расширением интервала жидкофазного состояния и возможностью формирования длинных и тонких волокон.

В соответствии с химическим составом исходных компонентов устанавливали расчетным путем химический состав получаемого минерального расплава в интервале изменения модуля кислотности 1,4 – 2,0, а с использованием диаграммы изменения температуры верхнего предела кристаллизации определяли теоретически температуру его полного расплавления, уровень вязкости и энергетические затраты на его получения [5]. При оценке жидкоподвижности шлакового расплава на основании его химического состава значение вязкости расплава, вытекающего из вагранки должна быть при температуре 1350^оС не ниже 0,4…1,7Па∙с, а при 1400^оС – 0,3…1,2Па∙с.

Результаты и обсуждение.

Сравнительные данные об изменении температуры расплавления минерального расплава (рис.2), образованного на основе смеси базальта с доменным шлаком (1) и базальта с известняком (2) показали. что использование ваграночной шихты первого состава отличается более высоким температурным уровнем его получения с повышенными энергозатратами.

Рисунок 2. Изменение температуры расплавления минерального расплава на основе доменного шлака и базальта (1) и известняка и базальта (2)

Особенно это характерно для интервала увеличения модуля кислотности выше 1,6. Использование шихтовых материалов на основе базальта и известняка обеспечивают более плавное и ограниченное повышение температуры их расплавления.

Исследования закономерностей изменения вязкости минерального расплава (рис.3) позволили установить, что при использовании ваграночной шихты на основе доменного шлака и базальта его вязкость отличается более низкой жидкоподвижностью по сравнению со смесью шихтовых материалов на основе базальта и известняка в 1,5 – 2,0 раза. При этом для управления вязкостью расплава образованного этими смесями исходных компонентов следует использовать примерно одинаковое количество известняка.

Рисунок 3. Изменение вязкости минерального расплава от его модуля кислотности для шихты на основе доменного шлака и базальта (1) и известняка и базальта (2)

Заключение.

Таким образом, 1. сравнительный анализ условий тепловой обработки кремнийсодержащих материалов по данным дериватограммы нагрева показывает, что базальт способен образовывать минеральный расплав при более низких температурах с завершением основных эндотермических кристаллохимических преобразований;

2. Формирование стекловидной структуры минерального расплава наиболее полно происходят в интервале температур 855-1082^оС. Чем ниже температура стеклования, тем длительнее будет находиться минеральный расплав в стекловидном состоянии и тем возможно длиннее будут формироваться минеральные волокна.

3. Использование доменного шлака требует повышения энергетических затрат за счет формирования более тугоплавких соединений на первоначальном этапе плавки.

Список литературы:

1. Панфилов М.И. Переработка шлаков и безотходная технология в металлургии / М.И.Панфилов, Я.М.Школьник, Н.В.Орининский и др. М.: Металлургия, 1987. – 239с.
2. Сперантов Н.А. Шлаковая вата /Н.А. Сперантов, А.В. Тысский. // под ред. К.Э. Горяйнова. – М.: Металлургиздат, 1953. – 191 с.
3. Бондаренко О.Л. Вторичные материальные ресурсы черной металлургии: справочник / О.Л. Бондаренко и др.. Т. 1. Лом и отходы черных металлов и огнеупорных материалов: (Образование и использование). М.: Экономика, 1986. – 229 с.
4. Горяйнов К. Э. Технология производства полимерных и теплоизоляционных изделий: учеб. Для вузов / К. Э. Горяйнов, В. В. Коровников. М. : « Высшая школа», 1975. – 296 с.
5. Матюхин В.И. Расчет и проектирование ваграночного комплекса плавки чугуна В.И.Матюхин, А.В.Матюхина. Екатеринбург: УФГАУ ВПО «Уральский федеральный университет им. Б.Н.Ельцина, 2015. – 364с.