|
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ БРИКЕТОВ ИЗ ХРОМОСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ НА ЖИДКОМ СТЕКЛЕ
Георгадзе А.Г., Гернер В.И., Никифоров С.А., Плетнев А.Н.,
(ООО «СХМ», ООО «ЭКОС», Южно - Уральский гос. университет)
Исследования показали, что брикетированные хромосодержащие порошкообразные руды на органических связующих материалах характеризуются сравнительно низкой термостойкостью и не обеспечивают высокого излечения хромистых соединений при выплавке феррохрома из-за разрушения брикетов на колошнике печи и повышенного уноса пылевидной фракции в системах газоочистки печей. Поэтому удельный расход исходных материалов на выплавку феррохрома возрастает, а на фильтрах систем газоочистки печей образуется гораздо больше пылевидных отходов, которые необходимо периодически извлекать из фильтров и утилизировать.
Для замены органических связующих материалов исследовали применение неорганического связующего материала силикат - натриевого соединения в виде водных растворов - жидкого стекла.
Натриевое жидкое стекло готовится, в основном, путем растворения стеклообразной силикат глыбы, получаемой путем высокотемпературного сплавления кварца и соды.
Натриевая силикат-глыба получается в футерованных печах путем сплавления в зависимости от состава исходной шихты при температурах 1400-14500С. Согласно диаграмме состояния наименьшая температура плавления силикатной глыбы составляет 7930С при соотношении кварца и щелочи, как 70 к 30%. Эта эвтектическая температура плавления соответствует химической формуле, как ди-силикат натрия: Na2O•2SiO2. Это соответствует модулю силикатной глыбы и соответственно водному раствору жидкого стекла около 3,0 ед.
Отсюда ясно, что при нагреве брикетов с жидким стеклом в плавильной печи при нагреве брикетов твердая фаза связующего силиката натрия постепенно сначала размягчается и затем плавится. При этом при плавлении силиката натрия частицы хромовой руды обволакиваются силикатным расплавом и сохраняют целостность брикета без разрушения.
Этот рассмотренный механизм поведения брикетов на жидком стекле при нагреве в печи подтвержден, как лабораторными высокотемпературными испытаниями, так и производственным опытом использования брикетированных материалов на жидком стекле.
Однако при изготовлении хромовых брикетов при использовании жидкого стекла возникают проблемы, связанные с формированием прочности брикетированного материала после прессования и последующей необходимой сушки готовых брикетов. Во многом это связано со свойствами водных растворов жидкого стекла.
Жидкое стекло относится к коллоидным растворам, твердой фазой которого является диспергированный стеклообразный силикат натрия.
Коллоидная связующая фаза водного раствора жидкого стекла по Матвееву представляет собой твердые диспергированные частицы (мицеллы) стеклообразной силикатной глыбы, окруженные двойным электрически заряженным слоем. Первый слой мицеллы окружен отрицательно заряженными частицами ОН- , а второй – положительно заряженными частицами катионами Na+. В целом диспергированная частица электронейтральна, т.к. катионы натрия взаимодействуют с анионами гидроксида ОН-, создают равновесие отдельной частицы. Однако при интенсивном диспергировании силикат – глыбы и особенно при повышенной температуре (80-1000С) часть коллоидных частиц силикат-глыбы гидролизуются с образованием свободной щелочи NaOH и кремнекислоты H2SiO4. Тогда коллоидная частица с двойным электрически заряженным слоем представляется, как указано на рис.1. по схеме Айлера.
Центром коллоидной молекулы является диспергированная частица оксида кремния. Первый потенциалообразующий слой ее содержит ионы ОН-, второй слой содержит катионы натрия, третий слой является диффузонным, который состоит из воды, насыщенной с определенной концентрацией катионами натрия. В целом мицелла получила название «кремнезоль».
Строение коллоидных частиц имеет важное значение для определения связующих свойств водных растворов жидкого стекла.
Согласно схеме строения коллоидной частицы, приведенной на рисунке видно, что чем более глубоко проводится гидролиз стеклообразного силиката натрия, тем больше выделяется свободной щелочи и гидратированной кремнекислоты. При этом, чем выше модуль исходной силикат-глыбы и более глубокое происходит ее диспергирование, тем меньше седиментационная устойчивость водного раствора и следовательно, тем меньше связующие свойства жидкого стекла.
Поэтому на практике стремятся использовать для брикетировании низкомодульные сорта силикат-глыбы или готового раствора жидкого стекла. Часто для повышения связующих свойств высокомодульного жидкого стекла в готовый раствор дополнительно вводится водный раствор щелочи. Таким способом на практике понижают модуль готового раствора жидкого стекла для улучшения ее связующих свойств.
Исследование показало, что термостойкость хромовых брикетов сильно зависит от свойств жидкого стекла, но она во всех случаях выше термостойкости брикетов, изготовленных на органических материалах.
Поэтому исследовали зависимости температурной прочности (термостойкости) жидкостекольных брикетов при изменении модуля и плотности жидкостекольного связующего материала.
Термостойкость брикетов оценивали по прочности образцов с размерами 20х40 мм и толщиной 5 мм при их изгибе в процессе нагрева до разных температур от 100 до 8000С.
При этом также определяли процессы теплового расширения материала брикетов на высокотемпературном приборе модели Паулик –Эрдеи. Установлено, что брикеты из хромовой руды на высокомодульном жидком стекле с модулем 2,8-3,2 ед. при нагреве с высокой скоростью (40-500/сек. осыпаются с поверхности, но сохраняют целостность брикета в процессе нагрева до 8000С. При использовании для брикетов жидкого стекла с модулем 2,5 2,6 ед. брикеты полностью сохраняли свои размеры и не давали осыпаемости с поверхности при нагреве включительно до 8000С.
При этом не установлен факт какого либо разрушения брикетов даже при наложении на брикет внешней нагрузки до 1,5 МПа.
При использовании низкомодульного жидкого стекла (2,2-2,4 ед.) прочность брикетов при нагреве до температуры 4500С непрерывно возрастает без какого либо разрушения. При нагреве брикетов до температур выше 740-7500С прочность снижается и при выдержке с этой температуро интенсивно уменьшается, причем, чем меньше модуль, тем интенсивность снижения прочности при сжатии увеличивается.
При испытании брикетов в плавильной печи замечено, что брикеты на низкомодульном жидком стекле быстро пластифицируются и при переходе в плавильную зону интенсивно смешиваются с метало - шлаковым расплавом.
При исследовании этот факт заинтересовал производственников, так как этот процесс может ускорить и интенсифицировать процесс выплавки феррохрома с использованием в шихте хромовых брикетов на жидком стекле.
Вместе с этим возможен процесс снижения стойкости футеровки за счет более интенсивного взаимодействия ее с щелочными силикатами, образующимися при нагреве и расплавлении жидкостекольных брикетов.
На рис.2 представлены графики изменения прочности брикетов при 8000С в зависимости от модуля используемого жидкого стекла.
Прочность, МПа
8
6
4
2
2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0
Модуль, ед.
Рис.2. Зависимость прочности от модуля
жидкого стекла.
Как видно на рис.2., прочность брикетов при высоких температурах увеличивается с повышением модуля жидкого стекла. Однако, как показало исследование, для повышения прочности брикетов в исходном состоянии необходимо модуль жидкого стекла уменьшать. Таким образом, необходимо определять оптимум по модулю жидкого стекла применительно к прочности в исходном состоянии и прочности при высоких температурах.
Оптимизацию характеристик провели методом планирования экспериментов. Установлено, что оптимальные свойства брикетов по прочности достигаются при модулю от 2,6 до 2,8 ед. при этом время упрочнения брикетов после уплотнения на брикетере составляет не менее 20-30 минут, что не удовлетворяет производство.
В связи с этим исследовали различные добавки в составе брикетируемой шихты для ускорения упрочнения и увеличения прочности брикетов. Анализ технической и патентной литературы показал, что наиболее эффективными добавками для упрочнения жидкогостекольного связующего материала являются оксидные соединения щелочноземельных элементов, в частности соединения магния, кальция и бария.
Согласно данным Айлера оксиды щелочноземельных элементов второй группы таблицы Менделеева обладают флокулирущим действием по отношению водным коллоидным растворам кремнезоля. Оксиды щелочноземельных элементов вступают в обменные реакции с стабилизирующими катионами жидкого стекла, например натрия, и понижают седиментационую устойчивость коллоидных растворов кремнезоля. При этом связующий раствор кремнезоля коагулирует и переходит в полимерное состояние с образованием линейных межчастичных связей и раствор переходит в твердое упрочненное состояние с иммобилизацией остаточного раствора в порах скоагулированной структуры.
Наиболее предпочтительными упрочнителями жидкого стекла являются добавки силикатов кальция и магния. В зависимости от содержания добавок можно регулировать, как продолжительность упрочнения, так величину прочности брикетов.
Прочность, МПа
8
6
4
2
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
Содержание силиката кальция,%
Рис.3. Зависимость прочности образцов от количества добавки
Добавки силиката кальция позволяют сократить продолжительность упрочнения не 70% по времени нахождения брикетов на воздухе.
Это имеет большое значение для повышения производительности брикетеров и конвейерных приемных линий.
Кроме этого установлен факт, что брикеты, упрочненные с добавками щелочноземельных элементов, имеют более высокую стойкость к атмосферной влаге и практически не насыщаются ею при хранении брикетов в складских помещениях. Но даже если брикеты попали во влажную атмосферу их исходная прочность сохраняется на прежнем уровне, а в некоторых случаях, особенно при высоком содержании добавки, она увеличивается.
Подробности о технологии брикетирования материалов с жидким стеклом можно ознакомиться на сайте uralvim.ru или связаться по т. (351) 2804613.
|
