Файл: Кудрявцев, В. С. Металлизованные окатыши.pdf

Фстех—-то же, при содержании углерода, равном или большем стехиометрического;

С — содержание углерода в окатышах; Сетех — стехиметрическое содержание углерода в ока­

тышах.

Прочность металлизованных окатышей достигает мак­ симума при увеличении содержания углерода до 0,75— 0,8 от стехиометрически необходимого по реакции прямо­ го восстановления (рис. 10), а затем резко (понижается [Г2]. При малом исходном содержании углерода зерна восстановленного железа еще не срастаются в общий каркас, они разрознены пустой породой и окислами же-

леза, поэтому прочность окатышей относительно низка. При оптимальном исходном содержании углерода вос­ становленного железа достаточно для образования раз­ ветвленного металлического каркаса, обеспечивающего высокую прочность окатышей. Если содержание углеро­ да выше оптимального, то зерна металлического железа укрупняются и разобщаются избыточным углеродом, в результате чего прочность окатышей снижается

(рис. 11, 12).

20

ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ МЕТАЛЛИЗАЦИИ

В нейтральной и восстановительной атмосферах сте­ пень металлизации рудо-угольных окатышей растет с увеличением продолжительности опыта (см. рис. 4,5,9). Иначе изменяется во времени прочность металлизованных окатышей. Достигая максимального значения, она затем понижается и только при длительной выдержке вновь возрастает. Например, для окатышей из Коршунов­ ского концентрата и буроуголыюго полукокса прочность

21

после металлизации в зависимости от времени изменя­ лась следующим образом (в исходных окатышах С/Сстех— 0,8):

Микрошлифы металлизованиых окатышей (см. рис. 12) показывают, что с увеличением выдержки зерна же­ леза укрупняются, образуя сначала топкий, а затем бо­ лее грубый металлический каркас, обеспечивающий вы­ сокую прочность окатышей. Рост зерен железа — про­ цесс самопроизвольный, движущей силой его является избыточная поверхностная энергия мелких частиц по сравнению с крупными.

Как известно [27], самопроизвольные процессы в не­ равновесных системах идут при d Z < 0, а так как

d Z = Z o dS,

где dZ — изменение изобарно-изотермического потенциа­ ла системы;

а — поверхностное натяжение; dS — изменение площади,

то самопроизвольные процессы могут протекать при ус­ ловии adS< 0 , т. е. при сокращении поверхности (укруп­ нении зерен железа). Под воздействием избыточной по­ верхностной энергии атомы железа стремятся перемес­ титься к более крупным частицам путем самодиффузии со скоростью, зависящей от коэффициента диффузии и крупности частиц [28]. Зерна железа в периферийных слоях укрупняются в первую очередь, так как восстанов­ ление его окислов начинается с поверхности окатышей. Позже восстановленные более мелкие частицы железа стремятся диффундировать в направлении к ранее воз­ никшим частицам, что приводит к появлению металличе­ ской оболочки и к образованию крупных пор и полостей в центральной части окатыша. Этим объясняется некото­ рое снижение прочности при получасовой выдержке. При более длительной выдержке в результате коагуляции зе­ рен железа объем окатыша уменьшается и прочность его вновь возрастает.

•Существенное влияние на скорость укрупнения ча­ стиц железа оказывает присутствие легкоплавких состав­ ляющих в пустой породе окатыша. Появление жидкой

22

РАЗМЕРЫ ОКАТЫШЕЙ

Большинство исследователей [21,22,30,31] сходятся на том, что время, необходимое для достижения задан­ ной степени восстановления, при прочих равных услови­ ях зависит от размеров окатышей и только в работе [32] высказывается сомнение по этому поводу. И. Ю. Кожев­ ников [21] установил, что зависимость продолжительно­ сти восстановления от диаметра окатышей и температу­ ры может быть представлена уравнением

где т — продолжительность восстановления до степени восстановления 90%, мин;

і — температура, °С; 5, У — соответственно поверхность и объем окатыша

диаметром D, мм;

X ' — продолжительность восстановления окатышей критического размера D', мин;

А. А'.п — коэффициенты.

Опытами авторов в принципе подтверждена эта зави­ симость, но для заданной температуры она выражена бо­

где /1 — коэффициент.

23

«критическим» размером окатышей. Зависимость време­ ни металлизации от размеров окатышей, начиная от 5— 7 мм, выражается прямыми линиями, выходящими из на­ чала координат (рис. 14, 15). Причем эта зависимость выполняется для различных температур (рис. 14) и сте­ пеней восстановления (рис. 15). Опыты, проведенные на окатышах более мелкого размера (рис. 16, кривые 1—3) и на смеси отдельно нагретых концентрата и восстанови­ теля (кривая 5), подтвердили положение И. Ю. Кожев­ никова о том, что имеется предельный критический раз­ мер окатыша, меньше которого время восстановления не зависит от его размеров. На рнс. 16 стрелками отмечена одинаковая (90%) степень восстановления. До 900°С предельный размер окатыша лежит между 6,5 (кривая 3) и 8 (кривая 4). С повышением температуры, например до Ю00°С (кривые 6,7), предельный диаметр уменьша­ ется. Исследование восстановимости более мелких ока­ тышей ( < 4 мм) представляет главным образом теоре­ тический интерес, так как на практике обычно применя­ ют окатыши размерами выше предельных. Наличие пре­ дельного диаметра рудо-угольного окатыша объясняет­ ся превышением скорости подвода тепла в реакционную зону по сравнению со скоростью реакции диффузия — химический акт. Повышение температуры, по-видимому, увеличивает скорость реакции в большей мере, чем ско-

24

Диаметр окатышей, мм

Рис. 17. Зависимость прочности от размера рудо-уголь­ ных окатышей:

а — из Коршуновского концентрата и полукокса; б — из криворожского концентрата и антрацита. Время метал­ лизации при 1250°С, мин:

/ — 5; 2 — 10; 3 — 15; 4 — 20

25

ростъ теплопередачи, поэтому предельный диаметр ока­ тыша уменьшается.

Прочность окатышей растет с увеличением их диамет­ ра. При быстром нагреве до 1250°С прочность имеет мак­ симальное значение для окатышей размером 20 мм (рнс. 17) . Дальнейшее увеличение окатыша приводит к значи тельной неравномерности усадки наружных и внутрен­ них слоев и, как следствие, •— к образованию трещин и снижению его прочности. Замедленный нагрев, возмож­ но, позволит применять более крупные окатыши. Как уже было отмечено, сравнительно раннее возникновение жид­ кой фазы в окатышах из криворожского концентрата позволяет ускорить процесс их упрочнения и достичь бо­ лее высокой прочности, однако эти же причины приво­ дят и к относительно раннему (через 20 мин) снижению прочности по сравнению с окатышами из Коршуновского концентрата (рис. 17).

ТЕМПЕРАТУРА ВОССТАНОВЛЕНИЯ

Известно влияние температуры [1—3,6] на скорость восстановления окислов железа твердым углеродом. Эк­ спериментальная формула этой зависимости с учетом рис. 14 в отличие от формулы И. ІО. Кожевникова [21] для окатышей заданного диаметра приобретает вид:

Коэффициент и в работах [21,22] для температур шкалы Цельсия принят равным 5. По результатам наших исследований, для абсолютных температур п = 6 (рис. 18) . Коэффициент А в формулах (3) и (5) имеет неоди наковое значение, так как включает в себя различные постоянные величины.

Прочность металлизованных окатышей имеет экстре­ мальную зависимость от температуры с максимумом при 1250°С (рис. 19). Скорость укрупнения частиц железа зависит от коэффициента диффузии, который подчиняет­ ся следующей температурной зависимости:

где Do — предэкспоненциалы-іый множитель;

Е— энергия активации диффузии, Дж/моль;

Я— газовая постоянная;

7' — температура, °К,

26

т. е. скорость укрупнения частиц экспоненциально зави­ сит от температуры.

Так, при температуре 1200°С металлическое же­ лезо может образовать группы мелких сеток, малосвя­ занных между собой; с повышением температуры, напри-

мер до 1250°С, они соединяются, образуя металлический каркас. Снижение прочности при дальнейшем подъеме температуры Ю. А. Берман и В. Я. Миллер [10] объяс­ нили укрупнением частиц металлического железа, в ре­ зультате которого в металлический скелет входят шлако­ вые включения, ослабляющие окатыш. Авторами рабо­ ты [10] установлен несколько иной механизм .пониже­ ния прочности.

Дальнейший рост температуры ведет к образованию крупных частиц железа с одновременным увеличением количества и размера пор и полостей внутри окатыша, На рис. 20 показаны шлифы окатышей, металлизованных при температурах 1200— 1.350°С. С повышением темпера­ туры поры объединяются в полость и при 1350°С все же­ лезо сосредоточивается в оболочке толщиной 1—3 мм. Происходит это в результате того, что процессы восста­

27