Технические науки/1.Металлургия

Квон Св.С., Есжанова Д.Т, Филиппова Т.С.

Карагандинский государственный технический университет, Казахстан

Исследование процесса порообразования при спекании

железорудных материалов

Пористая структура железорудного сырья (окатышей, агломерата, брикетов), формирующаяся в результате спекания, является универсальным показателем их качества, поскольку определяет такие важнейшие металлургические свойства, как «холодная» и «горячая» прочность, восстановимость и степень металлизации. Поэтому вопросам формирования и анализу конечной пористой структуры посвящено значительное количество работ. Большинство исследователей влияние структуры на прочность описывают эмпирической формулой:

, где (1)

Р – прочность;

а – коэффициент, учитывающий параметры режима спекания;

В – параметр структуры;

В качестве параметра В используется либо величина общей пористости, либо величина среднего радиуса пор. Такой подход при изучении прочностных характеристик является оправданным, поскольку именно эти параметры являются показателем завершенности процесса спекания. Однако исследования пористой структуры, как объекта изучения массообменных процессов, требуют совершенно иного подхода как в методическом, так и в экспериментальном отношении. Такими массообменными процессами являются процесс окисления в ходе спекания, восстановление при агломерации и металлизации. Очевидно, что завершенность этих процессов определяет, в конечном итоге, качество получаемого продукта.

В работе /1/ было показано, что интенсивность массообменных процессов, в основном, определяется характером пористой структуры и, в частности, такими параметрами, как общая объемная пористость, распределение пор по размерам и поверхность пор, доступная к реагированию.

В данной работе изучался процесс образования пор, их распределения по размерам в процессе спекания в зависимости от различных факторов. Причем подход к изучению пористой структуры формировался именно с точки зрения возможности протекания массообменных процессов.

Для исследования использовались брикеты из железорудного концентрата различной плотности. Величина плотности в сырых брикетах варьировалась величиной давления прессования от 130 до 1200 кг/см². Пористую структуру сырых брикетов исследовали с помощью метода ртутной порометрии /2/. Затем брикеты спекали на воздухе при температуре 1250⁰С, время спекания менялось от 3 до 40 минут. Полученные таким способом образцы также исследовали с помощью метода ртутной порометрии. Результаты исследований представлены в таблице 1.

Параметры пористой структуры в зависимости давления

прессования и времени спекания.

Таблица 1.

№ п/п	Время спекания, мин	0		3		8		20		40
	Давление прессования, кг/см^2	L	V S	L	V S	L	V S	L	V S	L	V S
1	130	42	0,0879 1,5048	37	0,0551 0,8874	28	0,0453 0,548	25	0,0359 0,328	23	0,0301 0,214
2	380	35	0, 063 1,202	31	0,0429 0,612	24	0,0319 0,404	21	0,0236 0,0261	18	0,025 0,198
3	1200	28	0,051 0,908	24	0,0309 0,384	20	0,0231 0,204	17	0,0198 0,146	15	0,0136 0,106

Примечание: L – открытая пористость, %;

V – удельный объем пор, см³/г;

S – удельная поверхность пор, м²/г;

Согласно классификации пор, предложенной /3/, все поры по размерам можно разделить на четыре группы:

I группа – макропоры, размер более 2мкм;

II группа – мезопоры, размер 2-0,5 мкм;

III группа – микропоры, размер 0,5-0,02 мкм;

IV группа – внутричастичные поры, размер менее 0,02 мкм;

При этом надо отметить, что рассматривалась только открытая пористость, т.е. доступная для массообменных процессов и химического реагирования.

Анализ данных таблицы 1 показал, что плотность сырого брикета значительно влияет на характер распределения пор по крупности. Увеличение плотности брикета приводит к сокращению доли макропор и, соответственно, к увеличению доли мезо- и микропор. Однако аналогичные исследования спеченных брикетов показали, что разница в распределении пор в сырых брикетах разной плотности после спекания практически нивелируется. Для всех спеченных брикетов характерна тенденция к сокращению доли макро- и микропор и увеличению доли мезопор. Иными словами, характер распределения пор по крупности в спеченных брикетах становится почти одинаковым и не зависит от исходного распределения. Это связано, вероятно, с развитием процессов диффузии и коалесценции пор в ходе спекания.

Помимо влияния исходной плотности на характер распределения пор исследовалось также влияние времени и температуры спекания. Время спекания варьировалось от 3 до 40 минут, температура спекания менялась от 1000⁰ до 1300⁰С. Анализ полученных данных показал, что общая тенденция изменения характера распределения пор заключается в следующем.

На первых стадиях спекания идет активное зарастание всех групп пор, скорость усадки брикета при этом велика. На последующих стадиях спекания процесс зарастания пор сопровождается образованием закрытых пор, коалесценцией и сглаживанием рельефа поверхности пор. На завершающих стадия спекания процесс образования закрытых пор становится доминирующим и сопровождается резким снижением открытой пористости. Исходя из этого, можно сказать, что для получения продукта с хорошей газопроницаемостью, процесс спекания надо вести не более 8 минут.

Изменение поверхности пор во времени спекания достаточно хорошо описывается уравнением:

S_t= S_o ∙ exp(-kτ), где (2)

S_o – поверхность пор в исходном брикете;

к – коэффициент, зависящий от природы спекаемого материала и времени спекания;

τ – время спекания;

Уравнение (2) достаточно полно отражает физический смысл процесса изменения поверхности пор в ходе спекания: при τ=0 S_t=S_o; при τ→∞ S→0. Действительно, при бесконечно большом времени спекания большое развитие получает процесс коалесценции пор, и в идеале все поры сливаются в одну пору, располагающуюся в беспористой матрице и имеющей крайне небольшую поверхность.

Таким образом, зная исходную поверхность пор в сыром образце и учитывая уравнение (2), можно прогнозировать величину поверхности пор S_t в любой момент процесса спекания.

Как уже отмечалось в работе /4/, величиной поверхности пор можно управлять с помощью режима спекания: температурой и временем изотермической выдержки. Для проверки этого положения были проведены следующие исследования. Железорудные брикеты спекали на воздухе при температурах 1200⁰ и 1000⁰С до величины усадки 5% при разном времени спекания. Затем образцы исследовали с помощью метода ртутной порометрии. Полученные данные показали, что при одинаковой усадке снижение температуры спекания приводит к снижению поверхности пор. Это легко объясняется, если учесть, что при пониженных температурах спекания процесс поверхностной миграции превалирует над объемным течением вещества. В то же время повышение температуры спекания при одинаковой длительности изотермической выдержки приводит к закономерному снижению объема и поверхности пор, вследствие большей завершенности процесса спекания.

Таким образом, при прочих равных условиях на изменение величины поверхности пор в ходе спекания оказывают влияние: исходная поверхность пор, температура спекания и время изотермической выдержки. Данные влияния всех этих факторов отражены в таблице 2.

Параметры пористой структуры в зависимости от режима спекания

Таблица 2

режим	Время окомк, мин.	Время спекания, мин.	Темпер. спекан., ^0С	Откр.пор. ,%	Объем..пор. см^3/г	Поверх. пор, м^2/г
1	2	9	1240	37	0,0453	0,328
2	14	3	1240	26	0,0309	0,256
3	2	3	1300	22	0,0296	0,198
4	14	9	1300	19	0,0203	0,119
Основной.. уровень	8	6	1270	22	0,0300	0,293
Интервал варьиров.	6	3	30	-	-	-

По данным таблицы 2 был проведен количественный анализ влияния времени окомкования (исходная поверхность пор), температуры и времени спекания. В результате было получено следующее уравнение регрессии:

S_t=0,221 – 0,037τ_ок – 0,06t – 0,0017τ_сп (3)

Исходя из значений коэффициентов уравнения (3), все факторы, влияющие на уменьшение поверхности пор можно расположить в следующем порядке: температура спекания, время окомкования (исходная поверхность пор), и время изотермической выдержки спекания.

Использованная литература:

1. Шкодин К.К. Кинетика восстановления агломератов. Тр.ЛПИ. Металлургия чугуна, №225, стр.54-59.

2. Плаченов Т.Г. Ртутная порометрия и ее применение для описания пористых структур. Адсорбция и пористость. М., Наука, 1986.

3. Белов С.В. Пористые тела. М., Металлургия, 1997.- 335с.

4. Ивенсен В.А. Кинетика уплотнения металлических порошков. – М., Наука, 1987, 272с.