Экспериментальная часть. В процессе экспериментального исследования изучены результаты жидкофазного восстановления углеродом шлаковых материалов

В процессе экспериментального исследования изучены результаты жидкофазного восстановления углеродом шлаковых материалов, подготовленных по четырём различным схемам. Измельчённый (в шаровой мельнице до фракции не более 3 мм) образец отвального сталеплавильного шлака, очищенный от корольков металла, в ходе магнитной сепарации (с помощью магнитного сепаратора барабанного типа) был разделён на магнитную и немагнитную фракции. Состав фракций, определённый в ходе химического анализа, представлен в таблице 2.

Таблица 2 – Химический состав фракций шлака, полученных в ходе магнитной сепарации

Фракции	SiO2	CaO	P	S	MgO	Al2O3	MnO	Cr2O3	TiO2	V2O5	FeO
Магнитная	25,6	31,6	0,2	0,34	11,9	10,6	3,20	2,00	0,80	0,10	14,5
Немагнитная	26,2	33,2	0,2	0,21	11,9	10,00	3,30	2,10	0,84	0,10	9,80

Половина материала каждой фракции подвергалась твердофазному восстановлению, а затем жидкофазному. Другая часть образцов сразу подвергалась жидкофазному восстановлению. Все образцы шлака смешивались с коксом в массовом отношении 10:2 (100 г. шлака на 20 г кокса). Полученная смесь подвергалась тщательному перемешиванию.

Твердофазное восстановление осуществлялось следующим образом.

Образцы в графитовых стаканчиках помещались в печь сопротивления, предварительно нагретую до 1100°С. Режим циркуляции воздуха обеспечивал восстановительную атмосферу в зоне нахождения образцов в течение всего периода их нахождения в печи. После восстановления температуры печи (после загрузки образцов она несколько падала) до 1100°С образцы выдерживались в ней в течение 20 минут. По окончании заданного времени образцы вынимались из печи и охлаждали на воздухе в прикрытых кусками графита стаканчиках.

При жидкофазном восстановлении опытные образцы в графитовых тиглях нагревались в индукционной лабораторной печи УПИ-60-2 до температуры 1500 °С с выдержкой температуры примерно на этом уровне в течение 20 минут. Визуальное наблюдение расплавленной шлаковой массы в процессе выдержки в печи позволило наблюдать процесс её "кипения", интенсивность которого заметно снизилась к концу периода обработки. В общей сложности было проведено 20 опытных плавок, что позволило получить представительную серию образцов.

По окончании времени выдержки тигли с образцами извлекались из рабочего пространства печи, охлаждались на воздухе, после чего реакционная масса извлекалась из тигля и исследовалась.

Целью исследования полученных масс было определение состава фаз, образовавшихся в ходе кристаллизации продуктов восстановления, а также определение доли металлического продукта, который получен в процессе восстановления.

Определение составов фаз, составляющих полученные плавни, проводилось посредством растровых электронных микроскопов JEOL JSM-7001 и JOEL JSM-6460 LV, снабженных аналитической приставкой.

В ходе такого рода исследований получены многочисленные изображения поверхности образцов во вторичных и отраженных электронах, выполнен полуколичественный и количественный элементный анализ точек поверхности и построены карты распределения химических элементов. Примеры микрофотографий поверхностей шлифов образцов плавней, полученных в процессе восстановления магнитной и немагнитной фракций шлака после жидкофазного восстановления при температуре 1500 °С, представлены на рисунках 6 и 7. Химический состав отдельных (пронумерованных) участков этих образцов приведен в таблицах 3 и 4.

Рисунок 6 – Образец магнитной фракции исходного шлака, восстановленный при 1500 °С. Растровый электронный микроскоп JEOL JSM-7001. Номера зон соответствуют таблице 3

Рисунок 7 – Образец немагнитной фракции исходного шлака, восстановленный при 1500 °С. Растровый электронный микроскоп JEOL JSM-7001. Номера точек соответствуют таблице 4

Таблица 3 – Химический состав (за вычетом углерода) зон в образце магнитной фракции исходного шлака, восстановленном при 1500 °С (масс. %)

№ уч,	O	Mg	Al	Si	Ca	Ti	V	Cr	Mn	Fe	Ni	Cu	Итого
	0,38	0,00	0,01	0,13	0,06	0,00	0,18	10,99	1,85	85,88	0,75	0,18	100,00
	35,87	10,39	2,32	16,62	21,99	0,68	0,12	1,95	8,99	1,29	0,00	0,00	100,00
	22,10	0,74	0,72	6,18	1,32	0,66	0,00	37,41	0,27	28,69	0,00	2,05	100,00
	11,81	0,10	0,11	0,25	0,37	0,00	0,00	0,67	1,30	85,75	0,13	0,12	100,00

Таблица 4 – Химический состав (за вычетом углерода) точек в образце немагнитной фракции исходного шлака, восстановленном при 1500 °С (масс. %)

№ уч.	O	Mg	Al	Si	Ca	Ti	V	Cr	Mn	Fe	Ni	Cu	Итого
	2,72	1,21	0,28	0,70	0,17	0,00	0,10	3,39	0,43	91,12	0,08	0,12	100,00
	39,83	8,16	4,88	0,40	0,20	0,35	0,39	33,01	6,73	6,33	0,05	0,02	100,00
	47,79	15,37	5,68	17,29	7,67	0,34	0,01	1,12	3,58	0,39	0,06	0,00	100,00
	40,56	27,06	0,45	17,10	0,51	0,10	0,00	12,55	0,16	1,98	0,00	0,00	100,00
	21,03	3,31	0,75	1,67	1,33	0,03	0,06	61,98	3,49	5,12	0,26	0,84	100,00

Образцы плавней, полученные в ходе экспериментов, измельчались и разделялись на шлаковую и металлическую части. В таблице 5 представлены результаты сопоставления масс металлической и шлаковой частей (а также газа, масса которого вычислялась как разность массы образца до восстановления и плавня, полученного в ходе этого процесса). В этой же таблице представлены некоторые усреднённые данные химического анализа металлической и шлаковой фракций, позволяющие судить о глубине восстановления металла.

Таблица 5 – Баланс распределения масс образцов между фазами после жидкофазного восстановления и некоторые данные о среднем составе полученных фаз

Вид материала, подвергнутого восстановлению	Среднее содержание Fe в металле	Среднее содержание Cr в металле	Среднее содержание Fe в шлаке	Средние массовые доли фаз, образовавшихся в процессе восстановления, %
Металл	Шлак	Газ
Немагнитный без т/ф восст.	87.68	7.56	0,64	2.62	93.70	3.68
Магнитный без т/ф восст.	89.39	5.22	1,64	8.16	85.91	5.93
Немагнитный с т/ф восст. при 1100°С	88.95	4.84	0,57	5.00	89.17	5.83
Магнитный с т/ф восст. при 1100°С	89.09	5.91	0,89	12.08	81.25	6.67

Следует отметить, что металлическая составляющая в большей части образцов была представлена в виде небольших (1-4 мм диаметром) корольков металла, включённых в шлаковую массу. Только при восстановлении магнитной, предварительно восстановленной фракции металл образовывал консолидированную металлическую фазу (слиток).

На рисунке 8 представлены результаты электронно-микроскопического картирования образца щлифа такого слитка. Видно, что восстановившиеся элементы (Fe, Cr, Ni, Mn) равномерно распределены по всему объему образца.

Рисунок 8 – Картирование микрошлифа слитка металла, полученного в ходе восстановления магнитной фракции шлака. Увеличение 200

Для выявления структурных особенностей полученных образцов металла производилось травление поверхности их шлифов 4 % раствором азотной кислоты в спирте. Используя микроскоп C.Zeiss Observer D1m получены фотографии, позволяющие судить о морфологии образца и о процессах кристаллизации металлического расплава при его охлаждении.

Представленная на рисунке 9 микрофотография шлифа металла, полученного после жидкофазного восстановления, свидетельствует о том, что данный металл характеризуется наличием большого количества пор и включений графита (?) и шлака размером около 100 мкм. После травления на поверхности шлифа образца (рисунок 10) выявлена микроструктура, соответствующая структуре доэвтектического (ледебурит + перлит) и заэвтектического (ледебурит + цементит) чугуна. Одновременное возникновение до- и заэвтектического чугуна в изученных образцах, вероятно, связано с неравновесностью процесса кристаллизации металлического расплава.

Рисунок 9 – Поверхность шлифа металлического включения после травления

Рисунок 10а – Эвтектический чугун, графит (темные пластинки) и неметаллические включения. Увеличение 200

Рисунок 10б – Эвтектический чугун, графит (темные пластинки) и неметаллические включения. Увеличение 350

Дата добавления: 2015-05-29