Практична робота № 1
Вивчення твердофазних реакцій, що протікають при високотемпературному згрудкування тонкоподрібнений залізорудних матеріалів
У процесі термообробки шихти при виробництві агломерату і випалюванні окатишів значний розвиток отримують реакції між твердими компонентами оброблюваного матеріалу, які суттєво впливають на протікання процесів спікання і зміцнення.
Реакції між твердими реагентами сильно відрізняються від реакцій у розчинах і розплавах. Перша відмінність: природа первинного продукту реакції не залежить від співвідношення кількості реагуючих речовин. Так, при співвідношенні твердих реагентів СаО і SiO2 від 3:1 до 1:1, первинним продуктом реакції у всіх випадках буде 2СаО
Таблиця 1
Первинні продукти реакції між твердими фазами
Вивчення твердофазних реакцій, що протікають при високотемпературному згрудкування тонкоподрібнений залізорудних матеріалів
У процесі термообробки шихти при виробництві агломерату і випалюванні окатишів значний розвиток отримують реакції між твердими компонентами оброблюваного матеріалу, які суттєво впливають на протікання процесів спікання і зміцнення.
Реакції між твердими реагентами сильно відрізняються від реакцій у розчинах і розплавах. Перша відмінність: природа первинного продукту реакції не залежить від співвідношення кількості реагуючих речовин. Так, при співвідношенні твердих реагентів СаО і SiO2 від 3:1 до 1:1, первинним продуктом реакції у всіх випадках буде 2СаО
Таблиця 1
Первинні продукти реакції між твердими фазами
| Реагують тверді речовини | Молекулярні співвідношення в суміші | Первинний продукт реакції |
| СаО + SiO 2 | 3:1; 2:1; 3:2; 1:1 | 2СаО |
| МgО + SiO 2 | 2:1; 1:1 | 2МgО |
| СаО + А1 2 О 3 | 3:1; 5:3; 1:1; 1:2; 1:6 | СаО |
| МgО + А1 2 Оз | 1.1; 1:6 | МgО |
| СаО + Fе2Оз | 2:1; 1:1 | СаО |
| Fе 3 О 4 + SiO 2 | 2Fе 3 Про 4 +3 SiO 2 = ЗFе | 2FеО |
Першим продуктом твердофазної реакції, незалежно від вихідного співвідношення реагентів, є речовина з найменшою молярної теплотою плавлення і мінімальної поверхневою енергією (найчастіше це речовина з найбільш простим будовою решітки).
Друга відмінність твердофазних реакцій - вирішальним фактором перебігу реакцій є не хімічна спорідненість реагентів, а наявність безпосереднього контакту реагуючих речовин. При спіканні офлюсований шихти (котунів) ця особливість реакцій у твердій фазі призводить до того, що, незважаючи на більше хімічна спорідненість СаО і SiO2, ніж СаО і Fе2Оз, через малу їх кількості (СаО і SiO2), у твердій фазі утворюються головним чином ферити кальцію.
Важливою характеристикою процесів у твердій фазі є температура початку взаємодії реагентів (табл. 2).
Таблиця 2
Температура початку взаємодії між твердими компонентами
Серед компонентів окусковиваемих шихт є такі речовини, які зовсім не реагують між собою при скільки завгодно тривалої витримки. Наприклад, гематит Fе2Оз не реагує з кремнеземом, магнетит FезО4 не взаємодіє з вапном СаО.
Механізм і кінетика взаємодії твердих речовин надзвичайно складні.
Швидкість твердофазних реакції є функцією поверхневого натягу. Об'єднання двох частинок однакового розміру відбувається в тому випадку, якщо поверхнева енергія нової фази, що утворюється на межі розділу фаз, буде менше суми поверхневих енергій вихідних складових:
Об'єднання частинок протікає двоступеневої: 1) утворення містка продуктів реакції між частинками, 2) дифузія іонів через плівку продуктів реакції.
Освіта містків у твердому стані забезпечується за допомогою дифузії, іонів крізь кристалічну решітку (рис.1), яка може відбуватися тільки в тому випадку, якщо іони долають сили зв'язку в решітці і залишать вузли, в яких вони перебували при більш низьких температурах.
На межах зерен кристалів, де грати менш впорядкована, дифузія протікає з більшою швидкістю, ніж усередині кристала. Тому при низьких температурах переважають дифузія на поверхні і на межі розділу зерен.
Дрібні частинки мають велику поверхню, ніж великі, і мають більш значною дифузійної здатністю.
Відповідно до теорії Вагнера, про роздільне переміщенні, іонів і електронів через продукт реакції, стійке протягом твердофазної реакції можливе лише за наявності компактних шарів продуктів реакції, що поділяють вихідні речовини. Якщо дифузія іонів через плівку продуктів реакції утруднена, то реакція затухає.
У суміші СаО та SiO
За Тамманом процеси масообміну в твердому тілі, головним чином в оксидах, відбуваються з вимірної швидкістю тільки після досягнення температури, складовою 2 / 3 температури плавлення відповідного твердого тіла. Тому при низьких і помірних температурах твердофазні реакції протікають вкрай повільно.
Сумарна швидкість процесів у твердій фазі визначається не тільки властивостями шару (плівки) продуктів реакції, але і величиною поверхні зіткнення,
яка, у свою чергу залежить великою мірою від тонкощі подрібнення реагуючих речовин.
Практичні висновки з теорії твердофазних реакцій для процесів згрудкування
1. При згрудкування неофлюсованой шихти у твердій фазі йде освіта фаяліта. Якщо спікається (агломеріруется) гематитових шихта, то освіта фаяліта неможливо до тих пір, поки не відбудеться відновлення частини Fе2Оз до FезО4, тобто цієї реакції сприяє відновна атмосфера.
2. У офлюсований шихті найбільший розвиток одержує реакція між СаО і Fe2O3 (тобто нижче температура початку реакції, вище швидкість реакції, найбільше число контактів). Реакції сприяє окислювальна атмосфера, так як Fе3О4 не реагує з СаО при звичайному тиску.
3. Твердофазні реакції не визначають кінцеву структуру агломерату і не завжди визначають кінцеву структуру окатишів, тому що більша частина продуктів цих реакцій при плавленні дисоціюють на більш прості складові.
Контрольні питання
1. У чому полягає одна з відмінностей твердофазних реакцій, що стосується первинного продукту реакції? Як ця особливість впливає на процеси спікання при згрудкування залізорудних матеріалів? Які первинні продукти твердофазних реакцій характерні для згрудкування залізорудних матеріалів? Які особливості первинного продукту?
2. У чому полягає особливість твердофазних реакцій, пов'язана з поверхнею контакту реагуючих речовин, і як ця особливість впливає на склад продуктів реакції при спіканні різних шихт?
3. Які температури початку взаємодії реагентів при спіканні залізорудних матеріалів (і продукти)?
Який механізм твердофазних реакцій: 1) умова утворення нової фази, 2) ступені процесу; 3) типи дифузії.
4. Від чого залежить швидкість твердофазних реакцій?
5. Які практичні висновки з теорії твердофазних реакцій для процесів згрудкування?
Друга відмінність твердофазних реакцій - вирішальним фактором перебігу реакцій є не хімічна спорідненість реагентів, а наявність безпосереднього контакту реагуючих речовин. При спіканні офлюсований шихти (котунів) ця особливість реакцій у твердій фазі призводить до того, що, незважаючи на більше хімічна спорідненість СаО і SiO2, ніж СаО і Fе2Оз, через малу їх кількості (СаО і SiO2), у твердій фазі утворюються головним чином ферити кальцію.
Важливою характеристикою процесів у твердій фазі є температура початку взаємодії реагентів (табл. 2).
Таблиця 2
Температура початку взаємодії між твердими компонентами
| Реагуючі речовини | Твердий продукт реакції | Температура початку взаємодії, ° С |
| СаО + Fe2Оз | СаО | 500 - 650 |
| 2СаО + SiO 2 | 2СаО | 500 - 690 |
| SiO2 + Fe2Oз | обмежений тв. розчин | 575 |
| 2МgО + SiO2 | 2МgО | 680 |
| МgО + Fе 2 О 3 | МgО | 600 |
| Fе 3 О 4 + SiO 2 | 2FеО | 990 |
Механізм і кінетика взаємодії твердих речовин надзвичайно складні.
Швидкість твердофазних реакції є функцією поверхневого натягу. Об'єднання двох частинок однакового розміру відбувається в тому випадку, якщо поверхнева енергія нової фази, що утворюється на межі розділу фаз, буде менше суми поверхневих енергій вихідних складових:
| Рис. 1. Схема дифузії: 1-поверхнева дифузія; 2 - дифузія через грати; 4 - дифузія на кордонах зерен. |
На межах зерен кристалів, де грати менш впорядкована, дифузія протікає з більшою швидкістю, ніж усередині кристала. Тому при низьких температурах переважають дифузія на поверхні і на межі розділу зерен.
Дрібні частинки мають велику поверхню, ніж великі, і мають більш значною дифузійної здатністю.
Відповідно до теорії Вагнера, про роздільне переміщенні, іонів і електронів через продукт реакції, стійке протягом твердофазної реакції можливе лише за наявності компактних шарів продуктів реакції, що поділяють вихідні речовини. Якщо дифузія іонів через плівку продуктів реакції утруднена, то реакція затухає.
У суміші СаО та SiO
За Тамманом процеси масообміну в твердому тілі, головним чином в оксидах, відбуваються з вимірної швидкістю тільки після досягнення температури, складовою 2 / 3 температури плавлення відповідного твердого тіла. Тому при низьких і помірних температурах твердофазні реакції протікають вкрай повільно.
Сумарна швидкість процесів у твердій фазі визначається не тільки властивостями шару (плівки) продуктів реакції, але і величиною поверхні зіткнення,
яка, у свою чергу залежить великою мірою від тонкощі подрібнення реагуючих речовин.
Практичні висновки з теорії твердофазних реакцій для процесів згрудкування
1. При згрудкування неофлюсованой шихти у твердій фазі йде освіта фаяліта. Якщо спікається (агломеріруется) гематитових шихта, то освіта фаяліта неможливо до тих пір, поки не відбудеться відновлення частини Fе2Оз до FезО4, тобто цієї реакції сприяє відновна атмосфера.
2. У офлюсований шихті найбільший розвиток одержує реакція між СаО і Fe2O3 (тобто нижче температура початку реакції, вище швидкість реакції, найбільше число контактів). Реакції сприяє окислювальна атмосфера, так як Fе3О4 не реагує з СаО при звичайному тиску.
3. Твердофазні реакції не визначають кінцеву структуру агломерату і не завжди визначають кінцеву структуру окатишів, тому що більша частина продуктів цих реакцій при плавленні дисоціюють на більш прості складові.
Контрольні питання
1. У чому полягає одна з відмінностей твердофазних реакцій, що стосується первинного продукту реакції? Як ця особливість впливає на процеси спікання при згрудкування залізорудних матеріалів? Які первинні продукти твердофазних реакцій характерні для згрудкування залізорудних матеріалів? Які особливості первинного продукту?
2. У чому полягає особливість твердофазних реакцій, пов'язана з поверхнею контакту реагуючих речовин, і як ця особливість впливає на склад продуктів реакції при спіканні різних шихт?
3. Які температури початку взаємодії реагентів при спіканні залізорудних матеріалів (і продукти)?
Який механізм твердофазних реакцій: 1) умова утворення нової фази, 2) ступені процесу; 3) типи дифузії.
4. Від чого залежить швидкість твердофазних реакцій?
5. Які практичні висновки з теорії твердофазних реакцій для процесів згрудкування?