Широкомасштабное вовлечение в металлургический передел карбонатного марганцевого сырья потребует изучения особенностей его термообработки и, в частности, явления саморазрушения кусковых карбонатных концентратов при обжиге. В ранних работах исходили из неизбежности этого процесса, а усилия были направлены на разработку технологических приемов окускования мелких продуктов термообработки, другими словами, устранялись не причины, а следствия саморазрушения материала.

В качестве альтернативы этому подходу наши исследования были направлены преимущественно на изучение механизма саморазрушения с целью выработки эффективных приемов и режимов тепловой обработки, подавляющих или ограничивающих это явление и способствующих сохранению кусковой природы термообработанных продуктов.

Декриптограммы (а) и хромотограммы газовой фазы (б) при нагреве образцов никопольских (/), большетокмакских (2), Покровских(3) карбонатных концентратов и гидратнокарбонатных концентратов «Оброчище» (4)

Нарушения сплошности микроструктуры в процессе обжига с образованием пор, трещин, разрывов и т. д. в равной степени присущи оксидному и карбонатному сырью и обусловлены генетическими особенностями его внутреннего строения и в первую очередь наличием гидратных компонентов. Так, исследование образцов кусковых концентратов из руд разных месторождений на установке термозвукового анализа (рис. 7.4, а) показало, что на температурный интервал 360—390 °С приходятся первые экстремумы на декриптограмме отечественных карбонатных концентратов и единственный экстремум на декриптограмме концентрата «Оброчище». Поскольку в газовой фазе по данным хроматографического анализа (рис. 7.4, б) диоксид углерода в этом интервале температур обнаружен не был, микровзрывы, приводящие к разрушению материала, не могут быть вызваны перестройкой структуры вследствие декарбонизации, а связаны только с процессами дегидратации сырья. Лишь последующие экстремумы на декриптограммах приходятся на интервалы температур 600—700 °С, т. е. на температуры протекания реакций декарбонизации.

Микроскопические исследования марганцеворудных материалов различных видов и типов выявили, что даже обладающие внешне монолитным плотным строением исходные нетермообработанные образцы уже содержат многочисленные разнонаправленные трещины генетического происхождения. К ним относятся нарушения сплошности, возникающие в горных массах осадочных пород в процессе их становления (так называемые трещины усадки), а также трещины, вызванные частичной релаксацией внутренних напряжений, в свою очередь
связанных с закаленным метастабильным состоянием рудного вещества и наличием примесей, деформирующих его субкристаллическую решетку.

Термообработка приводит к дальнейшему развитию трещин в исходных образцах как оксидного, так и карбонатного типа. Преимущественное растрескивание последнего дополнительно усиливается так называемой совершенной спайностью карбонатных кристаллов, т. е. способностью раскалываться или расщепляться по определенным кристаллографическим плоскостям, параллельным действительным или возможным граням. Причем это свойство кристаллических сред связано исключительно с их внутренним строением и не зависит от внешней формы кристаллов.

Дополнительные поры и трещины в образцах возникают при термообработке в интервале температур 100—800 °С, являясь следствием образования нестехиометрических нестойких соединений и интенсивного газовыделения. Об этом свидетельствуют образование и рост при повышении температуры трещины в образце большетокмакского карбонатного концентрата, нагреваемого в высокотемпературном микроскопе со скоростью 20 °С/мин в инертной среде. Температура зарождения трещины (620 °С) соответствует ранее установленному интервалу повсеместного микроразрыхления образцов вследствие дисперсного распада сложных твердых растворов с выделением и обособлением составляющих компонентов при слабом их начальном взаимодействии.

В то же время исследования показали, что при определенных режимах термообработки явление трещинообразования подавляется и даже наблюдаются процессы перехода микроразрыхлепных гигроскопических структур в плотные спеки с массивной монолитной структурой («захлопывание» трещин).

Представляет научный и практический интерес анализ явления разрушения марганцеворудных материалов при термообработке с учетом имеющихся представлений теории напряженно-деформированного состояния вещества. При этом в отличие от авторов работы, изучавших разрушение железорудного сырья в ходе восстановительно-тепловой обработки с позиций теории упругости, нами в расчетах использованы основные постулаты теории развитой пластической деформации как наиболее близкой к исследуемому явлению по физической сути.

Согласно данной теории, нарушения сплошности в виде субмикро- и микропор возникают уже при первых актах пластической деформации; с увеличением степени деформации микроразрушения умножаются по числу и увеличиваются по размеру с образованием микротрещин. Затем к моменту исчерпания материалами способности деформироваться лавинообразно возникают макротрещины и образец разрушается с разделением на отдельные части. Таким образом, завершение пластической деформации разрушением является итоговым актом возникновения и развития субмикро-, микро- и макроскопических дефектов в ходе пластической деформации.

Возможность и интенсивность разрушения определяется соотношением скоростей образования и «залечивания» микротрещин и связано с природой самого материала и термомеханическими параметрами протекания пластической деформации (температурой, скоростью деформации, видом напряженного состояния и др.).

Как показали каши расчеты и эксперименты, характеристики вероятности разрушения образца карбонатного сырья зависят от скорости его нагрева следующим образом:

таблица

Таким образом, численная оценка разрушаемое рудных образцов под действием структурных напряжений показывает наличие критической скорости нагрева (в данном случае ~ 15 °С/мин), сверх которой доля разрушенных образцов, пропорциональная функции вероятности разрушения, резко возрастает.

О необходимости выбора оптимального режима термообработки сырья и регламентации скоростей нагрева, по крайней мере в низкотемпературном интервале дегидратации сырья, свидетельствуют результаты лабораторных и полупромышленных опытов по обжигу ряда карбонатных концентратов в слое: плотном (муфельная печь),
пересыпающемся (вращающаяся печь) и фильтрующем (шахтная печь).

Так, помещение партий никопольских и большетокмакских карбонатных концентратов фракции 70—20 мм в предварительно нагретую до 900 °С муфельную печь приводило к образованию в продуктах обжига до 30 % мелких классов 10 — 0 мм, хотя «механическая» истираемость кусков при обжиге в плотном слое практически отсутствовала. Болгарские концентраты в этих условиях рассыпались практически нацело.

При обжиге опытной партии большетокмакских и карбонатных концентратов (масса 50 т, полупромышленная вращающаяся печь длиной 7,0 м, диаметр в свету 1,2 м, температура в рабочей зоне 850—900 °С, отходящих газов— 400—460 °С, материала на выходе — 720—820 °С) отмечены следующие изменения фракционного состава
материала:

таблица

Интенсивное растрескивание материала, приводящее к увеличению в продуктах обжига содержания мелких классов 10—0 мм практически вдвое, объясняется высокой скоростью нагрева кускового сырья (согласно расчету νНагр = 40…50 °С/мин).

В случае обжига опытных партий кусковых никопольских и карбонатных концентратов и гидратно-карбонатных концентратов «Оброчище» на огневом стенде с шахтной печью при температуре колошника печи 420—500 °С, а в слое материала в среднем 890—980 °С содержание мелких фракций 5—0 мм в продуктах обжига составила около 40 %.

Близость показателей разрушения кускового сырья разных видов при обработке в разных технологических агрегатах вне зависимости от степени механической истираемости материала указывает на необходимость разработки режима обжига, исключающего термические удары. Действительно, скорость нагрева концентратов как во вращающейся печи (температура противоточных отходящих газов 420—460 °С), так и на колошнике шахтной печи (420—500 °С) оказывалась сопоставимой и достаточно высокой.

Для отработки режима обжига, обеспечивающего сохранение кусковой природы материала, в соответствии с результатами вышепроведенных расчетов были выполнены опыты в муфельной печи ПМ-8, в ходе которых контейнеры с навесками концентратов массой 1,5 кг фракции 50—5 мм помещали в холодную печь и нагревали вместе с печью. Скорость нагрева образцов до 400 °С составляла 10 °С/мин, от 400 до 1000 °С — 15—18 °С/мин. С интервалом 100 °С отбирали пробу материала для определения содержания мелких фракций и степени разложения материала образцов. Результаты опытов приведены в табл. 7.8.

Показатели обжига кусковых концентратов в плотном слое с медленным нагревом до 400 °С

Таким образом, результаты опытов свидетельствуют о возможности сохранения кусковой природы марганцеворудных материалов при их термообработке с умеренными скоростями (до 10 °С/мин) в интервале интенсивной дегидратации и разрыхления материала (100—400 °С), что подтверждает результаты расчета вероятности разрушения сырья, выполненного по критериям теории пластической деформации.