Морфология и микроструктура частиц железографитовых отходов металлургического производства

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2002 р. Вип. №12

УДК669.054,

Маслов В.А.1, Трофимова Л.А.2, Пустовалов Ю.П.3

МОРФОЛОГИЯ И МИКРОСТРУКТУРА ЧАСТИЦ ЖЕЛЕЗОГРАФИТОВЫХ ОТХОДОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

Исследована морфология и тонкая структура частиц дисперсных железогра-

фитовых отходов металлургического производства. Описано строение оксидных частиц, частиц металла и графита.

На современном этапе металлургическое производство характеризуется интенсивным образованием пылевидных отходов. К числу ценных его разновидностей относятся дисперсные железографитовые отходы (ЖГО). Дисперсные ЖГО представляют собой смесь частиц чугуна, оксвдов железа, графита и шлака [1].

Общепризнана связь между структурой и свойствами различных материалов. Не явля-кжя исключением и дисперсные ЖГО. Как показали исследования [2, 3, 4, 5], микроструктура дисперсных ЖГО является отражением характеристик процессов, протекание которых привода к их образованию. С другой стороны, морфология ЖГО определяет их поведение при различных видах обработки. Поэтому представляет большой теоретический и практический интерес изучение структуры частиц дисперсных ЖГО с целью прогнозирования поведения их в условиях различных обработок для перспектив их использования.

Для исследования были выбраны образцы дисперсных ЖГО миксерного отделения, отделения десульфурации и отделения скачивания шлака ОАО МК «Азовсталь», содержащие от 4% до 8 5 % С.

Исследования проводили с помощью оптического микроскопа МИМ-8М и растровых электронных микроскопов «Комибакс» с рентгеновским анализатором и ДЖЕМ-7А.

На рисунке 1а приведены, соответственно, микрофотографии частиц проб пыли миксерного отделения и отделения десульфурации. Как видно, частицы состоят из графита, оксида железа, железа и шлаков. Так как оксиды железа содержат 50 - 70 % магнетита, то дисперсные ЖГО обладают довольно высокими магнитными свойствами [2].

Основной морфологической характеристикой порошка является форма составляющих его частиц, зависящая от условий их формирования и определяющая поведение массы во всех последующих технологических операциях. Для чисто металлических частиц с поверхностной оксвдной пленкой характерна сферическая форма. Как правило, они плотные, беспористые. В состав ЖГО также входят частицы оксидов имеющие неправильную форму с развитой внутренней поверхностью. Некоторые частицы представляют собой плотно спаянные конгломераты графита и оксида. Микроструктура частиц металла после травления 4% спиртовым раствором НЫО, представляет собой карбидные пластины с колониями ледебурита. Это объясняется большими скоростями охлаждения металлических частиц в потоке захватившего их газа.

Анализ формы графитовых частиц, показал, что они имеют чешуйчатое строение (рис. 1 б). Для их характеристики предложен параметр - коэффициент пластинчатости, К, представляющий собой отношение максимальной длины частицы к ее толщине.

В результате исследований графитных частиц с помощью оптического микроскопа было найдено, что для каждой фракции имеется определенный диапазон длин и толщин частиц. Так, для фракции (-016+010 мм) длина частиц находится в пределах от 0,1 до 0,34 мм; для фракции (-0,05 мм) - в пределах от 0,010 до 0,075 мм. Толщина частиц дисперсностью менее 0,16 мм находятся в пределах от 3 до 24 мкм.

'Ш ГУ, д-р техн. наук, проф. 2ПГТУ, ассистент 3ПГГУ, соискатель

а

Рис. 1 - Растровые электронные снимки исходных дисперсных ЖГО

Для различных фракций толщины частиц графита распределяется следующим образом:

-0,063+0,050

Фракция, мм Толщина частиц графита, мкм

-0,16+0,10 -0,10+0,063 -0,063+0,050 Менее 0,05

4-24 4-16 3-14 3-6

Дифференциальный анализ приведенных данных показал (рис. 2), что для всех фракций, кроме -0,05 мм, распределение частиц по толщинам имеет экстремальный характер. Обнаружено, что экстремум с уменьшением дисперсности смещается в область меньших толщин. Для фракции (-6,16+0,10 мм) максимум приходится на толщину 8 мкм и составляет около 30 % всех частиц. Для фракции (-0,063+0,050 мм) максимум приходится на толщину 6 мкм и составляет 45 %. Фракция (-0,05 мм) не имеет экстремума.

дЛ исследуемого материала коэффициент пластинчатости изменяется в пределах 24,8 - 16,3. С уменьшением дисперсности величина К монотонно уменьшается. Частицы графита - пластинчатые, удлиненной формы, толщиной от 5 до 60 мкм; сни имеют характерный блеск и слоистое строение (рис.3). В подавляющем большинстве частиц графита имеются вкрапления оксидов железа . Наблюдаются также агрегаты, состоящие из пластин графита с захваченными частицами металла и оксидов (рис.3).

Металлографический анализ показывает, что ЖГО состоят из собственно плавильной пыли, включающей оксиды и металлическое железо, а также пластин графита. Пластины гра-

4 8 12 16 20 Тожздна истиц, пн

Рис.2 - Распределение частиц графита по толщине

фита, в основном, составляют комбинации с захваченными частицами оксидов железа и металлического железа, или содержат эти составляющие в своем объеме. Это обусловливают определенные магнитные свойства ЖГО.

Рис. 3 - Микроструктура частиц графита с внедренными оксидами железа

Увеличение структуры до 2000 на растровом электронном микроскопе позволяет более детально рассмотреть поверхность графитовой пластины. Она усеяна включениями оксидов железа, имеющими форму близкую к сферической (рис.4 а). Графит выступает как подложка, при этом видна его сложная рельефная поверхность. Отчетливо видно, что размер оксидных сферических частиц различный, однако имеются и другие структуры, представленные на рис. 4(6). Частица имеет плотную шаровую оболочку диаметром 160 - 170 мкм, с толщиной стенки 1-2 мкм. Снаружи эта оболочка напоминает структуру "апельсиновой кожуры". Изнутри видны шарообразные частицы диаметром от 2 до 10 мкм. На внешней поверхности расположены включения диаметром 2-7 мкм.

д

На рис. 1 а, б представлены растровые электронные снимки частиц образцов ЖГО с содержанием углерода 4,6 % и 82,9 % . В первом случае поверхность графитовой пластины практически полностью покрыта оксидными включениями. Встречаются отдельные крупные частицы со средним диаметром от 15 до 25 мкм, основную же часть составляют мелкие частицы диаметром от 1 до 10 мкм. В центре снимка видна крупная расколотая частица диаметром около 40 мкм. Эта частица содержит в себе более мелкие сферические образования.

Исследования, проведенные с помощью просвечивающего микроскопа ДЖЕМ-7А при увеличении 40000, позволили установить некоторые микроморфологические характеристики графитовой частицы (рис. 4 в). На рисунке видно, что она состоит из плоских графитовых пла-сшн, в ее теле просматриваются одиночные сферические образования. Диаметр этих оксидных часшц составляют 20-100 нм. Все они прочно соединены с графитом.

Во втором случае, рис.4 г видны сферические частицы оксидов железа, как бы, впаян-нье в тело графита. В третьем случае (рис. 4 д) видна частица оксида железа, присоединенная к поверхности графита. Но на поверхности большой частицы оксида железа видны «приклеенные» значительно более мелкие частицы оксидов. Все это в конечном итоге связано с переливами чугуна и его барботажем во время протекания этого процесса.

Выводы

Исследование морфологии и микроструктуры дисперсных ЖГО показало, что они представляют собой сложные образования, включающие частицы графита. Их поверхность в большей или меньшей степени покрыта включениями оксидов и частицами металла. Такое строение определяет наличие у дисперсных ЖГО существенных магнитных свойств, что может бьпь использовано для производства новых видов материалов.

Перечень ссылок

1 Магнитный композиционный материал из отходов производства/В. А.Маслов, ЕА.Капустин, Т.Ф.Маслова и др.//Порошковые магнитные материалы. - К: 1987. - С.29-33.

2. Маслов В.А., Трофимова Л.А. Магнитные свойства железографитовых отходов металлургического производства в зависимости от различных параметров // Вюник Приазов. держ. тех. ун-ту: 36. наук. пр. - Мар1уполь, 2000 . - Вип. № 9. - С. 37 - 39.

3. Маслов В А.. Мирошникова Е.М. Влияние магнетизирующего обжига на свойства магнитного графита // Порошковые магнитные материалы / ИПМ АН УССР. - К: 1990. - С. 10 - 14.

4. Маслов В.А., Трофимова Л.А., Пустовалов Ю.П. Магнетизирующий обжиг железографитовых отходов в плотном движущемся слое // Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб. науч. тр. - Мариуполь, 1999. - Вып. № 8. - С. 29-31.

5. Маслов В.А., Южаков Б.А. Нетрадиционные методы переработки и использования дисперсных железографитовых отходов металлургии // Вюник Приазов. держ. техн. ун-ту: 36. наук. пр. - Мар1уполь, 2000. - Вип. №10. - С.285-288.

Маслов Владимир Александрович. Д-р техн. наук, проф. Зав. кафедрой теплофизики и теплоэнергетики металлургического производства, окончил Ждановский металлургический институт в 1970 году. Основные направления научных исследований - исследование и разработки технологий по переработке ЖГО металлургического производства.

Трофимова Лариса Алексеевна. Ассистент кафедры литейного производства черных и цветных металлов, окончила Ждановский металлургический институт в 1984 г. Основные направ-ления научных исследований - разработка технологий магнетизирующего обжига ЖГО в плот-нэм движущемся слое.

Пустовалов Ю.П. Соискатель, окончил Донецкий государственный университет в 1986 году. Основные направления научных исследований - разработка технологии получения термически расширенного графита из ЖГО металлургического производства.

Статья поступила 15.02.2002