Магнитные свойства железа

Первая стадия восстановления оксидов железа отмечается переводом немагнитного гематита до магнетита с приобретением рудой магнитных свойств. Важность этого этапа обусловлена необходимостью получения сильномагнитного железа с последующей магнитной сепарацией в слабом магнитном поле.

Магнитные свойства намагничиваемых тел определяются движением внутри атомов электронов, формой кристаллической решетки, внешних механических напряжений и т.д. Магнитное поле возникает в результате движения электрических зарядов, следовательно, изменения электрического поля, свойства которой определяются величиной магнитного момента тока. Степень интенсивного намагничивания характеризуется намагничиванием, прямо пропорциональной магнитному моменту и обратно пропорциональной единице объема. Сложное движение электронов при вращении вокруг своей оси создает спиновые магнитные моменты, которые и являются носителями магнетизма.

Появление спонтанной намагниченности при температурах ниже точки Кюри характеризуется ферромагнетизмом. К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт, гадолий, диспрозий и их сплавы, некоторые сплавы марганца, серебра, алюминия и т.д. Свойства всех ферромагнетиков обуславливается их кристаллическим строением, гистерезисом, точкой Кюри и пр. Образование ферромагнетизма основано на существовании переходных элементов, обладающих нескомпенсированными спиновыми магнитными моментами, у которых не все внутренние оболочки полностью заполнены.

Согласно теории Б.Л. Розинга, намагничивание ферромагнетиков происходит за счет наличия внутренних сил. В работах П.Э. Вейса рассказывается об областях спонтанного намагничивания – доменах - образующихся в результате действия мощных внутримолекулярных полей, ориентирующих нескомпенсированные спины параллельно друг другу. По результатам работы Я.И. Френкеля и Я.Г. Дорфман видно, что образованию доменов способствует положительное значение интеграла обменной энергии при параллельности спиновых магнитных моментов. Между доменами располагаются стенки, что является их энергетически выгодным расположением, с образованием замкнутых магнитных цепей.

Намагничивание макрообъема ферромагнетика происходит за счет его перемещения в магнитное поле с последующим перераспределением в нем магнитных моментов доменов и возникновением его намагниченности в направлении действия внешнего поля напряженности. Степень намагничивания определяется в зависимости от препятствующих повороту магнитных моментов доменов по направлению поля напряженности сил [777].

Пирофорность металлического железа

После выдержки восстановленного железа внутри рабочего пространства вращающейся печи в течение заданного промежутка времени его выгружают в холодильник для охлаждения проточной водой. Такая процедура способствует предотвращению вторичного окисления материала. Это свойство характеризуется резким изменением скорости тепловыделения от незначительной до очень высокой, но конечной, которая сопровождается появлением пламени [888]. Оно является неблагоприятным, поскольку приводит к самовозгоранию железа и, следовательно, понижению степени металлизации продукта.

Вторичное окисление зависит от количества избыточной энергии массы металлического железа, которая определяется большой величиной поверхности его куском с высокой поверхностной энергией. Ее величина в целом связана с дисперсностью материала и его пористостью, т.е. чем ниже размер куска и выше число пор, тем сильнее материал склонен к самовозгоранию. На вторичное окисление также влияет и температура восстановления. Зависимость свободной энергии металлизованного железа от температуры восстановление прослеживается на рисунке.

В результате анализа данного графика видно, что при увеличении температуры восстановление оксидов железа углеродом наблюдается снижении поверхностной энергии кусков материала. Однако вместе с этим происходит увеличение температуры его самовоспламенения.

Одним из важных параметров, который также характеризует склонность металлического железа к окислению, является его реакционная способность. Установлено, что при увеличении температуры восстановления материала количество молекул кислорода, способных прореагировать с молекулами с железа, сокращается.  

Предотвращению вторичному окислению способствует горячее брикетирование железорудного сырья и его восстановление при температурах, выше 900. Брикетирование позволяет снизить общую пористость, тем самым уменьшив активную поверхность материала и значительно уменьшив его реакционную способность. Высокотемпературный нагрев также позволяет уменьшить удельную поверхность кусков металла, однако может привести к нежелательному спеканию частиц железа на внутренней поверхности вращающейся печи.

При охлаждении восстановленного железа водой в результате реакций коррозии образуются гидроксиды железа, которые не оказывают никаких защитных воздействий от дальнейшего процесса окисления материала. Увеличение температуры материала приведет к выделению водорода, который начнет гореть или образовывать взрывоопасные смеси. При этом увлажнение кусков материала способствует пропорциональному увеличению их реакционной способности. 

ГЛАВА II. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МЕТАЛЛИЗАЦИИ НА ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ