Способ определения симметрии твердых тел Советский патент 1992 года по МПК G01N33/20 C22B7/04 

со

С

Использование: исследование синтетических шлаков. Сущность: для определения коэффициента симметрии синтетических шлаков системы FeO-SiOa-CaO перед отбором пробы готовят смесь исходных компонентов в определенном массовом соотношении, затем смесь расплавляют в атмосфере защитного газа, отбирают пробу с последующим охлаждением с определенной скоростью, определяют габитус и дисперсность кристаллов магнетита известными методами, после чего к анапизируе- мой пробе добавляют определенное количество Cu2S и нагревают до заданной температуры. Смесь выдерживают в газовой атмосфере в течение периода времени, определяемого соотношением, с последующим охлаждением пробы и определением дисимметрии кристаллов магнетита.

Изобретение относится к исследованию материалов путем определения его физических свойств и может быть использовано в цветной металлургии при анализе шлаков с целью оптимизации технологических процессов за счет эффективной суперпозиции симметрии природной среды (симметрии перерабатываемого минерального сырья) и симметрии технологической среды (симметрии шлакового расплава) для наиболее полного извлечения полезных компонентов.

В связи с тем, что основу металлургических шлаков составляют искусственные минералы, имеющие природные структурно-химические аналоги, свойства шлаков изучают минералогическими методами.

Известен способ изучения минералогических объектов - морфометрический анализ минералов (Методы минералогических исследований под ред Гинзбурга А.И., М.

Недра, 1985, с.392), предполагающий отбор пробы и анализ электронно-микроскопического изображения объекта, позволяющий определить строение структурных элементов и выяснить условия образования минералов. Однако данный способ предназначен для изучения субиндивидов минерального вещества (частиц размером от п мкм до 0,2 нм), неустойчивых в условиях металлургических процессов. Это затрудняет извлечение информации и морфологии структурных элементов для определения симметрии группы сред, характеризующихся эффектами самоорганизации в условиях непрерывного внешнего тепло- или массо- обмена с образованием стационарных (дис- сипативных) структур. Примером подобных сред является система штейн-шлак-газовая фаза, эффекты самоорганизации которой детерминируют распределение химических

VI

5

I

элементов, поэтому возможность управления симметрией сред посредством изменения свойств г Оиаой фазы над расплавом имеет важнейшее технологическое значение.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ определения симметрии твердых тел, включающий отбор пробы и морфометриче- ский анализ структурных элементов (Юш- кин Н.П., Шафрановский И.И, Янулов К.П. Законы симметрии в минералогии. Л.: Наука, 1987, с. 159). Извести ый способ включает отбор пробы среды для изготовления шлифа и последующее его изучение методом оптической микроскопии, причем агрегатное состояние среды - твердое, В ассоциации минералов (кристаллов) данной минерале- образующей среды (по шлифу), исходя из кристаллохимических особенностей анализируемой среды, выбирают кристал. индикатор симметрии среды. Изучают габитус (облик) кристалла-индикатора, выясняют элементы симметрии габитуса и соотносят с одной из предельных точечных групп (П Кюри) симметрии среды, т.е. определяют симметрию среды. Однако известный способ не позволяет с достаточной точностью определить симметрию шпаковых сред, относящихся к средам иного агрегатного состояния (расплав) так как переход агрегатного состояния пробы шлака (расплав твердое) сопровождается ее дополнительным структурированием вне анализируемой среды.

Целью изобретения является повышение точности определения симметрии синтетических шлаков системы оксида железа (II) - оксид кремния (IV) - оксид кальция (II). Поставленная цель достигается тем, что в известном способе определения симметрии твердых тел, включающем отбор пробы и определение коэффициент дисси- метрии структурных элементов, перед отбором пробы готовят смесь исходных компонентов в соотношении оксид железа (II) к оксиду кремния (IV равном (2,30 - 2,35):1 (масс,), смесь расплавляют в атмосфере защитного газа, отбирают пробу с последующим охлаждением со скоростью 0,42 - 0,50 град/с, определяют габитус и дисперсность кристаллов магнетита известными методами, после чего к анализируемой пробе добавляют сульфид меди (I) при соотношении последнего к навеске пробы, равном (0,35 - 0,45): 1 (масс.) и нагревают до температуры выше температуры плавления исходной смеси, но ниже температуры плавления магнетита, выдерживают в газовой атмосфере при отношении парциального давления кислорода к парциальному давлению серы (0,42 -2,50) 10 в течение периода времени, определяемого из соотношения

г

Омакс Мр2

р 5i

макс

где т- период отбора пробы, с;

5минОмакс

N02 и N02 количество молей

кислорода в кристалле магнетика с минимальной ( бмин) и максимальной (3Макс) дис- персностью соответственно, моль;

р -проницаемость шлакового расплава для кислорода

20

, МОЛЬ 02 -,.

I ГГГТJ

см.с

с последующим охлаждением пробы со скоростью (0,42 - 0,50) град/с и определением коэффициента дисимметрии кристаллов

магнетита.

Сущностью заявленного способа является установленное авторами экспериментальным путем явление морфологического резонанса в шлаковом расплаве, заключающееся в повышении чувствительности габитуса кристаллов магнетита (индикаторов симметрии) к изменению физико-химических условий среды с одновременным подавлением роста кристаллов иного

структурно-химического типа,

Пример. Приготавливают смесь из навесок порошкообразных компонентов оксида железа (II) марки ч и оксида кремния (IV) марки чда при отношении FeO/Si02

2,33:1 в области составов гомогенных расплавов системы FeO - СаО - SI02 (см. диаграмму. A.Yazawa, Y.Takeda, Y.Waseda. Triermodynamic properties and structure of ferrite slags and their process implications.//

Canadian Metallurgical Quarterly, 1981, v.20, №2, p.130).

70 г - оксид желзза (II)

30 г - оксид кремния (IV).

Количество третьего компонента - оксида кальция (II) инвариантно определяется по указанной диаграмме системы FeO-CaO- Si02 (35г - оксид кальция (II) марки чда).

Полученную смесь помещают в алундо- вый тигель, предварительно прокаленный

ПРИ 900°С. Затем тигель устанавливают в герметический реактор лабораторной установки с проточной атмосферой для осуществления динамического метода установления равновесия в металлургической системе (см. С.В.Михайлов, И,Э.Махов. Исследование металлургической системы штейн-газовая фаза в условиях термодинамического равновесия при контролируемом серокислородном потенциале. //Сб. научных трудов Гинцветмета Эффективность внедрения автогенных процессов в производстве тяжелых цветных металлов, М, 1989, с.67-71).

Для получения расплава осуществляют нагрев смеси от 25°С до 1250°С в течение 2 ч в проточной атмосфере технического азота (расход 10 л/ч). Смесь выдерживают при 1250°св течение 1 ч. Пробу полученного расплава отбирают алундовой трубкой, обеспечивающей скорость охлаждения 0,50 град/с. Затем отделяют твердую пробу шлака для изготовления полированного шлифа по стандартной методике. Методом оптической микроскопии изучают полированный шлиф, определяют габитус кристаллов магнетита: кубический. С помощью линейного окуляра оптического микроскопа производят измерение дисперсности кристаллов магнетита: минимальная дисперсность - 3мин 20 мкм; максимальная дисперсность-(5Макс 100 мкм. Затем отбирают навеску пробы полученного шлака (1,55 г), навеску сульфида меди (I) марки ч (0,62 г) (соотношение тСи25/шлак 0,40:1).

Фазы (CuaS и пробу шлака) размещают в алундовом тигле по методике изучения равновесия штейн-шлак, исключающей образование мелкодисперсной взвеси (См. Зайцев В.Я., Цесарский B.C., Ванюков А.В, и др. Исследование процессов получения тяжелых цветных и благородных металлов, М. Металлургия, 1976 (Научные труды, МИ- СиС, сб. Мг91,с.17-28).

Для получения расплавов шлака и штейна (Cu2S) тигель устанавливают в герметический реактор лабораторной установки и нагревают от 25 до 1250°С в проточной атмосфере, состоящей из компонентов:

ангидрид сернистый технический - расход 9 л/ч;

( + N2) поверочная газовая смесь марки Б - расход 0,25 л/ч, обеспечивающей парциальные давления Ро2 4 Па и

Рзг 4 «102 Па над поверхностью расплава, при этом Рог/Рзг 10 . Полученные расплавы приводят в гетерогенный контакт по указанной методике. Состав газовой смеси контролируют методом газовой хроматографии,

Время выдержки ( т 12 ч) при данной температуре и расходе газовой смеси определяется из неравенства

ОминОмакс

N02. N02

Р 5

т

мин

Омин

где 5

4,7, моль;

- максс

N02 - 5,9 10 моль; 5МИн 2.

- макс

СМ;

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

р - 3,3 108 Ро /1/4 4,6,1010 моль/см.с

1,4 ч г 35,3 ч

(рассчитано по структурно-химической формуле магнетита для кристаллов кубического габитуса данной дисперсностью 5Мин и

Омакс).

При г 1,4 ч кристаллы магнетита в данном шлаковом расплаве обладают коррозионной устойчивостью, сохраняя перво- начальный габитус. При т 35,3 ч индикаторы симметрии (кристаллы магнетита) полностью растворяют в шлаковом расплаве и симметрию шлака определить невозможно.

Пробоотбор полученного шлакового расплава осуществляют через 12ч (согласно времени т) с помощью кварцевой трубки, предварительно промытой аргоном и обеспечивающей скорость охлаждения пробы 0,50 град/с, равную скорости охлаждения предыдущего пробоотбора для фиксации морфологии кристаллов магнетита при равных скоростях охлаждения. Твердую пробу шлака отделяют от кварцевой трубки и изготавливают полированый шлиф. С помощью оптического микроскопа обнаруживают в полированном шлифе кристаллы магнетита скелетного габитуса, измеряют линейным окуляром микроскопа радиус вписанной окружности в габитус (Нв 40 мкм) и радиус описанной окружности вокруг габитуса (Ro 1110 мкм). Определяют симметрию шлака через коэффициент дисимметрии кристалла магнетита, равный отношению радиуса вписанной окружности в габитус кристалла магнетита к радиусу описанной окружности вокруг габитуса кристалла магнетита

RB 40 мкм

Ki

0,36.

RO 110 мкм

Вывод:

Анализируемый шлак имеет низкую симметрию.

П р и м е р 2 (по прототипу). Осуществляют отбор пробы шлака медеплавильного производства аналогичного состава с помощью пробоотборника. Проводят закалку пробы на воздухе. Из отобранного материала изготавливают полированный шлиф, С помощью оптического микроскопа в полированном шлифе обнаруживают кристаллы магнетита кубического габитуса, производят измерение параметров кубичеКпро

1ТОТИП

ского габитуса (20x20 мкм). Вычисляют радиус вписанной окружности в габитус (Re 10 мкм) и радиус описанной окружности вокруг габитуса (Ro e 14 мкм). Определяют симметрию шлака через коэффициент ди- симметрии

RB 10 мкм Qy.) Ro 14 мкм При сопоставлении полученных значений коэффициентов дисимметрии кристал- лов магнетита (Ki 0,36; Кпрототип 0,71) очевидно, что симметрия шлака, определенная по способу-прототипу, имеет завышенное значение. Это обусловлено тем, что в способе-прототипе кристаллы магнетита образованы на стадии пробоотбора и вне системы штейн-шлак-газовая фаза, следовательно, габитус кристаллов магнетита имеет опосредованную связь С симметрией анализируемого шлака в отличие от предла- гаемого способа, согласно которому предварительно введенные в анализируемую пробу шлака кристаллы магнетита (индикаторы симметрии) изменяют свой габитус с системе штейн-шлак-газовая фаза

Формула изобретения Способ определения симметрии твердых тел, преимущественно синтетических шлаков, включающий отбор пробы и определение коэффициента дисимметрии струк- турных элементов известными методами отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения симметрии синтетических шлаков системы оксид железа (II) - оксид кремния (IV) - оксид каль- ция (II), перед отбором пробы готовят смесь

исходных компонентов в отношении оксид железа (II) к оксиду кремния (IV), равном (2,30 - 2,35):1, смесь расплавляют в атмосфере защитнбго газа, отбирают пробу с последующим охлаждением со скоростью 0,42 - 0,50 град/с, определяют габитус и дисперсность кристаллов магнетита известными методами, после чего к анализируемой пробе добавляют сульфид меди (I) при отношении последнего к навеске пробы равном (0,35 - 0,45): 1, и нагревают до температуры выше температуры плавления исходной смеси, но ниже температуры плавления магнетита, выдерживают в газовой атмосфере при отношении парциального давления кислорода к парциальному давлению серы (0,42-2,50) в течение периода времени, определяемого из соотношения

т

Омане No2

Р &.,

акс

где т- период отбора пробы, с,

5минОмакс

Noa и No2 количество молей

кислорода в кристалле магнетита с минимальной 5Мин и максимальной 5Макс дисперсностью, соответственно, моль;

р - проницаемость шлакового расплава

для кислорода,

моль 02 см с

1

с последующим охлаждением пробы со скоростью 0,42 - 0,50 град/с и определением коэффициента дисимметрии кристаллов магнетита.