Ферросферы. 
Минералогия техногенных образований

Высокожелезистые микросферы до сих пор не имеют устоявшегося общепринятого названия. Их именуют магнетитом, магнетитовыми шариками, магнитными шариками, магнитными микросферами, магнетитовыми микросферами (сокращенно ММ), «оплавленными шариками», «оплавленным магнетитовым гранулятом», а также ферросферами (рис. 4.3.5.1). Последний термин представляется наиболее точным. Ферросферы встречаются в составе зол-уноса практически повсеместно, их суммарное содержание намного превосходит концентрацию силикатных микросфср и может достигать 10 мае. %.

Появление капель высокожелезистых жидкостей и эволюция их фазового состава — процессы более сложные, чем те, в ходе которых возникают силикатные микросфсры. Плавление железосодержащих минеральных примесей в углях (прежде всего карбонатов, в меньшей мерс гидрослюд, хлоритов, пирита, марказита), а также гуматных соединений — только первый шаг в цепи термических преобразований. Вещество будущей микросферы, находясь в расплавленном состоянии, мгновенно реагирует на смену температуры и окислительно-восстановительных параметров среды. Отражением этого является широкая изменчивость морфологии, фазового и химического состава ММ.

В отличие от полых силикатных микросфер, основной объем ферросфер раскристаллизован. В их составе преобладают ферришпинелиды, ферриты Mg, Са и Мп, реже присутствуют гематит, маггемит, вюстит и пирротин. Особенность минеральных индивидов фсрросфер — закономерный характер их срастаний, представляющих собой агрегаты дендритных или скелетных кристаллов. Остаточные расплавы закаливаются в разнообразные стекла.

Рис. 4.3.5.1. Магнетитовые микрошарики под микроскопом (отражённый свет) (Кизильштейн и др., 1995)

О фазовом составе и внутреннем строении фсрросфер на сегодняшний день известно немного, отсутствует и согласованная концепция их формирования. Практическую ценность данного продукта определяет сферическая форма глобул, присутствие ферришпинелидов и морфологические особенности дендритных и скелетных сростков. Однако материалы на основе ферросфер прошли пока только опытное тестирование.

Потенциальные направления промышленного использования магнетитовых микросфер определяют их фазовый состав, сферическая форма и особенности внутренней морфологии. В общем случае они могут быть утилизированы как специфический железорудный концентрат, причем природно-легированный. Сферическая форма позволяет использовать магнитные шарики в качестве наполнителей разнообразных композиционных материалов. Фракция ММ потенциально может служить заменителем железных агломерационных руд в металлургических процессах получения чугуна и ферросплавов (Кизильштейн и др., 1995; Природа…, 2001).

Топкие исследования состава и морфологии индивидуальных фаз выполнены для ферросфер из зол-уноса канско-ачинских, кузнецких (Фоменко, 1998; Аншиц и др., 1999) и челябинских углей (Природа…, 2001). При написании обзора использована также информация (Кизильштейн и др., 1995; Ram et al., 1995; Vassilev, Vassileva, 1996).

Абсолютное большинство ММ имеют форму, близкую к идеальной сфере. Отклонение от этой формы, а также образование агрегатов, подобных силикатным сфероидам, наблюдается лишь в тех случаях, когда в составе глобул доминирует стекло, а магнитная фаза представляет собой лишь тонкую вкрапленность рудных минералов. Характер поверхности микросфер обусловливает морфология рудных минералов и их агрегатов, поскольку кристаллиты всегда возвышаются над стеклом. В случае присутствия крупных (10…25 мкм) индивидов ферришпинелидов поверхность микросфер приобретает отчетливый блочный характер (рис. 4.3.5.2). Очертания блоков определяют габитусные грани шпинелидов: для октаэдрических кристаллов — это треугольники, для кубических — квадраты, для кубооктаэдров — разнообразные правильные многоугольники. Скульптура граней дополнительно усложняет рельеф поверхности микросферы. Тонкие дендритные сростки шпинелидов формируют совершенно иной рисунок поверхности, где отдельные грани практически неразличимы (рис. 4.3.5.3). А. Г. Аншиц с соавторами (1999) на основании изучения нескольких серий ферросфер, извлеченных из зол ТЭЦ с различными режимами сжигания топлива, пришли к заключению, что рельеф поверхности микросфер и размер кристаллитов зависят от температуры обжига и длительности термического воздействия.

Механизм образования ферросфер. Л. Я. Кизильштейн с соавторами (1991; 1995) полагают, что на образование ММ мобилизуется практически все железо, находящееся в виде различных минеральных и органоминсральных соединений в составе углей. Взяв за основу реакции окисления пирита, они приходят к заключению, что при температуре выше 1000 °C в зольном материале возникают «магнетит-силикатные эвтектики сложного фазового состава». Продуктом обжига сидерита при Т = 700…900 °С назван вюстит, который при дальнейшем нагревании окисляется до магнетита и даже гематита. При этом допускается восстановление железа до самородного в случае прохождения частиц через ядсрную зону факела. Образование ферросфср рассматривается как следствие дробления расплава на мельчайшие капли, приобретающие в газовом потоке сферическую форму под действием сил поверхностного натяжения. Снижение температуры при перемещении магнетитовых микрошариков золы-уноса по газовому тракту ТЭС приводит к кристаллизации микросфер и образованию разнообразных твердых эвтектических композиций в соответствии с фазовым составом каждой капли (Кизильштсйн и др., 1995).

Рис. 4.3.5.2. Ферросфера из золы-уноса Южно-Уральской ГРЭС (Природа…, 2001)

Рис. 4.3.5.3. Тонко кристаллический дендрит железистых шпинелидов, выполняющий основной объем ферросферы. Зола-уноса Аргаяшской ТЭЦ (Природа…, 2001)

По мнению Э. В. Сокол с соавторами (2001), для зольного материала, перемещающегося в горячем газовом потоке, характерны значительные химические и фазовые неоднородности.