Сейсмические исследования показали, что материки погружены в окружающие породы на глубину 30—40 километров. Как видим, глыбы материков по мере своего роста медленно опускались в высоковязкую часть остывающего расплава. В тоже время легкотекучая часть, формируя потоки, продолжала пополнять верхние слои материков. Разделение жидкой массы на легкоплавкую и тугоплавкую означает, что одновременно с “выращиванием” материков циркуляция потоков обеспечивала фракционирование первичного сплава. В итоге под океаном расположились тяжелые кремниевые сплавы, давшие в дальнейшем жизнь базальтовым породам, а под сегодняшними осадочными слоями материков — более легкие, из которых затем образовался гранит. По той же причине месторождения бокситов, кальциевых и магниевых руд оказались в верхних слоях материков.
Проследим этот процесс на примере разделения сплава ФСА.
2.3.1. Разделение сплава ферросиликоалюминия (ФСА)
В экспериментальных исследованиях нам необходимо установить, в какой мере гравитационное и центробежное поля повлияли на распределение элементов в Земле. В идеальном варианте состав сплава ФСА должен соответствовать тому, что был в период кристаллизации Земли. Но поскольку полностью это условие выполнить невозможно, то мы возьмем для опытов сплавы, получаемые из углей.
Как известно, неорганическая часть энергетических углей состоит в основном из оксидов железа, алюминия и кремния с примесями малых элементов [100—102].
В настоящее время на отечественные ТЭС поступает уголь, неорганическая часть которого достигает 25-30 %. Между тем известно, что лишь 1—2 % неорганических соединений принадлежит непосредственно деревьям, сформировавшим угольные месторождения, а все остальное относится к наносным отложениям. Следовательно, 400—500 млн. лет назад, когда Землю покрывали тропические леса, большая часть ее поверхностных слоев состояла из кремнезема, глинозема и железняка.
Технология выплавки ФСА из углистых пород и отходов углеобогащения изложена в работах [103—106]. Требуемый уровень содержания Si и Al в сплаве достигается при температурах шихты в рудно-термических печах в пределах 1900—2500 °С. Количество углерода в шихте находится в пределах 25-35 %. Реакция восстановления сплавов из оксидов сопровождается выделением промежуточных газообразных продуктов, в частности, субоксидов алюминия и кремния. Большая часть этих субоксидов улавливается и возвращается вновь в цикл встречным потоком холодной шихты, поступающей в печь.
Выпускаемый в настоящее время для металлургических и машиностроительных предприятий стандартный ФСА содержит в своем составе, % масс.: 15—25 А1; 55—60 Si; 15—30 Ре. В сплаве имеются примеси Р, S, Са, Mg, Na, К и ряда других микроэлементов.
Разделение ФСА на отдельные элементы в центробежном поле изучалось на примере расслоения этого сплава во время грануляции. Грануляции подвергался сплав марки ФС55А25 (состав сплава, масс. %: 55 — Si; 22,5—27,5 — Al; 0,03 — S; 0,07 — P; 0,4 — Mn; 0,4 — Cr; остальное — Fe)*. Плотность сплава — 3,94 кг/дм3. Схема установки представлена на рис. 22 а.
При работе стенда расплавленный в индукционной печи сплав через штуцер А заливался в перфорированный стакан 2. При вращении вала 3 электродвигателем 4 капли сплава вылетали из перфораций стакана и подхватывались потоком инертного газа (или воды), поступающего в корпус 1 через тангенциальный штуцер В.
a)
Рис. 22.
а) Схема гранулятора
1 — корпус гранулятора; 2 — перфорированный стакан; 3 — вал; 4 — электродвигатель; штуцеры: А — подача расплавленного сплава; В — ввод инертного газа или воды; С — выход газа и гранулированного продукта.
b) Разрез гранулы
- — алюминий; 2 — кремний; 3 — железо.
Грануляция выполнена Научно-исследовательским институтом металлургии (НИИМ, г. Челябинск) в порядке сотрудничества с ИПМаш НАН Украины (г. Харьков).
Охлаждение и кристаллизация капель происходила во вращающемся потоке газа. Готовые гранулы выводились с газом через штуцер С.
Грануляция производилась при следующих параметрах: число оборотов вала — 1000—1400 об/мин; скорость ввода инертного газа в корпус гранулятора — 20-30 м/с; температура инертного газа — 18—20 °С. Размер гранул регулировался за счет изменения числа оборотов вала и скорости подачи газа в гранулятор. В зависимости от установленного режима получали или шаровидные гранулы диаметром 1—2 мм или веретенообразные того же диаметра в максимальном поперечном сечении, но длиной 4—5 мм.
На рис. 22 b дан разрез одной из гранул. Как видим, в центре шарика разместилось железо, над ним — кремний, а на поверхности — алюминий. Важно отметить, что при температуре плавления ФСА алюминий имеет плотность примерно 2,2 кг/дм3, кремний — 2,3 кг/дм3, а железо — 7,8 кг/дм3 [92-94].
Если придерживаться общепринятой теории декантации, то центробежные силы во вращающейся капле должны были бы отбросить тяжелое железо к периферии, в промежуточный слой оттеснить кремний, а в центре частицы оставить алюминий. Но разрез гранулы показывает, что элементы ведут себя “противозаконно”.
Хотя кристаллизация сплава ФСА длится доли секунды, все же этого времени, как мы видим, оказалось вполне достаточно для того, чтобы алюминий выделился на поверхности гранулы. Ситуация проясняется при сравнении температур кристаллизации элементов. Известно, что жидкое железо переходит в кристаллическое при температуре примерно 1539°С, кремний — 1415 °С, алюминий — 660 °С [92-94]. Следовательно, расслоение сплава ФСА произошло в строгом соответствии с температурами кристаллизации составляющих его элементов.
Назовем вновь открытый эффект центробежным разделением по температурам кристаллизации (ЦРТК). Надо отметить, что для проявления ЦРТК необходимо достаточно мощное силовое поле. Так, например, индукционный нагрев сплава ФСА в кварцевых трубках до температуры плавления, выдержка его некоторое время в жидком состоянии и последующая кристаллизация при естественном охлаждении не дали желаемого результата. Гравитационное поле сумело произвести лишь слабую ликвацию кристаллизующего сплава.
Как мы уже смогли убедиться ранее, крутящий момент жидкой Земли был довольно значительным. Это обстоятельство предопределило строение нашей планеты.
