釩鈦燒結礦和普通燒結礦的礦物組成與礦相結構對比

石 泉 呂 慶 劉小杰 劉 頌 劉 馨

(華北理工大學冶金與能源學院，河北 唐山 063000)

近幾年，鋼鐵行業產能過剩，我國逐漸淘汰了大量產能落后的小高爐，也建成一批能耗較低的大型高爐。隨著高爐大型化，高爐對爐料的質量提出了更高的要求[1]。燒結礦的質量直接影響高爐冶煉的順行，因此對燒結礦冶金性能的要求更高。燒結生產過程反應復雜，同時發生固相反應和液相反應，這就導致燒結過程工藝參數多變量。在燒結生產中，料層高度、燃料比、燒結負壓是影響燒結礦質量的主要工藝參數[2]。燒結礦主要礦物組成為：磁鐵礦(Fe3O4)、赤鐵礦(Fe2O3)、鐵酸一鈣(CaO·Fe2O3)、鐵橄欖石(2FeO·SiO2)、鈣鐵橄欖石(CaOx·FeO2- x·SiO2，x=0.25～1.5)、鐵酸二鈣(2CaO·Fe2O3)，及玻璃質等，其還原性由大到小的順序為：赤鐵礦、磁鐵礦、鐵酸鈣、鈣鐵橄欖石和鐵橄欖石[3]。因為燒結礦中鐵酸一鈣的強度和還原性能都比較好，所以燒結過程中應大力促進鐵酸一鈣的生成；而玻璃質的強度最低，因此要減少玻璃質的生成；燒結礦顯微結構中磁鐵礦和赤鐵礦的顆粒大小、粘結相礦物組成、顯微結構的均勻性都會影響燒結礦的質量[4]。晶粒細小的磁鐵礦和赤鐵礦具有更好的還原性能，燒結礦的礦物與粘結相的礦物組成越簡單，微觀結構越均勻燒結礦的質量越好。因為燒結礦礦物組成較復雜時，在冷卻過程中會受到多種應力的作用而產生裂紋，導致燒結礦破碎，使其強度降低[5]。本文主要研究了釩鈦燒結礦和普通燒結礦的礦物組成與礦相結構，及其對燒結礦質量的影響，以期為進一步提高燒結礦的產質量，促進釩鈦磁鐵礦的燒結利用提供理論依據。

1 試驗原料與方案

1.1 試驗裝置

燒結試驗采用TSJ- 3型微型燒結機，礦相組成及結構分析采用蔡司偏光顯微鏡(Axioskop 40 Pol)。

1.2 試驗原料

普通精粉和釩鈦磁鐵精粉燒結原料的化學成分分別如表1和表2所示。

1.3 試驗方案

表1 普通精粉燒結試驗原料的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of raw materials for sintering of ordinary fine powder (mass fraction) %

表2 釩鈦磁鐵精粉燒結試驗原料的化學成分(質量分數)Table 2 Chemical composition of raw materials for sintering of V- Ti- magnetite powder (mass fraction) %

1.3.1 普通精粉燒結試驗方案

固定混合料的燃料配比為4.5%，改變燒結礦堿度分別為1.8、2.0、2.2。普通精粉燒結試驗方案如表3所示。

固定燒結礦堿度為2.0，燃料配比分別為4.0%、4.5%、5.0%。普通精粉燒結試驗方案如表4所示。普通燒結礦的理論化學成分如表5所示。

1.3.2 釩鈦磁鐵精礦粉燒結試驗方案

固定混合料的燃料配比為4.5%，燒結礦堿度分別為1.8、2.0、2.2。釩鈦磁鐵精礦粉燒結試驗方案如表6所示。

表3 普通精粉不同堿度燒結試驗方案Table 3 Test scheme for sintering of ordinary fine powder with different basicity

表4 普通精粉不同燃料配比燒結試驗方案Table 4 Test scheme for sintering of ordinary fine powder with different fuel ratio

表5 普通燒結礦的理論化學成分(質量分數)Table 5 Theoretical chemical composition of ordinary fine powder (mass fraction) %

表6 釩鈦磁鐵精礦粉不同堿度燒結試驗方案Table 6 Test scheme for sintering of V- Ti- magnetite powder with different basicity

固定燒結礦堿度為2.0，燃料配比分別為4.0%、4.5%、5.0%。釩鈦磁鐵精粉燒結試驗方案如表7所示。釩鈦磁鐵燒結礦的理論化學成分如表8所示。

表7 釩鈦磁鐵精礦粉不同燃料配比燒結試驗方案Table 7 Test scheme for sintering of V- Ti- magnetite powder with different fuel ratio

表8 釩鈦磁鐵燒結礦的理論化學成分(質量分數)Table 8 Theoretical chemical composition of V- Ti- magnetite powder (mass fraction) %

2 結果分析

燒結礦礦物組成包括金屬相和粘結相[6]。金屬相中磁鐵礦、赤鐵礦和鈣鈦礦是燒結礦的重要組成部分，它們的形態和數量對燒結礦的冶金性能有直接的影響。粘結相主要有鐵酸鹽和硅酸鹽兩大類，此外還有槍晶石等。粘結相一般占礦物體積總量的30%～45%，是在高溫條件下生成的液相冷卻凝結而成，粘結相的數量、礦物組成、形成機制和各項物理化學性質都對燒結礦的質量有重要影響。

為了深入研究釩鈦磁鐵燒結礦的粉化機制，對不同工藝參數條件下的金屬相和粘結相進行分析，并與普通燒結礦作比較。礦物組成及體積分數根據《金屬礦相學》礦相圖表確定。

2.1 不同堿度普通燒結礦和釩鈦磁鐵燒結礦的礦物組成

不同堿度條件下普通燒結礦和釩鈦磁鐵燒結礦的礦物組成及體積分數分別如表9和表10所示。由表可知，兩種燒結礦的金屬相中磁鐵礦、赤鐵礦與堿度的變化規律基本相同，即隨著堿度的增加磁鐵礦數量減少，赤鐵礦數量增加，且數值相當；兩種燒結礦的最大差別是釩鈦磁鐵燒結礦含有大量的鈣鈦礦，普通礦則沒有。

兩種燒結礦的粘結相中鐵酸鈣與堿度的變化規律基本相同，即隨著堿度的增加，鐵酸鈣含量升高，但普通燒結礦的鐵酸鈣含量遠高于釩鈦磁鐵燒結礦的；硅酸二鈣的含量隨著堿度的增加而減少，普通燒結礦中硅酸二鈣的含量較高；兩種燒結礦的硅灰石、玻璃質變化規律和含量基本相同。堿度為1.8時，釩鈦磁鐵燒結礦的鐵酸鈣含量比普通燒結礦低20%，硅酸二鈣低3%，兩項之和低23%；堿度為2.0時，釩鈦磁鐵燒結礦的鐵酸鈣含量比普通燒結礦低15%，硅酸二鈣低5%，兩項之和低20%；堿度為2.2時，釩鈦磁鐵燒結礦的鐵酸鈣數量比普通燒結礦低15%，硅酸二鈣低8%，兩項之和低23%。

表9 不同堿度條件下普通燒結礦礦物組成及體積分數Table 9 Mineralogical composition and volume fraction of ordinary fine powder with different basicity %

表10 不同堿度條件下釩鈦磁鐵燒結礦礦物組成及體積分數Table 10 Mineralogical composition and volume fraction of V- Ti- magnetite powder with different basicity %

綜上所述，在試驗范圍內，釩鈦磁鐵燒結礦的鐵酸鈣比普通燒結礦低15%～20%，粘結相數量低20%以上，且不隨堿度的變化而變化。此外，釩鈦磁鐵燒結礦中存在大量的鈣鈦礦，是釩鈦磁鐵燒結礦的最大特點[7]。

2.2 不同燃料配比普通燒結礦和釩鈦磁鐵燒結礦的礦物組成

不同燃料配比條件下，普通燒結礦和釩鈦磁鐵燒結礦的礦物組成及體積分數分別如表11和表12所示。由表可知，兩種燒結礦的金屬相中磁鐵礦、赤鐵礦與燃料配比的變化規律基本相同，即隨著燃料配比的增加，磁鐵礦數量升高，赤鐵礦數量減少，普通燒結礦的磁鐵礦數量高于釩鈦磁鐵燒結礦的，赤鐵礦的數量則低于釩鈦磁鐵燒結礦的；普通燒結礦不含有鈣鈦礦，釩鈦磁鐵燒結礦則含有大量的鈣鈦礦，且隨著燃料配比的提高含量不斷增加，最高為25%。在試驗范圍內，釩鈦磁鐵燒結礦的金屬相組成受燃料配比的影響更大；隨著燒結礦燃料配比的提高，兩種燒結礦中鐵酸鈣含量增加不明顯，硅酸二鈣含量減少，但粘結相總量變化不大。

表11 不同燃料配比條件下普通燒結礦的礦物組成及體積分數 Table 11 Mineralogical composition and volume fraction of ordinary fine powder with different fuel ratio %

表12 不同燃料配比條件下釩鈦磁鐵燒結礦的礦物組成及體積分數 Table 12 Mineralogical composition and volume fraction of V- Ti- magnetite powder with different fuel ratio

燃料配比為4.0%時，與普通燒結礦相比，釩鈦磁鐵燒結礦的鐵酸鈣含量少約15%，硅酸二鈣含量少10%，粘結相總量少約25%；燃料配比為4.5%時，鐵酸鈣含量少15%，硅酸二鈣少5%，粘結相總量少20%；燃料配比為5.0%時，鐵酸鈣含量少約10%，硅酸二鈣少6%，粘結相總量少約16%。

綜上所述，在試驗范圍內，釩鈦磁鐵燒結礦中鈣鈦礦含量在10%～25%，普通燒結礦則為零；釩鈦磁鐵燒結礦的鐵酸鈣含量比普通燒結礦低10%～15%，粘結相含量低16%～20%，且不隨堿度和燃料配比的變化而變化。

2.3 不同堿度普通燒結礦與釩鈦磁鐵燒結礦的礦相結構

堿度為1.8、燃料配比為4.5%時，普通燒結礦與釩鈦磁鐵燒結礦的礦相結構分別如圖1、圖2所示。由圖可知，普通燒結礦礦相主要呈交織熔蝕結構，粘結相以鐵酸鈣為主。釩鈦磁鐵燒結礦的鐵酸鈣含量較少，同時有鈣鈦礦出現，鈣鈦礦填充于磁鐵礦晶粒間與硅酸二鈣共同膠結磁鐵礦形成粒狀結構，并且有裂隙裂紋發育。

堿度為2.0、燃料配比為4.5%時，普通燒結礦與釩鈦磁鐵燒結礦的礦相結構分別如圖3(a)和圖3(b,c)所示。由圖可知，堿度升高，普通燒結礦的顯微結構仍以交織熔蝕結構為主。釩鈦磁鐵燒結礦的顯微結構既有交織熔蝕結構，又有粒狀結構。

圖1 堿度為1.8時普通燒結礦的礦相結構Fig.1 Microstructure of ordinary fine powder with basicity of 1.8

圖2 堿度為1.8時釩鈦磁鐵燒結礦的礦相結構Fig.2 Microstructure of V- Ti- magnetite powder with basicity of 1.8

圖3 堿度為2.0時(a)普通燒結礦和(b,c)釩鈦磁鐵燒結礦的礦相結構Fig.3 Microstructures of (a) ordinary fine powder and (b,c) V- Ti- magnetite powder with basicity of 2.0

堿度為2.2、燃料配比為4.5%時，普通燒結礦與釩鈦磁鐵燒結礦的礦相結構分別如圖4(a)和圖4(b,c)所示。由圖可見，普通燒結礦的礦相結構均勻，以交織熔蝕結構為主。隨著堿度的升高，礦相結構變化不大，粘結相以鐵酸鈣為主。釩鈦磁鐵燒結礦的礦相結構不均勻，說明局部反應不均勻，以骸晶狀結構、粒狀結構為主，局部呈交織熔蝕結構。

圖4 堿度為2.2時(a)普通燒結礦和(b,c)釩鈦磁鐵燒結礦的礦相結構Fig.4 Microstructures of (a) ordinary fine powder and (b,c) V- Ti- magnetite powder with basicity of 2.2

綜上所述，與普通燒結礦相比，釩鈦磁鐵燒結礦的顯微結構不均勻，氣孔率高約15%，鐵酸鈣含量少，同時含有鈣鈦礦；隨著堿度的升高，普通燒結礦的結構更加均勻，針狀鐵酸鈣含量增加；而釩鈦磁鐵燒結礦的鐵酸鈣含量也有所增加，但鈣鈦礦含量的增加更顯著[8]。因此，釩鈦磁鐵燒結礦的顯微結構不均勻、氣孔率高、鐵酸鈣含量少、鈣鈦礦含量高是其低溫還原粉化重要的原因。

2.4 不同燃料配比普通燒結礦與釩鈦磁鐵燒結礦的礦相結構

堿度為2.0、燃料配比為4.0%時，普通燒結礦與釩鈦磁鐵燒結礦的礦相結構分別如圖5(a)和圖5(b,c)所示。由圖可知，普通燒結礦的礦相結構較均勻，以交織熔蝕結構為主，局部為粒狀結構，氣孔率為15%～20%，氣孔分布較均勻，鐵酸鈣為主要的粘結相，分布不均勻，多呈板柱狀；釩鈦磁鐵燒結礦的礦相結構不均勻，以交織熔蝕結構為主，部分呈骸晶狀結構，局部為粒狀結構，氣孔率為35%～40%，鈣鈦礦多以它形晶、不定形存在于磁鐵礦晶粒間，部分呈樹枝狀集中分布。

圖5 燃料配比為4.0%時(a)普通燒結礦和(b,c)釩鈦磁鐵燒結礦的礦相結構Fig.5 Microstructures of (a) ordinary fine powder and (b,c) V- Ti- magnetite powder with fuel ratio of 4.0%

堿度為2.0、燃料配比為5.0%時，普通燒結礦與釩鈦磁鐵燒結礦的礦相結構分別如圖6(a)和圖6(b,c)所示。由圖可知，普通燒結礦的礦相結構均勻，以鐵酸鈣和硅酸二鈣共同與磁鐵礦膠結在一起形成的交織熔蝕結構為主，局部呈現礦化不均勻態，氣孔率為15%～20%；釩鈦磁鐵燒結礦的礦相結構不均勻，主要以骸晶狀結構與交織熔蝕結構為主， 局部為粒狀- 斑狀結構， 氣孔率為30%～35%，比普通燒結礦高出近1倍，鈣鈦礦主要呈樹枝狀分布于玻璃質中，少量呈不定形、它形晶填充于磁鐵礦晶粒間。

圖6 燃料配比為5.0%時(a)普通燒結礦和(b,c)釩鈦磁鐵燒結礦的礦相結構Fig.6 Microstructures of (a) ordinary fine powder and (b,c) V- Ti- magnetite powder with fuel ratio of 5.0%

綜上所述，堿度相同，改變燃料配比，普通燒結礦的顯微結構較均勻，氣孔率在20%左右；而釩鈦磁鐵燒結礦的礦相結構不均勻，氣孔率大，且含有鈣鈦礦，礦相結構中裂紋明顯比普通燒結礦中多。

3 結論

(1)從礦物組成分析，隨著堿度和燃料比的變化，相比普通燒結礦，釩鈦磁鐵燒結礦的鐵酸鈣含量較少，鈣鈦礦含量較高，這就導致釩鈦燒結礦的硬度較高，但斷裂韌性較差、容易破碎；并且相比普通燒結礦，釩鈦燒結礦的粘結相數量也較少，導致其更容易粉化。

(2)從礦相結構分析，普通燒結礦比釩鈦磁鐵燒結礦的結構更均勻、氣孔率也較低，且隨堿度和燃料比的增加變化不大。釩鈦燒結礦含有鈣鈦礦，導致其礦相結構中裂紋明顯比普通燒結礦多。