燒結(jié)礦的礦物組成和氣孔特征對(duì)黏結(jié)相強(qiáng)度的影響*

張文興 黃苑齡 張周位

(1.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)中心實(shí)驗(yàn)室；2.貴州省貴金屬礦產(chǎn)資源綜合利用工程技術(shù)研究中心)

燒結(jié)礦是由黏結(jié)相和鐵礦物相組成的人造塊礦，占爐料結(jié)構(gòu)的80%左右，作為高爐煉鐵的主要原料，其質(zhì)量對(duì)高爐冶煉有重要影響。在燒結(jié)過程中，燒結(jié)原料中的不同礦物通過固相反應(yīng)生成低熔點(diǎn)化合物，在高溫條件下形成液相，液相在冷卻過程中生成的黏結(jié)相對(duì)其周圍的核礦石進(jìn)行有效固結(jié)的能力，這對(duì)燒結(jié)礦固結(jié)強(qiáng)度有著非常重要的影響。

燒結(jié)過程中，黏結(jié)相的生成與鐵礦粉種類、燒結(jié)溫度、熔劑結(jié)構(gòu)和燒結(jié)礦的冷卻過程等因素有關(guān)。隨著鐵礦粉品種的增加，資源劣質(zhì)化明顯，燒結(jié)用礦結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其中燒結(jié)過程形成的黏結(jié)相的礦物組成和氣孔特征對(duì)其強(qiáng)度有著重要的作用。

鐵礦粉燒結(jié)基礎(chǔ)特性理論[1-2]的提出，已被廣泛的認(rèn)可，煉鐵工作者關(guān)注鐵礦粉的同化性、液相流動(dòng)性、鐵酸鈣生成特性、吸液性、制孔性以及固結(jié)性等特性[3-9]，并將其用于燒結(jié)料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，得到了很好的效果[10-13]。根據(jù)前人研究工作可知，黏結(jié)相的強(qiáng)度決定了燒結(jié)礦的強(qiáng)度，而黏結(jié)相的特性并未研究清楚，目前黏結(jié)相的礦物組成和氣孔特征對(duì)其強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)性認(rèn)知不足，沒有形成結(jié)論，故有必要深入研究黏結(jié)相的礦物組成和氣孔特征對(duì)其強(qiáng)度的影響規(guī)律。為此，通過對(duì)幾種典型鐵礦石形成黏結(jié)相的礦物組成及氣孔特征的研究，明確鐵酸鈣含量、氣孔率、氣孔分布對(duì)黏結(jié)相強(qiáng)度的影響，為評(píng)價(jià)各鐵礦的成礦性能和指導(dǎo)配礦提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)研究

1.1 原 料

選取5種典型鐵礦石進(jìn)行研究，分別為澳洲褐鐵礦OA，澳洲半褐鐵礦OB，澳洲赤鐵礦OC，巴西南部赤鐵礦OD，巴西北部赤鐵礦OE，其化學(xué)成分見表1。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 黏結(jié)相礦物特性

首先，將考察的5種單種鐵礦粉磨細(xì)至 -0.15mm，然后配入9.6%的CaO純?cè)噭┎⑵涑浞只旌希?5MPa壓力下壓制成尺寸為φ8mm×5mm的小餅試樣。將小餅試樣放置在惰性合金墊片上，放置在微型燒結(jié)裝置中進(jìn)行燒結(jié)，微型燒結(jié)裝置及爐體結(jié)構(gòu)示意見圖1，燒結(jié)溫度及氣氛制度見圖2，燒結(jié)最高溫度為1 280 ℃。待燒結(jié)完成后，將小餅試樣從合金墊片表面掰除，將其鑲嵌于環(huán)氧樹脂膠中，進(jìn)行切樣、細(xì)磨、拋光，得到小餅試樣的光片，在反光顯微鏡下觀察結(jié)晶形態(tài)，并采用“數(shù)點(diǎn)法”確定其礦物組成。

圖1 微型燒結(jié)裝置及爐體結(jié)構(gòu)示意

1.2.2 黏結(jié)相氣孔特征

礦物特性研究完成后，將小餅試樣光片表面噴碳，在掃描電鏡下觀察，拍照，并用圖片處理軟件進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算截面上的氣孔量、氣孔組成、氣孔分布等特征，并分別以氣孔面積占試樣面積的比例表征氣孔率，以孔徑相近的氣孔中心點(diǎn)之間的平均距離表示其分布情況。對(duì)于燒結(jié)得到的小餅試樣，該研究采用壓潰法測(cè)定其黏結(jié)相強(qiáng)度。

圖2 微型燒結(jié)溫度及氣氛制度

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 黏結(jié)相微觀形貌及礦物組成

采用微型燒結(jié)法及礦相顯微分析法研究鐵礦粉的黏結(jié)相礦物特性。采用“數(shù)點(diǎn)法”對(duì)5種鐵礦粉小餅燒結(jié)試樣的礦物組成進(jìn)行測(cè)定，微觀形貌見圖3，各組試樣中礦物組成及其比例見圖3。

圖3 燒結(jié)試樣中(磁)赤鐵礦和鐵酸鈣共晶的典型結(jié)構(gòu)

根據(jù)以往的研究[14]，鐵酸鈣等物相形態(tài)和分布等會(huì)對(duì)黏結(jié)相強(qiáng)度產(chǎn)生影響。通常情況下，針狀鐵酸鈣的強(qiáng)度高于柱狀以及片狀，大片連晶的赤鐵礦強(qiáng)度高于骸晶狀赤鐵礦等。由圖3可知，澳洲褐鐵礦OA燒結(jié)試樣以磁鐵礦和鐵酸鈣為主，鐵酸鈣呈基質(zhì)狀或板片狀分布；澳洲半褐鐵礦OB燒結(jié)試樣以赤鐵礦和鐵酸鈣為主，鐵酸鈣呈細(xì)針狀交織或基質(zhì)狀分布。澳洲赤鐵礦OC燒結(jié)試樣以磁鐵礦和鐵酸鈣為主，鐵酸鈣呈板片狀或片狀分布；巴西南部赤鐵礦OD燒結(jié)試樣以鐵酸鈣和赤鐵礦為主，鐵酸鈣呈針狀交織態(tài)；巴西北部赤鐵礦OE燒結(jié)試樣以鐵酸鈣和赤鐵礦為主，鐵酸鈣呈板片狀交織或片狀結(jié)構(gòu)。由此可推測(cè)，赤鐵礦的強(qiáng)度會(huì)高于褐鐵礦。

由圖4可見，在固定CaO配量的條件下，褐鐵礦OA和半褐鐵礦OB的鐵酸鈣生成能力較強(qiáng)，鐵酸鈣含量均達(dá)到了70%以上；巴西赤鐵礦OE的鐵酸鈣生成量也較高，在73%水平；澳洲赤鐵礦OC的鐵酸鈣生成量在60%水平，巴西赤鐵礦OD的鐵酸鈣生成量則相對(duì)較低，在50%水平。有研究表明[14-16]，鐵礦石的同化能力強(qiáng)、Al2O3/SiO2處于適宜范圍、料層氧位高且采用低溫?zé)Y(jié)均有利于鐵酸鈣生成。對(duì)于褐鐵礦和半褐鐵礦而言，其同化性較高，適合低溫?zé)Y(jié)，故其鐵酸鈣含量較高；對(duì)于赤鐵礦OD，由于其結(jié)構(gòu)致密，難于與CaO反應(yīng)同化，且其Al2O3/SiO2僅為0.16，故其鐵酸鈣含量相對(duì)最低。對(duì)于赤鐵礦OE，其最低同化溫度低于最高燒結(jié)溫度，且“高鐵低硅”特點(diǎn)也為鐵酸鈣的形成創(chuàng)造了有利條件，故其鐵酸鈣生成量相對(duì)最高。

圖4 鐵礦粉燒結(jié)試樣的礦物組成比較

2.2 黏結(jié)相氣孔特征

對(duì)燒結(jié)試樣進(jìn)行處理，通過掃描電鏡觀察，鐵礦粉黏結(jié)相橫截面SEM圖像見圖5。

圖5 鐵礦粉黏結(jié)相橫截面SEM圖像

由圖5可見，褐鐵礦OA燒結(jié)試樣中，氣孔多呈現(xiàn)近似圓形，其不規(guī)則度較低，大孔分布集中；半褐鐵礦OB和赤鐵礦OC的燒結(jié)試樣中，氣孔形狀較不規(guī)則，氣孔呈樹枝狀且氣孔較為分散；巴西赤鐵礦OD小氣孔較多且氣孔多呈圓形；巴西赤鐵礦OE的燒結(jié)試樣中，小氣孔較多、氣孔多呈圓形且大孔較為分散。總體上，不同燒結(jié)試樣的氣孔特性差異非常明顯。

通過圖片處理軟件，采用“數(shù)點(diǎn)法”，按照氣孔徑+400μm、200～400μm，100～200μm、50～ 100μm，-50μm將其分為大氣孔、較大氣孔、中氣孔、較小氣孔、微氣孔，得到如圖6所示的氣孔組成。

由圖6可知，褐鐵礦OA燒結(jié)試樣中，孔徑為 +400μm、200～400μm的大氣孔和較大氣孔的氣孔率分別約占其總氣孔率的40%和30%；半褐鐵礦OB燒結(jié)試樣的200～400μm較大氣孔和100～200μm中氣孔的氣孔率分別占約40%和30%，其+400μm大氣孔率不足10%；赤鐵礦燒結(jié)試樣中，OC和OE燒結(jié)試樣的氣孔組成相近，其+400μm的大氣孔率均達(dá)到了50%，孔徑為200～400μm的較大氣孔的氣孔率達(dá)到了約30%；OD燒結(jié)試樣中孔徑+400μm、200～400μm和100～200μm氣孔所占比例依次約為40%、20%和20%。總體上，其他燒結(jié)礦除了OB礦的大氣孔率都高，原因可能是結(jié)晶水的分解或液相流動(dòng)性大，還需進(jìn)一步研究。

圖6 鐵礦粉燒結(jié)試樣中不同孔徑的氣孔組成比較

通過圖片處理軟件得到圖7所示的氣孔分布。

圖7 鐵礦粉黏結(jié)相中相鄰大氣孔的基質(zhì)厚度示意

由圖7可見，褐鐵礦OA和半褐鐵礦OB燒結(jié)試樣中氣孔分布較集中，黏結(jié)相壁薄；赤鐵礦特別是巴西赤鐵礦燒結(jié)試樣中黏結(jié)相壁厚高于褐鐵礦和半褐鐵礦。赤鐵礦OD雖然其黏結(jié)相壁厚較高，但由于礦相結(jié)構(gòu)中有原生赤鐵礦晶粒不均勻夾雜在鐵酸鈣晶粒之間，當(dāng)其受到?jīng)_擊時(shí)，可能在夾雜晶粒界面處產(chǎn)生集中應(yīng)力導(dǎo)致破碎。

3 結(jié)果分析

3.1 鐵礦粉燒結(jié)試樣中鐵酸鈣含量和黏結(jié)相強(qiáng)度的關(guān)系

將燒結(jié)試樣用壓潰法分別測(cè)其黏結(jié)相強(qiáng)度，與鐵酸鈣含量之間的關(guān)系見圖8。

圖8 鐵礦粉燒結(jié)試樣的鐵酸鈣含量和黏結(jié)相強(qiáng)度比較

由圖8可見，3種赤鐵礦中黏結(jié)相自身強(qiáng)度與鐵酸鈣生成量呈現(xiàn)良好的正相關(guān)性；對(duì)于褐鐵礦和半褐鐵礦，雖然其鐵酸鈣生成能力較強(qiáng)，但其黏結(jié)相自身強(qiáng)度仍處于較低水平。事實(shí)上，黏結(jié)相在碰撞、沖擊作用下產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，應(yīng)力沿孔洞和礦物釋放，當(dāng)?shù)V物基質(zhì)強(qiáng)度低、孔洞過于集中，黏結(jié)相在應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致黏結(jié)相破損。由此分析可知，對(duì)于褐鐵礦和半褐鐵礦黏結(jié)相，雖然其高強(qiáng)度的基質(zhì)礦物鐵酸鈣較多，但由于同化性較高，SiO2和Al2O3等脈石礦物熔解進(jìn)入液相，推測(cè)其液相黏度較高，則氣泡在液相中逸除、合并的能力較差，黏結(jié)相中氣孔結(jié)構(gòu)特性不佳，可能導(dǎo)致黏結(jié)相自身強(qiáng)度的降低。

3.2 鐵礦粉燒結(jié)試樣的總孔率和黏結(jié)相強(qiáng)度的關(guān)系

可用圖片處理軟件、氣體吸附法、壓汞法測(cè)其氣孔率，該試驗(yàn)用圖片處理軟件測(cè)得氣孔率見圖9。

圖9 鐵礦粉燒結(jié)試樣的總孔率和黏結(jié)相強(qiáng)度比較

由圖9可見，赤鐵礦黏結(jié)相的總氣孔率較高，處于40%水平。相比而言，褐鐵礦和半褐鐵礦的總氣孔率較低，在25%水平。但總氣孔率較大者，黏結(jié)相自身強(qiáng)度仍然較高，這主要與應(yīng)力和氣孔分布有關(guān)。應(yīng)力通常沿氣孔邊緣及強(qiáng)度較低的區(qū)域釋放，故氣孔邊緣多為應(yīng)力集中區(qū)域；大氣孔越多則應(yīng)力集中區(qū)域愈多，越容易產(chǎn)生裂紋而影響?zhàn)そY(jié)相強(qiáng)度，即赤鐵礦雖然總氣孔率較高，但大氣孔分布較為分散和較少，所以其黏結(jié)相自身強(qiáng)度仍然較高。

3.3 黏結(jié)相氣孔分布與黏結(jié)相自身強(qiáng)度的關(guān)系

通過圖片處理軟件得到如圖10所示的大氣孔分布與黏結(jié)相自身強(qiáng)度的關(guān)系。

由圖10可見，孔徑為+400μm的大氣孔分布對(duì)黏結(jié)相自身強(qiáng)度的影響較為顯著，兩者呈現(xiàn)一定的正相關(guān)性。由此可知，大氣孔分布越均勻，黏結(jié)相壁越厚，越有利于緩解應(yīng)力集中的壓力，提高黏結(jié)相強(qiáng)度；而大氣孔分布集中，黏結(jié)相壁越薄，應(yīng)力較集中，則降低了黏結(jié)相強(qiáng)度。可能的原因?yàn)楹骤F礦類型燒損高，大氣孔分布較為集中，赤鐵礦類型自身結(jié)構(gòu)較為致密，大氣孔分布分散；亦或是褐鐵礦類型最低同化溫度低，液相流動(dòng)性較高，氣泡在流動(dòng)中合并形成大氣孔，而赤鐵礦類型最低同化溫度高，液相流動(dòng)性差，不易形成大氣孔[17]。

圖10 孔徑大于400 μm的氣孔間距與黏結(jié)相自身強(qiáng)度的關(guān)系

4 結(jié) 論

對(duì)鐵礦粉燒結(jié)過程中液相冷凝形成的微觀形貌、黏結(jié)相氣孔率、氣孔組成、氣孔分布進(jìn)行了研究，明確了黏結(jié)相的礦物組成及氣孔特征；在此基礎(chǔ)上，針對(duì)黏結(jié)相的礦物組成和氣孔特性，解析了其對(duì)黏結(jié)相強(qiáng)度的影響。歸納研究結(jié)果，可得到以下認(rèn)知：

(1)同類型鐵礦粉的燒結(jié)試樣中，鐵酸鈣含量與黏結(jié)相強(qiáng)度呈正相關(guān)性。

(2)鐵礦粉燒結(jié)試樣的黏結(jié)相強(qiáng)度與總氣孔率的關(guān)系影響較小，而與大氣孔分布有較大影響。

(3)鐵礦粉燒結(jié)試樣大氣孔分布較為集中，應(yīng)力通常沿氣孔邊緣及強(qiáng)度較低的區(qū)域釋放，越容易產(chǎn)生裂紋而降低黏結(jié)相強(qiáng)度。