不同温度下铝硅含量对南非矿烧结性能影响的研究

黄军　崔广信　窦胜涛　尹青　孙中伟

(江阴兴澄特种钢铁有限公司)



不同温度下铝硅含量对南非矿烧结性能影响的研究

黄军崔广信窦胜涛尹青孙中伟

(江阴兴澄特种钢铁有限公司)

采用微型烧结试验，在两种温度下，研究了SiO2，Al2O3含量对南非矿烧结性能影响。分析结果表明：当温度控制在1325 ℃时，烧结试样体积收缩率和抗压强度较好。随SiO2和Al2O3含量的增加，烧结矿抗压强度呈先升高后降低趋势，当SiO2含量为5.6%时抗压强度最大，当Al2O3含量为2.5%时抗压强度最大。

烧结南非矿收缩率抗压强度

0　前言

烧结矿是我国高炉冶炼的主要入炉原料，其质量的好坏直接影响高炉冶炼的效果，企业的效益。烧结是一个将矿粉转化为适当颗粒的产品以满足高炉生产的过程，烧结过程中液相的形成是烧结矿固结的基础，而液相的形成又主要取决于铁矿粉中的化学成分[1-3]。

迄今为止，有关不同温度下铁矿石成分对烧结矿性能影响的研究有很多报道[4-6]，研究表明：适宜的温度是烧结矿液相形成的基本条件，适量的SiO2、Al2O3含量有利于复合铁酸钙的形成，有助于烧结矿各项性能指标的提高。当SiO2含量过高时会引起烧结矿体积膨胀导致抗压强度降低，当Al2O3含量大于2.5%时，会导致烧结矿抗压强度降低。笔者在前人的研究基础上采用微型烧结法，在两种温度下，考察了Al2O3，SiO2对南非矿烧结试样显微组织结构和抗压强度的影响，为优化原料结构和烧结工艺参数提供理论和实验基础，对充分利用铁矿资源、减少能耗具有理论指导意义。

1　试验材料与研究方法

南非矿以赤铁矿为主，其赤铁矿约占90%～91%，磁铁矿约占4%～5%，存在少量的褐铁矿小于2%，其铁含量在65%以上，SiO2含量约占4.58%，其他有害元素都较低。碱度固定为2.0，在南非矿中添加化学纯SiO2、Al2O3，调整SiO2含量分别为5.3%，5.6%，5.9%；Al2O3含量分别为2.2%，2.5%，2.8%，碱度通过添加Ca(OH)2调整。分别在1300 ℃和1325 ℃条件下进行微型烧结。

对南非矿粉进行研磨，取200目以上矿粉按实验方案配加Ca(OH)2，Al2O3，SiO2后取粒度小于1.0 mm的混匀原料50 g左右，在钢模具内压制成Φ10 mm×10±0.5 mm的试样。自然干燥一天，在干燥箱中50 ℃下干燥1 h，100 ℃下再干燥1 h。用管式炉在空气(氧化)气氛下进行单矿烧结，将试样在两种温度条将下放置在炉内严格按照烧结温度制度升温和冷却(见表1)，记录试样烧结前后的体积，计算出体积收缩率(或膨胀率)；试样采用电子拉伸试验机(压速5 mm/min)，由试样正中压下测定试样抗压强度。将成品试样从上端磨去3 mm～4 mm，进行矿相处理，在显微镜下观察其显微组织结构。

2　结果与讨论

2.11300 ℃下烧结试样的体积膨胀率和抗压强度

1300 ℃试样在管式电阻炉中的加热温度和加热时间见表1。

表1　1300 ℃试样在管式电阻炉中的加热温度和加热时间

注：1.以送样一端炉体加热区的管口位置为0 mm处。

根据游标卡尺测定同组分试样的三组平行数据计算烧结试样的体积变化，应用WDW3100电子万能拉伸试验机对同组分烧结试样测定的三组抗压强度平行数据计算平均值得到烧结试样抗压强度。1300 ℃时随着SiO2、Al2O3含量增加试样体积和强度的变化关系曲线如图1所示。

(a) SiO2含量对试样体积和强度的影响

(b) Al2O3含量对试样体积和强度的影响

图11300 ℃时随着SiO2、Al2O3含量增加试样体积和强度的变化

从图1可以看出，随着SiO2含量的增加，烧结试样体积膨胀率逐渐减小，试样的抗压强度逐渐升高；随着Al2O3含量的升高，烧结试样体积膨胀率逐渐降低，抗压强度逐渐升高。在1300 ℃下，随着SiO2和Al2O3含量的增加，烧结试样的体积都呈膨胀趋势，且烧结试样的抗压强度都较低，最大强度仅为7.2 MPa。

2.21325 ℃下烧结试样的体积收缩率和抗压强度

应用同样的方法测定1325 ℃下烧结试样的体积收缩率和抗压强度，曲线如图2所示。

(a) SiO2含量对试样体积和强度的影响

(b) Al2O3含量对试样体积和强度的影响

从图2可以看出，随着SiO2含量的增加，烧结试样体积收缩率呈先增大后减小趋势，试样的抗压强度也呈先升高后降低趋势，烧结试样的最大收缩率为6.32%，最大抗压强度为32.99 MPa；随着Al2O3含量的升高，烧结试样体积呈先升高后降低趋势，抗压强度也呈先升高后降低趋势，烧结试样的最大收缩率为6.52%，最大抗压强度为31.67 MPa。在1325 ℃下，烧结试样体积都呈收缩趋势，且强度都较高。

2.31300 ℃和1325 ℃下烧结试样的组织结构

通过光学显微镜对烧结试样的矿物结构进行观察，发现其显微组织主要由磁铁矿、赤铁矿、铁酸钙和复合铁酸钙组成，部分烧结试样的显微组织如图1所示。图中浅灰色组织为磁铁矿或赤铁矿，灰色组织为铁酸钙或复合铁酸钙，深灰色组织为硅酸盐，黑色组织为孔洞。

SiO2含量为5.6%时两种温度下烧结试样的显微组织如图3所示(图中，浅灰色—磁铁矿或赤铁矿，灰色—铁酸钙或复合铁酸钙，深灰色—硅酸盐，黑色—孔洞)。

(a) 1300 ℃，碱度2.0

(b) 1325 ℃，碱度2.0

从如图3(a)可以看出，1300 ℃烧结试样结构比较疏松，在制样过程中剥落的粉末量相对较多，与试样中有较多的孔洞相关；磁铁矿和赤铁矿较少。从如图3(b)可以看出，1325 ℃烧结试样因矿粉剥落而形成的空洞显著减少，呈浅灰色组织的磁铁矿或赤铁矿明显增多，表明铁酸钙与磁铁矿或赤铁矿之间有较好的熔蚀作用，组织结构比较致密。

Al2O3含量为2.5%时两种温度下烧结试样的显微组织如图4所示(图中，浅灰色—磁铁矿或赤铁矿，灰色—铁酸钙或复合铁酸钙，深灰色—硅酸盐，黑色—孔洞)。

(a) 1300 ℃，碱度2.0

(b) 1325 ℃，碱度2.0

从图4(a)可以看出，1300 ℃烧结试样中磁铁矿和赤铁矿较少，试样结构比较疏松，黑色孔洞较多，组织结构不致密。从图4(b)可以看出，1325 ℃烧结试样中呈浅灰色组织的磁铁矿或赤铁矿明显增多，因矿粉剥落而形成的空洞显著减少，铁酸钙与磁铁矿或赤铁矿之间有较好的熔蚀作用，组织结构比较致密。

2.4温度对烧结性能的影响

烧结过程中产生的液相是烧结矿固结成型的基础，液相的数量、质量和性质在很大程度了决定了烧结矿的还原性和强度。而液相的形成与烧结温度有着很大的关系，烧结过程开始时，试样的体积开始剧烈收缩，气孔率会明显减少，随着温度的继续升高，液相量增加，气孔率降至最低。通过试样微观组织结构发现，南非矿粉在1300 ℃的烧结试样组织结构比较疏松，孔洞普遍较多，液相生成量比较少，抗压强度普遍较低，且体积都成膨胀趋势。温度是铁酸钙生产的重要因素，1325 ℃的烧结试样组织结构严密，复合铁酸钙量较多且与赤铁矿交织在一起，抗压强度普遍较高，且体积收缩明显。试验表明：1325 ℃适合南非矿烧结，而1300 ℃下的烧结产物不具有生产价值。

2.5铝硅含量对烧结性能的影响

SiO2含量从5.3%增加到5.6%，烧结试样抗压强度呈上升趋势，烧结试样体积收缩率也减小，这是因为在碱度一定时，增加SiO2含量会使得CaO的配入量相应增加，烧结过程中形成的硅酸盐的量也会随之增加，而硅酸盐易与铁酸钙的形成共熔混合物或复合铁酸钙，并且能与固相颗粒形成熔蚀结构，进而提高烧结试验的抗压强度。当SiO2含量从5.6%增加到5.9%时，烧结试样的抗压强度又呈下降趋势，这是因为SiO2含量偏高时，2CaO·SiO2易于形成，冷却时可发生α′→γ型和β→γ型的晶型转变，烧结试样体积增大，晶型转变产生的内应力使得烧结试样形成微裂纹，导致烧结试样的抗压强度有所降低[7]。

Al2O3含量从2.2%增加到2.5%，烧结试样的抗压强度呈上升趋势，Al2O3是生成SFCA的基本条件，适宜的Al2O3含量有利于针状铁酸钙的形成，进而提高烧结矿的强度。当Al2O3含量从2.5%增加到2.8%，烧结试样的抗压强度又呈下降趋势，这是因为由于较高的Al2O3可与CaO生成高熔点化合物，不仅提高熔体的熔化温度，还将导致液相的黏度增大，液相流动性降低[4,8]。

3　结论

1)当南非矿烧结温度为1300 ℃时，烧结试样的体积发生膨胀，不具有实际生产意义，烧结温度控制在1325 ℃，烧结试样具有较好的体积收缩率和抗压强度。

2)合适的SiO2含量有利于提高烧结矿的抗压强度，SiO2含量过高导致烧结试样冷却过程中体积增大，抗压强度降低。

3)适量的Al2O3含量有利于提高烧结矿抗压强度，Al2O3含量控制在2.5%时，烧结试样的抗压强度最高。

[1]严幸,胡敏,马西武.高TFe低SiO2烧结试验研究及生产应用[J].钢铁,2005, 40(4): 8.

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[4]金明芳,朱道飞,郑忠,等.铁矿石粉矿成分对烧结强度的影响[J].东北大学学报，2009. 30(1): 86-89.

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EXPERIMENTAL STUDY ON SINTERING PERFORMANCE OF SOUTH AFRICA IRON ORE WITH DIFFERENT PROPORTION OF ALUMINUM AND SILICON AT DIFFERENT TEMPERATURES

Huang JunCui GuangxinDou ShengtaoYin QingSun Zhongwei

(Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co., Ltd)

This study investigated the microstructure and compressive strength by method of Mini-sinterin under different aluminum and silicon content of South Africa iron ore. The results showed that there was a good result of the shrinkage and compressive strength at 1325 ℃.The compressive strength increased at first, then decreased with SiO2and Al2O3content increasing, the compressive strength has a maximum value when SiO2content is 5.6%, Al2O3content is 2.5%.

sinteringsouth africa iron oreshrinkagecompressive strength

联系人：黄军，工程师，江苏.江阴(214400)，江阴兴澄特种钢铁有限公司研究院；2016—4—20