钒钛烧结矿和普通烧结矿的矿物组成与矿相结构对比

石 泉 吕 庆 刘小杰 刘 颂 刘 馨

(华北理工大学冶金与能源学院，河北 唐山 063000)

近几年，钢铁行业产能过剩，我国逐渐淘汰了大量产能落后的小高炉，也建成一批能耗较低的大型高炉。随着高炉大型化，高炉对炉料的质量提出了更高的要求[1]。烧结矿的质量直接影响高炉冶炼的顺行，因此对烧结矿冶金性能的要求更高。烧结生产过程反应复杂，同时发生固相反应和液相反应，这就导致烧结过程工艺参数多变量。在烧结生产中，料层高度、燃料比、烧结负压是影响烧结矿质量的主要工艺参数[2]。烧结矿主要矿物组成为：磁铁矿(Fe3O4)、赤铁矿(Fe2O3)、铁酸一钙(CaO·Fe2O3)、铁橄榄石(2FeO·SiO2)、钙铁橄榄石(CaOx·FeO2- x·SiO2，x=0.25～1.5)、铁酸二钙(2CaO·Fe2O3)，及玻璃质等，其还原性由大到小的顺序为：赤铁矿、磁铁矿、铁酸钙、钙铁橄榄石和铁橄榄石[3]。因为烧结矿中铁酸一钙的强度和还原性能都比较好，所以烧结过程中应大力促进铁酸一钙的生成；而玻璃质的强度最低，因此要减少玻璃质的生成；烧结矿显微结构中磁铁矿和赤铁矿的颗粒大小、粘结相矿物组成、显微结构的均匀性都会影响烧结矿的质量[4]。晶粒细小的磁铁矿和赤铁矿具有更好的还原性能，烧结矿的矿物与粘结相的矿物组成越简单，微观结构越均匀烧结矿的质量越好。因为烧结矿矿物组成较复杂时，在冷却过程中会受到多种应力的作用而产生裂纹，导致烧结矿破碎，使其强度降低[5]。本文主要研究了钒钛烧结矿和普通烧结矿的矿物组成与矿相结构，及其对烧结矿质量的影响，以期为进一步提高烧结矿的产质量，促进钒钛磁铁矿的烧结利用提供理论依据。

1 试验原料与方案

1.1 试验装置

烧结试验采用TSJ- 3型微型烧结机，矿相组成及结构分析采用蔡司偏光显微镜(Axioskop 40 Pol)。

1.2 试验原料

普通精粉和钒钛磁铁精粉烧结原料的化学成分分别如表1和表2所示。

1.3 试验方案

表1 普通精粉烧结试验原料的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of raw materials for sintering of ordinary fine powder (mass fraction) %

表2 钒钛磁铁精粉烧结试验原料的化学成分(质量分数)Table 2 Chemical composition of raw materials for sintering of V- Ti- magnetite powder (mass fraction) %

1.3.1 普通精粉烧结试验方案

固定混合料的燃料配比为4.5%，改变烧结矿碱度分别为1.8、2.0、2.2。普通精粉烧结试验方案如表3所示。

固定烧结矿碱度为2.0，燃料配比分别为4.0%、4.5%、5.0%。普通精粉烧结试验方案如表4所示。普通烧结矿的理论化学成分如表5所示。

1.3.2 钒钛磁铁精矿粉烧结试验方案

固定混合料的燃料配比为4.5%，烧结矿碱度分别为1.8、2.0、2.2。钒钛磁铁精矿粉烧结试验方案如表6所示。

表3 普通精粉不同碱度烧结试验方案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烧结试验方案Table 4 Test scheme for sintering of ordinary fine powder with different fuel ratio

表5 普通烧结矿的理论化学成分(质量分数)Table 5 Theoretical chemical composition of ordinary fine powder (mass fraction) %

表6 钒钛磁铁精矿粉不同碱度烧结试验方案Table 6 Test scheme for sintering of V- Ti- magnetite powder with different basicity

固定烧结矿碱度为2.0，燃料配比分别为4.0%、4.5%、5.0%。钒钛磁铁精粉烧结试验方案如表7所示。钒钛磁铁烧结矿的理论化学成分如表8所示。

表7 钒钛磁铁精矿粉不同燃料配比烧结试验方案Table 7 Test scheme for sintering of V- Ti- magnetite powder with different fuel ratio

表8 钒钛磁铁烧结矿的理论化学成分(质量分数)Table 8 Theoretical chemical composition of V- Ti- magnetite powder (mass fraction) %

2 结果分析

烧结矿矿物组成包括金属相和粘结相[6]。金属相中磁铁矿、赤铁矿和钙钛矿是烧结矿的重要组成部分，它们的形态和数量对烧结矿的冶金性能有直接的影响。粘结相主要有铁酸盐和硅酸盐两大类，此外还有枪晶石等。粘结相一般占矿物体积总量的30%～45%，是在高温条件下生成的液相冷却凝结而成，粘结相的数量、矿物组成、形成机制和各项物理化学性质都对烧结矿的质量有重要影响。

为了深入研究钒钛磁铁烧结矿的粉化机制，对不同工艺参数条件下的金属相和粘结相进行分析，并与普通烧结矿作比较。矿物组成及体积分数根据《金属矿相学》矿相图表确定。

2.1 不同碱度普通烧结矿和钒钛磁铁烧结矿的矿物组成

不同碱度条件下普通烧结矿和钒钛磁铁烧结矿的矿物组成及体积分数分别如表9和表10所示。由表可知，两种烧结矿的金属相中磁铁矿、赤铁矿与碱度的变化规律基本相同，即随着碱度的增加磁铁矿数量减少，赤铁矿数量增加，且数值相当；两种烧结矿的最大差别是钒钛磁铁烧结矿含有大量的钙钛矿，普通矿则没有。

两种烧结矿的粘结相中铁酸钙与碱度的变化规律基本相同，即随着碱度的增加，铁酸钙含量升高，但普通烧结矿的铁酸钙含量远高于钒钛磁铁烧结矿的；硅酸二钙的含量随着碱度的增加而减少，普通烧结矿中硅酸二钙的含量较高；两种烧结矿的硅灰石、玻璃质变化规律和含量基本相同。碱度为1.8时，钒钛磁铁烧结矿的铁酸钙含量比普通烧结矿低20%，硅酸二钙低3%，两项之和低23%；碱度为2.0时，钒钛磁铁烧结矿的铁酸钙含量比普通烧结矿低15%，硅酸二钙低5%，两项之和低20%；碱度为2.2时，钒钛磁铁烧结矿的铁酸钙数量比普通烧结矿低15%，硅酸二钙低8%，两项之和低23%。

表9 不同碱度条件下普通烧结矿矿物组成及体积分数Table 9 Mineralogical composition and volume fraction of ordinary fine powder with different basicity %

表10 不同碱度条件下钒钛磁铁烧结矿矿物组成及体积分数Table 10 Mineralogical composition and volume fraction of V- Ti- magnetite powder with different basicity %

综上所述，在试验范围内，钒钛磁铁烧结矿的铁酸钙比普通烧结矿低15%～20%，粘结相数量低20%以上，且不随碱度的变化而变化。此外，钒钛磁铁烧结矿中存在大量的钙钛矿，是钒钛磁铁烧结矿的最大特点[7]。

2.2 不同燃料配比普通烧结矿和钒钛磁铁烧结矿的矿物组成

不同燃料配比条件下，普通烧结矿和钒钛磁铁烧结矿的矿物组成及体积分数分别如表11和表12所示。由表可知，两种烧结矿的金属相中磁铁矿、赤铁矿与燃料配比的变化规律基本相同，即随着燃料配比的增加，磁铁矿数量升高，赤铁矿数量减少，普通烧结矿的磁铁矿数量高于钒钛磁铁烧结矿的，赤铁矿的数量则低于钒钛磁铁烧结矿的；普通烧结矿不含有钙钛矿，钒钛磁铁烧结矿则含有大量的钙钛矿，且随着燃料配比的提高含量不断增加，最高为25%。在试验范围内，钒钛磁铁烧结矿的金属相组成受燃料配比的影响更大；随着烧结矿燃料配比的提高，两种烧结矿中铁酸钙含量增加不明显，硅酸二钙含量减少，但粘结相总量变化不大。

表11 不同燃料配比条件下普通烧结矿的矿物组成及体积分数 Table 11 Mineralogical composition and volume fraction of ordinary fine powder with different fuel ratio %

表12 不同燃料配比条件下钒钛磁铁烧结矿的矿物组成及体积分数 Table 12 Mineralogical composition and volume fraction of V- Ti- magnetite powder with different fuel ratio

燃料配比为4.0%时，与普通烧结矿相比，钒钛磁铁烧结矿的铁酸钙含量少约15%，硅酸二钙含量少10%，粘结相总量少约25%；燃料配比为4.5%时，铁酸钙含量少15%，硅酸二钙少5%，粘结相总量少20%；燃料配比为5.0%时，铁酸钙含量少约10%，硅酸二钙少6%，粘结相总量少约16%。

综上所述，在试验范围内，钒钛磁铁烧结矿中钙钛矿含量在10%～25%，普通烧结矿则为零；钒钛磁铁烧结矿的铁酸钙含量比普通烧结矿低10%～15%，粘结相含量低16%～20%，且不随碱度和燃料配比的变化而变化。

2.3 不同碱度普通烧结矿与钒钛磁铁烧结矿的矿相结构

碱度为1.8、燃料配比为4.5%时，普通烧结矿与钒钛磁铁烧结矿的矿相结构分别如图1、图2所示。由图可知，普通烧结矿矿相主要呈交织熔蚀结构，粘结相以铁酸钙为主。钒钛磁铁烧结矿的铁酸钙含量较少，同时有钙钛矿出现，钙钛矿填充于磁铁矿晶粒间与硅酸二钙共同胶结磁铁矿形成粒状结构，并且有裂隙裂纹发育。

碱度为2.0、燃料配比为4.5%时，普通烧结矿与钒钛磁铁烧结矿的矿相结构分别如图3(a)和图3(b,c)所示。由图可知，碱度升高，普通烧结矿的显微结构仍以交织熔蚀结构为主。钒钛磁铁烧结矿的显微结构既有交织熔蚀结构，又有粒状结构。

图1 碱度为1.8时普通烧结矿的矿相结构Fig.1 Microstructure of ordinary fine powder with basicity of 1.8

图2 碱度为1.8时钒钛磁铁烧结矿的矿相结构Fig.2 Microstructure of V- Ti- magnetite powder with basicity of 1.8

图3 碱度为2.0时(a)普通烧结矿和(b,c)钒钛磁铁烧结矿的矿相结构Fig.3 Microstructures of (a) ordinary fine powder and (b,c) V- Ti- magnetite powder with basicity of 2.0

碱度为2.2、燃料配比为4.5%时，普通烧结矿与钒钛磁铁烧结矿的矿相结构分别如图4(a)和图4(b,c)所示。由图可见，普通烧结矿的矿相结构均匀，以交织熔蚀结构为主。随着碱度的升高，矿相结构变化不大，粘结相以铁酸钙为主。钒钛磁铁烧结矿的矿相结构不均匀，说明局部反应不均匀，以骸晶状结构、粒状结构为主，局部呈交织熔蚀结构。

图4 碱度为2.2时(a)普通烧结矿和(b,c)钒钛磁铁烧结矿的矿相结构Fig.4 Microstructures of (a) ordinary fine powder and (b,c) V- Ti- magnetite powder with basicity of 2.2

综上所述，与普通烧结矿相比，钒钛磁铁烧结矿的显微结构不均匀，气孔率高约15%，铁酸钙含量少，同时含有钙钛矿；随着碱度的升高，普通烧结矿的结构更加均匀，针状铁酸钙含量增加；而钒钛磁铁烧结矿的铁酸钙含量也有所增加，但钙钛矿含量的增加更显著[8]。因此，钒钛磁铁烧结矿的显微结构不均匀、气孔率高、铁酸钙含量少、钙钛矿含量高是其低温还原粉化重要的原因。

2.4 不同燃料配比普通烧结矿与钒钛磁铁烧结矿的矿相结构

碱度为2.0、燃料配比为4.0%时，普通烧结矿与钒钛磁铁烧结矿的矿相结构分别如图5(a)和图5(b,c)所示。由图可知，普通烧结矿的矿相结构较均匀，以交织熔蚀结构为主，局部为粒状结构，气孔率为15%～20%，气孔分布较均匀，铁酸钙为主要的粘结相，分布不均匀，多呈板柱状；钒钛磁铁烧结矿的矿相结构不均匀，以交织熔蚀结构为主，部分呈骸晶状结构，局部为粒状结构，气孔率为35%～40%，钙钛矿多以它形晶、不定形存在于磁铁矿晶粒间，部分呈树枝状集中分布。

图5 燃料配比为4.0%时(a)普通烧结矿和(b,c)钒钛磁铁烧结矿的矿相结构Fig.5 Microstructures of (a) ordinary fine powder and (b,c) V- Ti- magnetite powder with fuel ratio of 4.0%

碱度为2.0、燃料配比为5.0%时，普通烧结矿与钒钛磁铁烧结矿的矿相结构分别如图6(a)和图6(b,c)所示。由图可知，普通烧结矿的矿相结构均匀，以铁酸钙和硅酸二钙共同与磁铁矿胶结在一起形成的交织熔蚀结构为主，局部呈现矿化不均匀态，气孔率为15%～20%；钒钛磁铁烧结矿的矿相结构不均匀，主要以骸晶状结构与交织熔蚀结构为主， 局部为粒状- 斑状结构， 气孔率为30%～35%，比普通烧结矿高出近1倍，钙钛矿主要呈树枝状分布于玻璃质中，少量呈不定形、它形晶填充于磁铁矿晶粒间。

图6 燃料配比为5.0%时(a)普通烧结矿和(b,c)钒钛磁铁烧结矿的矿相结构Fig.6 Microstructures of (a) ordinary fine powder and (b,c) V- Ti- magnetite powder with fuel ratio of 5.0%

综上所述，碱度相同，改变燃料配比，普通烧结矿的显微结构较均匀，气孔率在20%左右；而钒钛磁铁烧结矿的矿相结构不均匀，气孔率大，且含有钙钛矿，矿相结构中裂纹明显比普通烧结矿中多。

3 结论

(1)从矿物组成分析，随着碱度和燃料比的变化，相比普通烧结矿，钒钛磁铁烧结矿的铁酸钙含量较少，钙钛矿含量较高，这就导致钒钛烧结矿的硬度较高，但断裂韧性较差、容易破碎；并且相比普通烧结矿，钒钛烧结矿的粘结相数量也较少，导致其更容易粉化。

(2)从矿相结构分析，普通烧结矿比钒钛磁铁烧结矿的结构更均匀、气孔率也较低，且随碱度和燃料比的增加变化不大。钒钛烧结矿含有钙钛矿，导致其矿相结构中裂纹明显比普通烧结矿多。