烧结矿的矿物组成和气孔特征对黏结相强度的影响*

2018-08-17张文兴黄苑龄张周位

现代矿业 2018年7期

张文兴黄苑龄张周位

(1.贵州省地质矿产中心实验室；2.贵州省贵金属矿产资源综合利用工程技术研究中心)

烧结矿是由黏结相和铁矿物相组成的人造块矿，占炉料结构的80%左右，作为高炉炼铁的主要原料，其质量对高炉冶炼有重要影响。在烧结过程中，烧结原料中的不同矿物通过固相反应生成低熔点化合物，在高温条件下形成液相，液相在冷却过程中生成的黏结相对其周围的核矿石进行有效固结的能力，这对烧结矿固结强度有着非常重要的影响。

烧结过程中，黏结相的生成与铁矿粉种类、烧结温度、熔剂结构和烧结矿的冷却过程等因素有关。随着铁矿粉品种的增加，资源劣质化明显，烧结用矿结构复杂，其中烧结过程形成的黏结相的矿物组成和气孔特征对其强度有着重要的作用。

铁矿粉烧结基础特性理论[1-2]的提出，已被广泛的认可，炼铁工作者关注铁矿粉的同化性、液相流动性、铁酸钙生成特性、吸液性、制孔性以及固结性等特性[3-9]，并将其用于烧结料结构的优化，得到了很好的效果[10-13]。根据前人研究工作可知，黏结相的强度决定了烧结矿的强度，而黏结相的特性并未研究清楚，目前黏结相的矿物组成和气孔特征对其强度的关联性认知不足，没有形成结论，故有必要深入研究黏结相的矿物组成和气孔特征对其强度的影响规律。为此，通过对几种典型铁矿石形成黏结相的矿物组成及气孔特征的研究，明确铁酸钙含量、气孔率、气孔分布对黏结相强度的影响，为评价各铁矿的成矿性能和指导配矿提供理论依据。

1 试验研究

1.1 原料

选取5种典型铁矿石进行研究，分别为澳洲褐铁矿OA，澳洲半褐铁矿OB，澳洲赤铁矿OC，巴西南部赤铁矿OD，巴西北部赤铁矿OE，其化学成分见表1。

1.2 试验方法

1.2.1 黏结相矿物特性

首先，将考察的5种单种铁矿粉磨细至 -0.15mm，然后配入9.6%的CaO纯试剂并将其充分混合，在15MPa压力下压制成尺寸为φ8mm×5mm的小饼试样。将小饼试样放置在惰性合金垫片上，放置在微型烧结装置中进行烧结，微型烧结装置及炉体结构示意见图1，烧结温度及气氛制度见图2，烧结最高温度为1 280 ℃。待烧结完成后，将小饼试样从合金垫片表面掰除，将其镶嵌于环氧树脂胶中，进行切样、细磨、抛光，得到小饼试样的光片，在反光显微镜下观察结晶形态，并采用“数点法”确定其矿物组成。

图1 微型烧结装置及炉体结构示意

1.2.2 黏结相气孔特征

矿物特性研究完成后，将小饼试样光片表面喷碳，在扫描电镜下观察，拍照，并用图片处理软件进行测量，计算截面上的气孔量、气孔组成、气孔分布等特征，并分别以气孔面积占试样面积的比例表征气孔率，以孔径相近的气孔中心点之间的平均距离表示其分布情况。对于烧结得到的小饼试样，该研究采用压溃法测定其黏结相强度。

图2 微型烧结温度及气氛制度

2 试验结果

2.1 黏结相微观形貌及矿物组成

采用微型烧结法及矿相显微分析法研究铁矿粉的黏结相矿物特性。采用“数点法”对5种铁矿粉小饼烧结试样的矿物组成进行测定，微观形貌见图3，各组试样中矿物组成及其比例见图3。

图3 烧结试样中(磁)赤铁矿和铁酸钙共晶的典型结构

根据以往的研究[14]，铁酸钙等物相形态和分布等会对黏结相强度产生影响。通常情况下，针状铁酸钙的强度高于柱状以及片状，大片连晶的赤铁矿强度高于骸晶状赤铁矿等。由图3可知，澳洲褐铁矿OA烧结试样以磁铁矿和铁酸钙为主，铁酸钙呈基质状或板片状分布；澳洲半褐铁矿OB烧结试样以赤铁矿和铁酸钙为主，铁酸钙呈细针状交织或基质状分布。澳洲赤铁矿OC烧结试样以磁铁矿和铁酸钙为主，铁酸钙呈板片状或片状分布；巴西南部赤铁矿OD烧结试样以铁酸钙和赤铁矿为主，铁酸钙呈针状交织态；巴西北部赤铁矿OE烧结试样以铁酸钙和赤铁矿为主，铁酸钙呈板片状交织或片状结构。由此可推测，赤铁矿的强度会高于褐铁矿。

由图4可见，在固定CaO配量的条件下，褐铁矿OA和半褐铁矿OB的铁酸钙生成能力较强，铁酸钙含量均达到了70%以上；巴西赤铁矿OE的铁酸钙生成量也较高，在73%水平；澳洲赤铁矿OC的铁酸钙生成量在60%水平，巴西赤铁矿OD的铁酸钙生成量则相对较低，在50%水平。有研究表明[14-16]，铁矿石的同化能力强、Al2O3/SiO2处于适宜范围、料层氧位高且采用低温烧结均有利于铁酸钙生成。对于褐铁矿和半褐铁矿而言，其同化性较高，适合低温烧结，故其铁酸钙含量较高；对于赤铁矿OD，由于其结构致密，难于与CaO反应同化，且其Al2O3/SiO2仅为0.16，故其铁酸钙含量相对最低。对于赤铁矿OE，其最低同化温度低于最高烧结温度，且“高铁低硅”特点也为铁酸钙的形成创造了有利条件，故其铁酸钙生成量相对最高。

图4 铁矿粉烧结试样的矿物组成比较

2.2 黏结相气孔特征

对烧结试样进行处理，通过扫描电镜观察，铁矿粉黏结相横截面SEM图像见图5。

图5 铁矿粉黏结相横截面SEM图像

由图5可见，褐铁矿OA烧结试样中，气孔多呈现近似圆形，其不规则度较低，大孔分布集中；半褐铁矿OB和赤铁矿OC的烧结试样中，气孔形状较不规则，气孔呈树枝状且气孔较为分散；巴西赤铁矿OD小气孔较多且气孔多呈圆形；巴西赤铁矿OE的烧结试样中，小气孔较多、气孔多呈圆形且大孔较为分散。总体上，不同烧结试样的气孔特性差异非常明显。

通过图片处理软件，采用“数点法”，按照气孔径+400μm、200～400μm，100～200μm、50～ 100μm，-50μm将其分为大气孔、较大气孔、中气孔、较小气孔、微气孔，得到如图6所示的气孔组成。

由图6可知，褐铁矿OA烧结试样中，孔径为 +400μm、200～400μm的大气孔和较大气孔的气孔率分别约占其总气孔率的40%和30%；半褐铁矿OB烧结试样的200～400μm较大气孔和100～200μm中气孔的气孔率分别占约40%和30%，其+400μm大气孔率不足10%；赤铁矿烧结试样中，OC和OE烧结试样的气孔组成相近，其+400μm的大气孔率均达到了50%，孔径为200～400μm的较大气孔的气孔率达到了约30%；OD烧结试样中孔径+400μm、200～400μm和100～200μm气孔所占比例依次约为40%、20%和20%。总体上，其他烧结矿除了OB矿的大气孔率都高，原因可能是结晶水的分解或液相流动性大，还需进一步研究。

图6 铁矿粉烧结试样中不同孔径的气孔组成比较

通过图片处理软件得到图7所示的气孔分布。

图7 铁矿粉黏结相中相邻大气孔的基质厚度示意

由图7可见，褐铁矿OA和半褐铁矿OB烧结试样中气孔分布较集中，黏结相壁薄；赤铁矿特别是巴西赤铁矿烧结试样中黏结相壁厚高于褐铁矿和半褐铁矿。赤铁矿OD虽然其黏结相壁厚较高，但由于矿相结构中有原生赤铁矿晶粒不均匀夹杂在铁酸钙晶粒之间，当其受到冲击时，可能在夹杂晶粒界面处产生集中应力导致破碎。

3 结果分析

3.1 铁矿粉烧结试样中铁酸钙含量和黏结相强度的关系

将烧结试样用压溃法分别测其黏结相强度，与铁酸钙含量之间的关系见图8。

图8 铁矿粉烧结试样的铁酸钙含量和黏结相强度比较

由图8可见，3种赤铁矿中黏结相自身强度与铁酸钙生成量呈现良好的正相关性；对于褐铁矿和半褐铁矿，虽然其铁酸钙生成能力较强，但其黏结相自身强度仍处于较低水平。事实上，黏结相在碰撞、冲击作用下产生内应力，应力沿孔洞和矿物释放，当矿物基质强度低、孔洞过于集中，黏结相在应力作用下产生裂纹，进而导致黏结相破损。由此分析可知，对于褐铁矿和半褐铁矿黏结相，虽然其高强度的基质矿物铁酸钙较多，但由于同化性较高，SiO2和Al2O3等脉石矿物熔解进入液相，推测其液相黏度较高，则气泡在液相中逸除、合并的能力较差，黏结相中气孔结构特性不佳，可能导致黏结相自身强度的降低。

3.2 铁矿粉烧结试样的总孔率和黏结相强度的关系

可用图片处理软件、气体吸附法、压汞法测其气孔率，该试验用图片处理软件测得气孔率见图9。

图9 铁矿粉烧结试样的总孔率和黏结相强度比较

由图9可见，赤铁矿黏结相的总气孔率较高，处于40%水平。相比而言，褐铁矿和半褐铁矿的总气孔率较低，在25%水平。但总气孔率较大者，黏结相自身强度仍然较高，这主要与应力和气孔分布有关。应力通常沿气孔边缘及强度较低的区域释放，故气孔边缘多为应力集中区域；大气孔越多则应力集中区域愈多，越容易产生裂纹而影响黏结相强度，即赤铁矿虽然总气孔率较高，但大气孔分布较为分散和较少，所以其黏结相自身强度仍然较高。

3.3 黏结相气孔分布与黏结相自身强度的关系

通过图片处理软件得到如图10所示的大气孔分布与黏结相自身强度的关系。

由图10可见，孔径为+400μm的大气孔分布对黏结相自身强度的影响较为显著，两者呈现一定的正相关性。由此可知，大气孔分布越均匀，黏结相壁越厚，越有利于缓解应力集中的压力，提高黏结相强度；而大气孔分布集中，黏结相壁越薄，应力较集中，则降低了黏结相强度。可能的原因为褐铁矿类型烧损高，大气孔分布较为集中，赤铁矿类型自身结构较为致密，大气孔分布分散；亦或是褐铁矿类型最低同化温度低，液相流动性较高，气泡在流动中合并形成大气孔，而赤铁矿类型最低同化温度高，液相流动性差，不易形成大气孔[17]。