燒結礦的礦物組成和氣孔特征對黏結相強度的影響*

張文興 黃苑齡 張周位

(1.貴州省地質礦產中心實驗室；2.貴州省貴金屬礦產資源綜合利用工程技術研究中心)

燒結礦是由黏結相和鐵礦物相組成的人造塊礦，占爐料結構的80%左右，作為高爐煉鐵的主要原料，其質量對高爐冶煉有重要影響。在燒結過程中，燒結原料中的不同礦物通過固相反應生成低熔點化合物，在高溫條件下形成液相，液相在冷卻過程中生成的黏結相對其周圍的核礦石進行有效固結的能力，這對燒結礦固結強度有著非常重要的影響。

燒結過程中，黏結相的生成與鐵礦粉種類、燒結溫度、熔劑結構和燒結礦的冷卻過程等因素有關。隨著鐵礦粉品種的增加，資源劣質化明顯，燒結用礦結構復雜，其中燒結過程形成的黏結相的礦物組成和氣孔特征對其強度有著重要的作用。

鐵礦粉燒結基礎特性理論[1-2]的提出，已被廣泛的認可，煉鐵工作者關注鐵礦粉的同化性、液相流動性、鐵酸鈣生成特性、吸液性、制孔性以及固結性等特性[3-9]，并將其用于燒結料結構的優化，得到了很好的效果[10-13]。根據前人研究工作可知，黏結相的強度決定了燒結礦的強度，而黏結相的特性并未研究清楚，目前黏結相的礦物組成和氣孔特征對其強度的關聯性認知不足，沒有形成結論，故有必要深入研究黏結相的礦物組成和氣孔特征對其強度的影響規律。為此，通過對幾種典型鐵礦石形成黏結相的礦物組成及氣孔特征的研究，明確鐵酸鈣含量、氣孔率、氣孔分布對黏結相強度的影響，為評價各鐵礦的成礦性能和指導配礦提供理論依據。

1 試驗研究

1.1 原 料

選取5種典型鐵礦石進行研究，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，其化學成分見表1。

1.2 試驗方法

1.2.1 黏結相礦物特性

首先，將考察的5種單種鐵礦粉磨細至 -0.15mm，然后配入9.6%的CaO純試劑并將其充分混合，在15MPa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，放置在微型燒結裝置中進行燒結，微型燒結裝置及爐體結構示意見圖1，燒結溫度及氣氛制度見圖2，燒結最高溫度為1 280 ℃。待燒結完成后，將小餅試樣從合金墊片表面掰除，將其鑲嵌于環氧樹脂膠中，進行切樣、細磨、拋光，得到小餅試樣的光片，在反光顯微鏡下觀察結晶形態，并采用“數點法”確定其礦物組成。

圖1 微型燒結裝置及爐體結構示意

1.2.2 黏結相氣孔特征

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行測量，計算截面上的氣孔量、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之間的平均距離表示其分布情況。對于燒結得到的小餅試樣，該研究采用壓潰法測定其黏結相強度。

圖2 微型燒結溫度及氣氛制度

2 試驗結果

2.1 黏結相微觀形貌及礦物組成

采用微型燒結法及礦相顯微分析法研究鐵礦粉的黏結相礦物特性。采用“數點法”對5種鐵礦粉小餅燒結試樣的礦物組成進行測定，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 燒結試樣中(磁)赤鐵礦和鐵酸鈣共晶的典型結構

根據以往的研究[14]，鐵酸鈣等物相形態和分布等會對黏結相強度產生影響。通常情況下，針狀鐵酸鈣的強度高于柱狀以及片狀，大片連晶的赤鐵礦強度高于骸晶狀赤鐵礦等。由圖3可知，澳洲褐鐵礦OA燒結試樣以磁鐵礦和鐵酸鈣為主，鐵酸鈣呈基質狀或板片狀分布；澳洲半褐鐵礦OB燒結試樣以赤鐵礦和鐵酸鈣為主，鐵酸鈣呈細針狀交織或基質狀分布。澳洲赤鐵礦OC燒結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燒結試樣以鐵酸鈣和赤鐵礦為主，鐵酸鈣呈針狀交織態；巴西北部赤鐵礦OE燒結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構。由此可推測，赤鐵礦的強度會高于褐鐵礦。

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，鐵酸鈣含量均達到了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較低，在50%水平。有研究表明[14-16]，鐵礦石的同化能力強、Al2O3/SiO2處于適宜范圍、料層氧位高且采用低溫燒結均有利于鐵酸鈣生成。對于褐鐵礦和半褐鐵礦而言，其同化性較高，適合低溫燒結，故其鐵酸鈣含量較高；對于赤鐵礦OD，由于其結構致密，難于與CaO反應同化，且其Al2O3/SiO2僅為0.16，故其鐵酸鈣含量相對最低。對于赤鐵礦OE，其最低同化溫度低于最高燒結溫度，且“高鐵低硅”特點也為鐵酸鈣的形成創造了有利條件，故其鐵酸鈣生成量相對最高。

圖4 鐵礦粉燒結試樣的礦物組成比較

2.2 黏結相氣孔特征

對燒結試樣進行處理，通過掃描電鏡觀察，鐵礦粉黏結相橫截面SEM圖像見圖5。

圖5 鐵礦粉黏結相橫截面SEM圖像

由圖5可見，褐鐵礦OA燒結試樣中，氣孔多呈現近似圓形，其不規則度較低，大孔分布集中；半褐鐵礦OB和赤鐵礦OC的燒結試樣中，氣孔形狀較不規則，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的燒結試樣中，小氣孔較多、氣孔多呈圓形且大孔較為分散?？傮w上，不同燒結試樣的氣孔特性差異非常明顯。

通過圖片處理軟件，采用“數點法”，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%；赤鐵礦燒結試樣中，OC和OE燒結試樣的氣孔組成相近，其+400μm的大氣孔率均達到了50%，孔徑為200～400μm的較大氣孔的氣孔率達到了約30%；OD燒結試樣中孔徑+400μm、200～400μm和100～200μm氣孔所占比例依次約為40%、20%和20%?？傮w上，其他燒結礦除了OB礦的大氣孔率都高，原因可能是結晶水的分解或液相流動性大，還需進一步研究。

圖6 鐵礦粉燒結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 鐵礦粉黏結相中相鄰大氣孔的基質厚度示意

由圖7可見，褐鐵礦OA和半褐鐵礦OB燒結試樣中氣孔分布較集中，黏結相壁??；赤鐵礦特別是巴西赤鐵礦燒結試樣中黏結相壁厚高于褐鐵礦和半褐鐵礦。赤鐵礦OD雖然其黏結相壁厚較高，但由于礦相結構中有原生赤鐵礦晶粒不均勻夾雜在鐵酸鈣晶粒之間，當其受到沖擊時，可能在夾雜晶粒界面處產生集中應力導致破碎。

3 結果分析

3.1 鐵礦粉燒結試樣中鐵酸鈣含量和黏結相強度的關系

將燒結試樣用壓潰法分別測其黏結相強度，與鐵酸鈣含量之間的關系見圖8。

圖8 鐵礦粉燒結試樣的鐵酸鈣含量和黏結相強度比較

由圖8可見，3種赤鐵礦中黏結相自身強度與鐵酸鈣生成量呈現良好的正相關性；對于褐鐵礦和半褐鐵礦，雖然其鐵酸鈣生成能力較強，但其黏結相自身強度仍處于較低水平。事實上，黏結相在碰撞、沖擊作用下產生內應力，應力沿孔洞和礦物釋放，當礦物基質強度低、孔洞過于集中，黏結相在應力作用下產生裂紋，進而導致黏結相破損。由此分析可知，對于褐鐵礦和半褐鐵礦黏結相，雖然其高強度的基質礦物鐵酸鈣較多，但由于同化性較高，SiO2和Al2O3等脈石礦物熔解進入液相，推測其液相黏度較高，則氣泡在液相中逸除、合并的能力較差，黏結相中氣孔結構特性不佳，可能導致黏結相自身強度的降低。

3.2 鐵礦粉燒結試樣的總孔率和黏結相強度的關系

可用圖片處理軟件、氣體吸附法、壓汞法測其氣孔率，該試驗用圖片處理軟件測得氣孔率見圖9。

圖9 鐵礦粉燒結試樣的總孔率和黏結相強度比較

由圖9可見，赤鐵礦黏結相的總氣孔率較高，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，黏結相自身強度仍然較高，這主要與應力和氣孔分布有關。應力通常沿氣孔邊緣及強度較低的區域釋放，故氣孔邊緣多為應力集中區域；大氣孔越多則應力集中區域愈多，越容易產生裂紋而影響黏結相強度，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，所以其黏結相自身強度仍然較高。

3.3 黏結相氣孔分布與黏結相自身強度的關系

通過圖片處理軟件得到如圖10所示的大氣孔分布與黏結相自身強度的關系。

由圖10可見，孔徑為+400μm的大氣孔分布對黏結相自身強度的影響較為顯著，兩者呈現一定的正相關性。由此可知，大氣孔分布越均勻，黏結相壁越厚，越有利于緩解應力集中的壓力，提高黏結相強度；而大氣孔分布集中，黏結相壁越薄，應力較集中，則降低了黏結相強度?？赡艿脑驗楹骤F礦類型燒損高，大氣孔分布較為集中，赤鐵礦類型自身結構較為致密，大氣孔分布分散；亦或是褐鐵礦類型最低同化溫度低，液相流動性較高，氣泡在流動中合并形成大氣孔，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的氣孔間距與黏結相自身強度的關系

4 結 論

對鐵礦粉燒結過程中液相冷凝形成的微觀形貌、黏結相氣孔率、氣孔組成、氣孔分布進行了研究，明確了黏結相的礦物組成及氣孔特征；在此基礎上，針對黏結相的礦物組成和氣孔特性，解析了其對黏結相強度的影響。歸納研究結果，可得到以下認知：

(1)同類型鐵礦粉的燒結試樣中，鐵酸鈣含量與黏結相強度呈正相關性。

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

(3)鐵礦粉燒結試樣大氣孔分布較為集中，應力通常沿氣孔邊緣及強度較低的區域釋放，越容易產生裂紋而降低黏結相強度。