工程科学学报，第41卷，第2期：181-189,2019年2月 Chinese Joural of Engineering,Vol.41,No.2:181-189,February 2019 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.004;http://journals.ustb.edu.cn 高碱度烧结矿矿相结构分布模式及形成机理 陈前冲区，韩秀丽，刘磊 华北理工大学矿业工程学院，唐山063210 区通信作者，E-mail:cx20170529@126.com 摘要基于烧结矿的非均性，发现了矿相结构的三种分布模式，并对矿相结构的形成机理进行了阐述.首先，基于烧结矿的 手标本鉴定特征把某钢厂烧结矿划分成了三类.其次，对矿相结构的鉴定发现，第1类、第2类、第3类这三类烧结矿的矿相 结构在空间上依次具有“均一状、同心环状、互嵌状”三种分布模式.均一状分布的矿相结构形成于温度较高、还原性较强和 混料均匀的稳定条件之中，主要为交织熔蚀-熔蚀结构，具有良好的治金性能：同心环状分布的矿相结构从外部带到内部带依 次为交织熔蚀结构、熔蚀结构和赤铁矿粒状结构，多以独立单元的形式出现，其所在区域工艺条件的恶化并不会对烧结矿总 体的结构和治金性能造成太大影响：交织熔蚀结构、赤铁矿粒状结构和铁酸钙聚集区交叉形成的互嵌状矿相结构，多形成于 温度较低、气流不稳定和混料不均匀的条件之中，易成片出现而导致烧结矿结构和治金性能的恶化.最后，治金性能分析显 示，第1,2类烧结矿各项治金性能指标良好，具有互嵌状分布模式的第3类烧结矿由于矿相结构的不均匀，治金性能相对较 差.结果表明，这种基于矿相结构分布模式的研究方式，有利于对矿相结构形成机理的阐述，更助于对烧结原料、烧结气氛等 工艺条件的调控，对烧结矿冶金性能的改善具有一定理论价值. 关键词高碱度烧结矿：矿相结构：分布模式：形成机理：治金性能 分类号TF046.4 Distribution patterns and formation mechanisms of the mineralogical structure of high basicity sinter CHEN Qian-chong,HAN Xiu-li,LIU Lei College of Mining Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan 063210,China Corresponding author,E-mail:cx20170529@126.com ABSTRACT Based on their inhomogeneity,three distribution pattern categories of the mineralogical structure of sinters,and their formation mechanisms,were detailed.First,based on the identifiable characteristics of hand specimens,the sinters in a steel plant were divided into three categories (Category 1,Category 2,Category 3).Second,according to the identification characteristics of the microstructure of sinters,three distribution patterns of the mineralogical structure for the three categories of sinters were established, those being uniform,concentric annular,and intercalated.The homogeneous mineral phase structures,which have good metallurgical properties,are mostly interlaced erosion and erosion structure,and the mineral phase structures are formed under stable conditions with higher temperature,stronger reduction,and uniform mixture.The concentric annular mineralogical structures from the outside to the inner belt are interlaced erosion structure,erosion structure,and hematite granular structure,separately.These structures formed un- der deteriorative process conditions and have no obvious adverse effect on the overall structure and metallurgical properties of sinters. The intercalated mineral phase structure,formed by the interlaced erosion structure,hematite granular structure,and calcium ferrate accumulation area,is mostly formed under conditions of lower temperature,unstable air flow,and inhomogeneous mixture.Getting to- gether may lead to the deterioration of the structure and metallurgical properties of the sinter.Finally,the results of a metallurgical per- 收稿日期：2018-01-14 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51574105)：河北省钢铁联合基金资助项目(2016209299)
工程科学学报,第 41 卷,第 2 期:181鄄鄄189,2019 年 2 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 41, No. 2: 181鄄鄄189, February 2019 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2019. 02. 004; http: / / journals. ustb. edu. cn 高碱度烧结矿矿相结构分布模式及形成机理 陈前冲苣 , 韩秀丽, 刘 磊 华北理工大学矿业工程学院, 唐山 063210 苣通信作者, E鄄mail: cx20170529@ 126. com 摘 要 基于烧结矿的非均性,发现了矿相结构的三种分布模式,并对矿相结构的形成机理进行了阐述. 首先,基于烧结矿的 手标本鉴定特征把某钢厂烧结矿划分成了三类. 其次,对矿相结构的鉴定发现,第 1 类、第 2 类、第 3 类这三类烧结矿的矿相 结构在空间上依次具有“均一状、同心环状、互嵌状冶三种分布模式. 均一状分布的矿相结构形成于温度较高、还原性较强和 混料均匀的稳定条件之中,主要为交织熔蚀鄄鄄熔蚀结构,具有良好的冶金性能;同心环状分布的矿相结构从外部带到内部带依 次为交织熔蚀结构、熔蚀结构和赤铁矿粒状结构,多以独立单元的形式出现,其所在区域工艺条件的恶化并不会对烧结矿总 体的结构和冶金性能造成太大影响;交织熔蚀结构、赤铁矿粒状结构和铁酸钙聚集区交叉形成的互嵌状矿相结构,多形成于 温度较低、气流不稳定和混料不均匀的条件之中,易成片出现而导致烧结矿结构和冶金性能的恶化. 最后,冶金性能分析显 示,第 1、2 类烧结矿各项冶金性能指标良好,具有互嵌状分布模式的第 3 类烧结矿由于矿相结构的不均匀,冶金性能相对较 差. 结果表明,这种基于矿相结构分布模式的研究方式,有利于对矿相结构形成机理的阐述,更助于对烧结原料、烧结气氛等 工艺条件的调控,对烧结矿冶金性能的改善具有一定理论价值. 关键词 高碱度烧结矿; 矿相结构; 分布模式; 形成机理; 冶金性能 分类号 TF046郾 4 收稿日期: 2018鄄鄄01鄄鄄14 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51574105);河北省钢铁联合基金资助项目(E2016209299) Distribution patterns and formation mechanisms of the mineralogical structure of high basicity sinter CHEN Qian鄄chong 苣 , HAN Xiu鄄li, LIU Lei College of Mining Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan 063210, China 苣Corresponding author, E鄄mail: cx20170529@ 126. com ABSTRACT Based on their inhomogeneity, three distribution pattern categories of the mineralogical structure of sinters, and their formation mechanisms, were detailed. First, based on the identifiable characteristics of hand specimens, the sinters in a steel plant were divided into three categories (Category 1, Category 2, Category 3). Second, according to the identification characteristics of the microstructure of sinters, three distribution patterns of the mineralogical structure for the three categories of sinters were established, those being uniform, concentric annular, and intercalated. The homogeneous mineral phase structures, which have good metallurgical properties, are mostly interlaced erosion and erosion structure, and the mineral phase structures are formed under stable conditions with higher temperature, stronger reduction, and uniform mixture. The concentric annular mineralogical structures from the outside to the inner belt are interlaced erosion structure, erosion structure, and hematite granular structure, separately. These structures formed un鄄 der deteriorative process conditions and have no obvious adverse effect on the overall structure and metallurgical properties of sinters. The intercalated mineral phase structure, formed by the interlaced erosion structure, hematite granular structure, and calcium ferrate accumulation area, is mostly formed under conditions of lower temperature, unstable air flow, and inhomogeneous mixture. Getting to鄄 gether may lead to the deterioration of the structure and metallurgical properties of the sinter. Finally, the results of a metallurgical per鄄
·182· 工程科学学报，第41卷，第2期 formance analysis show that the metallurgical index of Category I and Category 2 are satisfactory,and Category 3,with its intercalated distribution pattern,shows relatively poor metallurgical performance due to the inhomogeneous structure.The above results indicate that the research method based on the distribution pattern of mineral phase structure can be conducive to the discovery of the formation mechanism of the mineralogical structure,and can help to control the sintering raw materials and sintering atmosphere.It has certain theoretical value for improving the metallurgical properties of sinter. KEY WORDS high basicity sinter;mineralogical structure;distribution patterns;formation mechanisms;metallurgical properties 烧结原料中大量低品位、高铝、含钛型铁矿石及 关关系.乔瑞庆和杜鹤桂[]将烧结矿中的孔隙分 复合造块技术的引入，给烧结生产稳定性的保持和 为了宏观孔隙和微气孔两大类，并认为微气孔是在 工艺过程的控制增加了难度.原料质量的劣化意味 铁酸钙结晶之后和玻璃体凝固之前所形成的.维格 着矿相结构愈加复杂，这必然会导致烧结矿质量波 曼等[]认为，烧结矿中的气孔是由熔体收缩而产生 动程度的增大-].烧结矿矿相结构作为原料质量、 的空隙 工艺条件、冶金性能等多种指标的内在表征，其良好 以上研究分别从烧结矿局部的微观三维结构重 的分布模式对保证各项指标的稳定具有重要意 建、不同碱度和配碳量等工艺条件对矿相结构的影 义3-4 响、化学元素对单种矿物的形成影响、气孔与还原性 为提高烧结矿质量，国内外研究学者分别从研 间的关系、气孔的分类和形成机理等方面进行了大 究手段、原料配比、工艺条件、单矿物形成机理等方 量研究，并取得了系列成果.但从工艺矿物学角度 面对矿相结构进行了优化研究，并建立了相应理论 入手，定量分析烧结矿矿相结构分布模式及其形成 体系.Wang等[s-6)采用“序列切片-三维重建法”对 机理的研究尚未见系统报道.基于此，课题组在国 烧结矿断面序列显微图像进行了三维重建，实现了 家自然基金委的资助下，分别从烧结矿理化性能、矿 烧结矿局部微观结构的三维可视化，填补了二维矿 相结构间的分布模式和形成机理、矿相结构与冶金 相研究手段的不足.刘丽娜等[-]研究了矿石种类、 性能的关系三方面进行了研究，对优化工艺条件、提 碱度和碳含量对烧结矿矿相结构特征的影响，结果 高烧结矿质量具有理论价值和指导意义， 表明磁铁矿和赤铁矿烧制而成的烧结矿具有良好的 1试样理化性能及矿相结构分布模式 矿相结构，碱度和配碳量的增加均能改善烧结矿矿 相结构和冶金性能.肖志新等认为，烧结矿液相 1.1试样理化性能 扩展能力的过大或矿粉质量的下降均会导致孔洞尺 对某钢厂烧结矿破碎后，根据气孔的不同从中 寸和数量的增加，进而影响烧结矿的强度.Pimenta 挑选了三种类型（图1）.手标本鉴定特征为：第1 和Seshadrit研究认为，一定含量的AL,0,/Si02是 类烧结矿气孔呈稀疏状分布于样品边缘，存在光滑 形成针状复合铁酸钙的必要条件，但烧结矿中 连续断面：第2类烧结矿气孔呈稀疏状分布于整个 Al,0,质量分数超过2.0%时，会加剧烧结矿低温还 样品，边缘较集中，样品断面光滑但不连续；第3类 原粉化，其强度明显下降.Jursova等[)利用阿基米 烧结矿气孔分布极其致密、无光滑断面.化学分析 德原理测量了数组烧结矿的孔隙率，并对其进行还 见表1，烧结矿二元碱度R分别为2.10、2.07和 原性实验，得出烧结矿的还原性和孔隙率具有正相 1.81,为磁铁矿型高碱度烧结矿.之后，对3类烧结 (a) (b) c 2巴 2m四 图1烧结矿手标本.(a)第1类：(b)第2类：(c)第3类 Fig.I Hand specimen of sinters:(a)Category 1;(b)Category 2;(c)Category 3
工程科学学报,第 41 卷,第 2 期 formance analysis show that the metallurgical index of Category 1 and Category 2 are satisfactory, and Category 3, with its intercalated distribution pattern, shows relatively poor metallurgical performance due to the inhomogeneous structure. The above results indicate that the research method based on the distribution pattern of mineral phase structure can be conducive to the discovery of the formation mechanism of the mineralogical structure, and can help to control the sintering raw materials and sintering atmosphere. It has certain theoretical value for improving the metallurgical properties of sinter. KEY WORDS high basicity sinter; mineralogical structure; distribution patterns; formation mechanisms; metallurgical properties 烧结原料中大量低品位、高铝、含钛型铁矿石及 复合造块技术的引入,给烧结生产稳定性的保持和 工艺过程的控制增加了难度. 原料质量的劣化意味 着矿相结构愈加复杂,这必然会导致烧结矿质量波 动程度的增大[1鄄鄄2] . 烧结矿矿相结构作为原料质量、 工艺条件、冶金性能等多种指标的内在表征,其良好 的分布模式对保证各项指标的稳定具有重要意 义[3鄄鄄4] . 图 1 烧结矿手标本. (a) 第 1 类; (b) 第 2 类; (c) 第 3 类 Fig. 1 Hand specimen of sinters: (a) Category 1; (b) Category 2; (c) Category 3 为提高烧结矿质量,国内外研究学者分别从研 究手段、原料配比、工艺条件、单矿物形成机理等方 面对矿相结构进行了优化研究,并建立了相应理论 体系. Wang 等[5鄄鄄6]采用“序列切片鄄鄄三维重建法冶对 烧结矿断面序列显微图像进行了三维重建,实现了 烧结矿局部微观结构的三维可视化,填补了二维矿 相研究手段的不足. 刘丽娜等[7鄄鄄8]研究了矿石种类、 碱度和碳含量对烧结矿矿相结构特征的影响,结果 表明磁铁矿和赤铁矿烧制而成的烧结矿具有良好的 矿相结构,碱度和配碳量的增加均能改善烧结矿矿 相结构和冶金性能. 肖志新等[9] 认为,烧结矿液相 扩展能力的过大或矿粉质量的下降均会导致孔洞尺 寸和数量的增加,进而影响烧结矿的强度. Pimenta 和 Seshadri [10] 研究认为,一定含量的 Al 2 O3 / SiO2 是 形成针状复合铁酸钙的必要条件, 但烧结矿中 Al 2O3质量分数超过 2郾 0% 时,会加剧烧结矿低温还 原粉化,其强度明显下降. Jursova 等[11]利用阿基米 德原理测量了数组烧结矿的孔隙率,并对其进行还 原性实验,得出烧结矿的还原性和孔隙率具有正相 关关系. 乔瑞庆和杜鹤桂[12] 将烧结矿中的孔隙分 为了宏观孔隙和微气孔两大类,并认为微气孔是在 铁酸钙结晶之后和玻璃体凝固之前所形成的. 维格 曼等[13]认为,烧结矿中的气孔是由熔体收缩而产生 的空隙. 以上研究分别从烧结矿局部的微观三维结构重 建、不同碱度和配碳量等工艺条件对矿相结构的影 响、化学元素对单种矿物的形成影响、气孔与还原性 间的关系、气孔的分类和形成机理等方面进行了大 量研究,并取得了系列成果. 但从工艺矿物学角度 入手,定量分析烧结矿矿相结构分布模式及其形成 机理的研究尚未见系统报道. 基于此,课题组在国 家自然基金委的资助下,分别从烧结矿理化性能、矿 相结构间的分布模式和形成机理、矿相结构与冶金 性能的关系三方面进行了研究,对优化工艺条件、提 高烧结矿质量具有理论价值和指导意义. 1 试样理化性能及矿相结构分布模式 1郾 1 试样理化性能 对某钢厂烧结矿破碎后,根据气孔的不同从中 挑选了三种类型(图 1). 手标本鉴定特征为:第 1 类烧结矿气孔呈稀疏状分布于样品边缘,存在光滑 连续断面;第 2 类烧结矿气孔呈稀疏状分布于整个 样品,边缘较集中,样品断面光滑但不连续;第 3 类 烧结矿气孔分布极其致密、无光滑断面. 化学分析 见表 1,烧结矿二元碱度 R 分别为 2郾 10、2郾 07 和 1郾 81,为磁铁矿型高碱度烧结矿. 之后,对 3 类烧结 ·182·
陈前冲等：高碱度烧结矿矿相结构分布模式及形成机理 ·183· 矿挑选足够样品，分别进行冶金性能测试和矿相结 (RDI)依据国家标准GB/T13242-91取大于3.15 构特征鉴定等试验.冶金性能测试：烧结矿冷态强 mm粒级的烧结矿进行测定.矿相结构特征的鉴定： 度根据国家标准GB8029-87测定；还原性参照国家 矿物识别（依据矿物的光性特征）-矿物含量（采用 标准GB/T13241-91测定：低温还原粉化性能 矿物目估统计法). 表1烧结矿化学成分 Table 1 Chemical composition of sinters 质量分数/% 类型 碱度，R TFe FeO Si02 Ca0 Al203 Mgo 第1类 56.01 10.45 5.11 10.02 0.93 2.10 2.10 第2类 56.70 8.50 4.87 10.10 1.12 1.91 2.07 第3类 56.85 8.91 5.43 9.83 1.83 2.12 1.81 1.2矿相结构分布模式 两用Axioskop40Apol研究型偏光显微镜进行观察， 对3类烧结矿试样分别采用环氧树脂进行铸 对各类烧结矿矿相结构间的分布模式进行了划分 型、研磨、抛光，制成光薄片，并利用德国蔡司透/反 (表2). 表2烧结矿矿相结构分布模式 Table 2 Distribution patterns of the mineralogical structure of sinters 类型 分布模式（体积分数） 矿相结构 均一状（≥95%） 交织熔蚀-熔蚀结构 第1类 其他结构(10%) 骸品赤铁矿、粒状磁铁矿，斑状结构 均一状(>50%) 交织熔蚀-熔蚀结构 第3类 互嵌状(20%) 骸品赤铁矿、粒状磁铁矿、斑状结构 镜下观察发现，第1类烧结矿矿相结构均匀，主 集中出现.均一状分布模式产生于温度较高、还原 要为交织熔蚀-熔蚀结构（图2），为均一状分布模 性较强和混料均匀的稳定条件之中，这种烧结矿 式.第2类烧结矿矿相结构较均匀，存在特殊的同 具有良好的冶金性能[).对比第1类烧结矿来看， 心环状分布模式，多以独立单元的形式少量出现， 具有同心环状、互嵌状分布模式的2、3类烧结刊矿 从外到内依次展布有交织熔蚀结构、熔蚀结构和 属于非均相复合体，矿相结构多样化，形成机理复 赤铁矿粒状结构.第3类烧结矿矿相结构不均匀， 杂化，致使治金性能波动较大.为此，特对同心环 其特殊在于交织熔蚀结构、赤铁矿粒状结构、铁酸 状和互嵌状矿相结构的分布模式及形成机理进行 钙聚集区相互交叉形成互嵌状分布模式，易大片 了探讨. a 铁酸钙 磁铁 失酸钙 磁铁矿 硅酸二钙 >504m 硅酸二钙 图2均一状烧结矿显微结构.(a)熔蚀结构：(b)交织熔蚀结构 Fig.2 Microstructure of uniform sinter:(a)erosion structure;(b)interlaced erosion structure
陈前冲等: 高碱度烧结矿矿相结构分布模式及形成机理 矿挑选足够样品,分别进行冶金性能测试和矿相结 构特征鉴定等试验. 冶金性能测试:烧结矿冷态强 度根据国家标准 GB8029鄄鄄87 测定;还原性参照国家 标准 GB / T13241鄄鄄 91 测 定; 低 温 还 原 粉 化 性 能 (RDI)依据国家标准 GB / T13242鄄鄄 91 取大于 3郾 15 mm 粒级的烧结矿进行测定. 矿相结构特征的鉴定: 矿物识别(依据矿物的光性特征)鄄鄄 矿物含量(采用 矿物目估统计法). 表 1 烧结矿化学成分 Table 1 Chemical composition of sinters 类型 质量分数/ % TFe FeO SiO2 CaO Al2O3 MgO 碱度,R 第 1 类 56郾 01 10郾 45 5郾 11 10郾 02 0郾 93 2郾 10 2郾 10 第 2 类 56郾 70 8郾 50 4郾 87 10郾 10 1郾 12 1郾 91 2郾 07 第 3 类 56郾 85 8郾 91 5郾 43 9郾 83 1郾 83 2郾 12 1郾 81 1郾 2 矿相结构分布模式 对 3 类烧结矿试样分别采用环氧树脂进行铸 型、研磨、抛光,制成光薄片,并利用德国蔡司透/ 反 两用 Axioskop 40A pol 研究型偏光显微镜进行观察, 对各类烧结矿矿相结构间的分布模式进行了划分 (表 2). 表 2 烧结矿矿相结构分布模式 Table 2 Distribution patterns of the mineralogical structure of sinters 类型 分布模式(体积分数) 矿相结构 第 1 类 均一状( > 95% ) 交织熔蚀鄄鄄熔蚀结构 其他结构( 10% ) 骸晶赤铁矿、粒状磁铁矿、斑状结构 均一状( > 50% ) 交织熔蚀鄄鄄熔蚀结构 第 3 类 互嵌状( 20% ) 骸晶赤铁矿、粒状磁铁矿、斑状结构 图 2 均一状烧结矿显微结构. (a) 熔蚀结构; (b) 交织熔蚀结构 Fig. 2 Microstructure of uniform sinter: (a) erosion structure; (b) interlaced erosion structure 镜下观察发现,第 1 类烧结矿矿相结构均匀,主 要为交织熔蚀鄄鄄 熔蚀结构(图 2),为均一状分布模 式. 第 2 类烧结矿矿相结构较均匀,存在特殊的同 心环状分布模式,多以独立单元的形式少量出现, 从外到内依次展布有交织熔蚀结构、熔蚀结构和 赤铁矿粒状结构. 第 3 类烧结矿矿相结构不均匀, 其特殊在于交织熔蚀结构、赤铁矿粒状结构、铁酸 钙聚集区相互交叉形成互嵌状分布模式,易大片 集中出现. 均一状分布模式产生于温度较高、还原 性较强和混料均匀的稳定条件之中,这种烧结矿 具有良好的冶金性能[4] . 对比第 1 类烧结矿来看, 具有同心环状、互嵌状分布模式的 2、3 类烧结矿 属于非均相复合体,矿相结构多样化,形成机理复 杂化,致使冶金性能波动较大. 为此,特对同心环 状和互嵌状矿相结构的分布模式及形成机理进行 了探讨. ·183·
·184· 工程科学学报，第41卷，第2期 1.3气孔的孔径测量和含量统计 气孔含量、气孔直径变化图. 文中关于气孔的统计测量主要有两种情况：第 一种，对某一区域或整个烧结矿中所含气孔进行测 量和统计，这种情况采用目估法即可：第二种，对直 线所经过区域的气孔变化情况进行统计测量，其统 第1条 计测量方法以图3中黄线所经过区域的气孔统计测 第2条 量进行举例说明： 第3条 (1)对三条黄色直线所经过区域的长度采用直 尺进行测量，长度为L=18mm. (2)为保证数据的充足性和代表性，以三条互 相平行的黄色直线为观测路径，相互间隔2mm.将 每条观测路径从左到右以2mm为间距进行划分，共 2吧 分为9个区间，第一条观测路径标记为Q1、Q2、 图3同心环状分布模式 Q1,…,Qg1,第二条观测路径标记为Q12、Q2、Q2, Fig.3 Concentric annular distribution patter …,Q2,第三条观测路径标记为Q13、Q23、Q3,…, Qo3 2同心环状矿相结构分布模式及形成机理 (3)具体步骤：①将第2类烧结矿的光薄片固 2.1第2类烧结矿的同心环状矿相结构分布模式 定于载物台：②旋转载物台，使水平螺丝所在标尺与 及矿物组成 目镜测量微尺相平行；③选取10×10的物镜、目镜； 同心环状分布模式从外到内依次为：交织熔蚀 ④旋转水平螺丝和垂直螺丝，使第一条路径左端与 结构、熔蚀结构和赤铁矿粒状结构（图3）.各分带 目镜微尺左端相重合，记录水平螺丝所在标尺读数 的显微结构种类、矿物含量、气孔率等参数列于表 为B:⑤对视域中的气孔直径、含量进行测量统计， 3,同时从左到右对示意图中黄线所经过区域的气孔 平均后得到直径Z,和含量H1,即为Q,中的气孔 直径、气孔含量等进行了统计（图4）. 直径、含量：⑥旋转水平螺丝，向左移动薄片至Q2 区间，此时螺丝所在标尺读数应为B+2mm(因为移 动一个区间是2mm):⑦重复第五步骤，观测得到 0.7 气孔率 70 Q21的气孔直径Z2:和含量H21:⑧反复进行第六和第 0.6 60 五步，最终得到各区间数据Z1、Z2、Z1,…,Z1和 目a5 50 H1、H21、H1,…,H1;⑨回退水平螺丝至读数B,调 气孔直径 0 整垂直螺丝至第二条观察路径，依据上述步骤得出 30 第二条路径各区间数据Z2、Z2、Z2,…,Z2和H2、 H2、H2,,H2:同样方法得出第三条观察路径各 0.2 20 区间数据Z3、Z2、Z3,…,Z和H、H3、H3…Hg 0.1上 10 内部带 对三条路线数据进行加和求平均得到各区间数据 过液带外都 0 24 681012141618 Z1、Z2、Z3,…,Zg和H1、H2、H3,…,Hg 测量长度mm (4)利用CorelDRAW软件，并结合各区间数据 图4气孔率、气孔直径变化图 Z1、Z2、Z,…,Z,和H1、H2、H3,…,H,绘制最终的 Fig.4 Variation diagram of the content and diameter of pore 表3各分带的显微结构、矿物及气孔所占体积分数 Table 3 Microstructure,mineral and pore content of each belt 各分带结构中矿物体积分数/% 分带显微结构 各分带体 气孔率/% 积分数/% 磁铁矿 赤铁矿 铁酸钙 硅酸二钙 残余Ca0 玻璃质 粒状结构（内部带） 8-10 少量 80-85 少量 10~15 5w7 60~65 熔蚀结构（过渡带） 20-30 45~50 8~10 30~35 5~8 2~3 1~2 40w45 交织熔蚀结构（外部带） 60-70 30-40 3-5 50~60 35 少量 1-2 25w30
工程科学学报,第 41 卷,第 2 期 1郾 3 气孔的孔径测量和含量统计 文中关于气孔的统计测量主要有两种情况:第 一种,对某一区域或整个烧结矿中所含气孔进行测 量和统计,这种情况采用目估法即可;第二种,对直 线所经过区域的气孔变化情况进行统计测量,其统 计测量方法以图 3 中黄线所经过区域的气孔统计测 量进行举例说明: (1)对三条黄色直线所经过区域的长度采用直 尺进行测量,长度为 L = 18 mm. (2)为保证数据的充足性和代表性,以三条互 相平行的黄色直线为观测路径,相互间隔 2 mm. 将 每条观测路径从左到右以 2 mm 为间距进行划分,共 分为 9 个区间,第一条观测路径标记为 Q11 、Q21 、 Q31 ,…,Q91 ,第二条观测路径标记为 Q12 、Q22 、Q32 , …,Q92 ,第三条观测路径标记为 Q13 、Q23 、Q33 ,…, Q93 . (3)具体步骤:淤将第 2 类烧结矿的光薄片固 定于载物台;于旋转载物台,使水平螺丝所在标尺与 目镜测量微尺相平行;盂选取 10 伊 10 的物镜、目镜; 榆旋转水平螺丝和垂直螺丝,使第一条路径左端与 目镜微尺左端相重合,记录水平螺丝所在标尺读数 为 B;虞对视域中的气孔直径、含量进行测量统计, 平均后得到直径 Z11 和含量 H11 ,即为 Q11 中的气孔 直径、含量;愚旋转水平螺丝,向左移动薄片至 Q21 区间,此时螺丝所在标尺读数应为 B + 2 mm(因为移 动一个区间是 2 mm);舆重复第五步骤,观测得到 Q21的气孔直径 Z21和含量 H21 ;余反复进行第六和第 五步,最终得到各区间数据 Z11 、Z21 、Z31 ,…,Z91 和 H11 、H21 、H31 ,…,H91 ;俞回退水平螺丝至读数 B,调 整垂直螺丝至第二条观察路径,依据上述步骤得出 第二条路径各区间数据 Z12 、Z22 、Z32 ,…,Z92和 H12 、 H22 、H32 ,…,H92 . 同样方法得出第三条观察路径各 区间数据 Z13 、Z23 、Z33 ,…,Z93和 H13 、H23 、H33…H93 . 对三条路线数据进行加和求平均得到各区间数据 Z1 、Z2 、Z3 ,…,Z9和 H1 、H2 、H3 ,…,H9 . (4)利用 CorelDRAW 软件,并结合各区间数据 Z1 、Z2 、Z3 ,…,Z9 和 H1 、H2 、H3 ,…,H9 ,绘制最终的 气孔含量、气孔直径变化图. 图 3 同心环状分布模式 Fig. 3 Concentric annular distribution pattern 2 同心环状矿相结构分布模式及形成机理 2郾 1 第 2 类烧结矿的同心环状矿相结构分布模式 及矿物组成 同心环状分布模式从外到内依次为:交织熔蚀 结构、熔蚀结构和赤铁矿粒状结构(图 3). 各分带 的显微结构种类、矿物含量、气孔率等参数列于表 3,同时从左到右对示意图中黄线所经过区域的气孔 直径、气孔含量等进行了统计(图 4). 图 4 气孔率、气孔直径变化图 Fig. 4 Variation diagram of the content and diameter of pore 表 3 各分带的显微结构、矿物及气孔所占体积分数 Table 3 Microstructure, mineral and pore content of each belt 分带显微结构 各分带体 积分数/ % 各分带结构中矿物体积分数/ % 磁铁矿 赤铁矿 铁酸钙 硅酸二钙 残余 CaO 玻璃质 气孔率/ % 粒状结构(内部带) 8 ~ 10 少量 80 ~ 85 少量 10 ~ 15 5 ~ 7 60 ~ 65 熔蚀结构(过渡带) 20 ~ 30 45 ~ 50 8 ~ 10 30 ~ 35 5 ~ 8 2 ~ 3 1 ~ 2 40 ~ 45 交织熔蚀结构(外部带) 60 ~ 70 30 ~ 40 3 ~ 5 50 ~ 60 3 ~ 5 少量 1 ~ 2 25 ~ 30 ·184·
陈前冲等：高碱度烧结矿矿相结构分布模式及形成机理 ·185· 不难发现，从内部带到外部带矿物组成和气孔 磁铁矿氧化形成的赤铁矿和少量残余CaO:交织熔 出现了规律性变化，黏结相由烧结不良的残余Ca0 蚀结构（外部带）（图5(）、(g))为磁铁矿与黏结相 过渡到液相发育的铁酸钙，金属相由氧化气氛下的 矿物铁酸钙和少量硅酸二钙、玻璃质一起固结，气孔呈 赤铁矿变化为还原气氛下的磁铁矿，由内而外气孔 浑圆状，少量半自形赤铁矿分布于带边缘（图5(h) 率降低、气孔直径缩小. 2.3同心环状矿相结构形成机理 2.2同心环状烧结矿显微结构 如图5(a)所示，由于混料不均或者燃烧不充 粒状结构（内部带）（图5(a)、(b)、(c))为不 分，①部位出现了大量硅酸二钙和残余Ca0,未能形 规则大气孔围绕致密粒状赤铁矿，赤铁矿间由再结 成有效液相，而②部位可以明显看到大量有效液相 品品键和硅酸二钙、残余C0所固结：熔蚀结构（过 生成.根据文献[13]所提出的“烧结矿是由许多凝 渡带)（图5(d)、(e))为磁铁可矿与黏结相矿物铁酸 块组成的体系”理论，由于①部位未能形成有效液 钙和少量硅酸二钙、玻璃质一起固结，其间存在大量 相、凝块不能收缩，气孔壁呈直线状，②部位形成大 (a) 硅酸二钙 a 气孔 5004m 赤铁矿 (c) 硅酸二钙 d 赤铁丽 磁铁矿 铁酸钙 赤铁列 50m 200 玻璃质 赤铁矿 磁铁矿 硅酸二钙 铁酸钙 50山m 200m 磁铁矿 赤铁矿 玻璃质 磁铁列 硅酸二钙 铁酸钙 50μm 图5同心环状烧结矿显微结构.(a)粒状结构（内部带）：(b)①号区域（内部带）：(c)②号区域（内部带）：(d,e)熔蚀结构（过渡带）： (f,g)交织熔蚀结构（外部带）：(h)氧化赤铁矿（外部带边缘） Fig.5 Microstructure of concentric annular sinter:(a)granular structure (inner belt);(b)area inner belt);(c)area 2(inner belt);(d, e)erosion structure (transition belt);(f,g)interlaced erosion structure (outside belt);(h)oxidized hematite (the edge of outside belt)
陈前冲等: 高碱度烧结矿矿相结构分布模式及形成机理 不难发现,从内部带到外部带矿物组成和气孔 出现了规律性变化,黏结相由烧结不良的残余 CaO 过渡到液相发育的铁酸钙,金属相由氧化气氛下的 赤铁矿变化为还原气氛下的磁铁矿,由内而外气孔 率降低、气孔直径缩小. 图 5 同心环状烧结矿显微结构郾 (a) 粒状结构(内部带); (b) 淤号区域(内部带); (c) 于号区域(内部带); (d, e) 熔蚀结构(过渡带); (f, g) 交织熔蚀结构(外部带); (h) 氧化赤铁矿(外部带边缘) Fig. 5 Microstructure of concentric annular sinter: (a) granular structure (inner belt); (b) area 淤 (inner belt); (c) area 于 (inner belt); (d, e) erosion structure (transition belt); (f, g) interlaced erosion structure (outside belt); (h) oxidized hematite (the edge of outside belt) 2郾 2 同心环状烧结矿显微结构 粒状结构(内部带) (图 5( a)、( b)、( c)) 为不 规则大气孔围绕致密粒状赤铁矿,赤铁矿间由再结 晶晶键和硅酸二钙、残余 CaO 所固结;熔蚀结构(过 渡带)(图 5(d)、( e))为磁铁矿与黏结相矿物铁酸 钙和少量硅酸二钙、玻璃质一起固结,其间存在大量 磁铁矿氧化形成的赤铁矿和少量残余 CaO;交织熔 蚀结构(外部带)(图 5(f)、(g))为磁铁矿与黏结相 矿物铁酸钙和少量硅酸二钙、玻璃质一起固结,气孔呈 浑圆状,少量半自形赤铁矿分布于带边缘(图5(h)). 2郾 3 同心环状矿相结构形成机理 如图 5( a) 所示,由于混料不均或者燃烧不充 分,淤部位出现了大量硅酸二钙和残余 CaO,未能形 成有效液相,而于部位可以明显看到大量有效液相 生成. 根据文献[13]所提出的“烧结矿是由许多凝 块组成的体系冶 理论,由于淤部位未能形成有效液 相、凝块不能收缩,气孔壁呈直线状,于部位形成大 ·185·
·186· 工程科学学报，第41卷，第2期 量有效液相、凝块收缩，气孔壁呈弧状.气孔两侧壁 烧结矿的结构和冶金性能产生大的影响 凹凸不平，最终导致了内部带内的气孔发育不规则. 对于过渡带、外部带内的气孔来讲（图5(e)、(f)), 3互嵌状矿相结构分布模式及形成机理 气孔形状多发育呈圆状、气孔直径相较内部带内气 3.1第3类烧结矿的互嵌状矿相结构分布模式及 孔小了很多，这些气孔的形成过程是[]：在抽风过 矿物组成 程中气流的作用下，气体呈气泡状浮入熔体或形成 互嵌状矿相结构分布模式见图6，矿物组成和 气流，形成了贯穿熔体的孔洞，在光薄片上呈现为微 气孔含量见表4. 小圆形或椭圆状.综上，内部带由于混料不均和不 规则大气孔的存在，抽风形成的强氧化气氛导致了 赤铁矿粒状结构的生成：外部带均是封闭小气孔，不 会对矿相结构产生大的影响，最终形成典型的交织 熔蚀结构，仅在带边缘见到微量赤铁矿（图5(h)); 过渡带则介于内部带、外部带之间，受到内部带大气 孔中强氧化氛围的影响，形成了含赤铁矿较多的熔 蚀结构.同心环状矿相结构是一种相对独立的单 元，不仅代表了其所在区域的结构独立于总体，也表 明这一区域的工艺条件独立于总体，也就是同心环 图6互嵌状分布模式 状矿相结构所在区域工艺条件的恶化并不会对整个 Fig.6 Intercalated distribution pattem 表4互嵌状烧结矿矿物组成及气孔率 Table 4 Mineral composition and porosity of intercalated sinter 各区域体 各分带结构中矿物体积分数/% 气孔率/ 显微结构 积占比/% 磁铁矿 赤铁矿 铁酸钙 硅酸二钙 残余Ca0 玻璃质 % 交织熔蚀结构(A区域) 70-80 40~45 微量 45~50 5~10 微量 2~3 20-30 粒状结构(B区域) 15~20 少量 85-90 510 少量 2-3 1~2 3035 铁酸钙聚集区(B区域) 5-10 90~95 5~10 结合图表可以看出，整个烧结矿试样以红线为 域矿相结构的形成机理分别相似于外部带、内部带 界分为两个区域，各区域中矿物组成存在显著差别. 的形成机理.存在较大差别的是B区域存在有数个 A区域中的矿物主要是磁铁矿、铁酸钙和硅酸二钙： 黏结相的聚集区，其形成过程如图8 B区域的矿物主要是赤铁矿和铁酸钙，分别存在于 如上图所示，铁酸钙聚集区的形成经历了三个 粒状结构和铁酸钙聚集区，且存在残余CaO 阶段.第一阶段（图8-I):碳粉颗粒燃烧，液相初步 3.2互嵌状烧结矿显微结构 生成并向内部收缩，矿粉和熔剂颗粒在初熔液相的 互嵌状矿相结构显微结构见图7，交织熔蚀结 包裹下进一步熔化：第二阶段（图8-Ⅱ）：随着燃料 构(A区域)（图7(a)、(b))体现为磁铁矿与黏结相 颗粒的燃烧结束，液相完全生成，磁铁矿从周边向内 矿物铁酸钙和少量硅酸二钙、玻璃质一起固结，气孔 部开始结品.随着磁铁矿的结品及抽风作用，液相 呈浑圆状，仅见微量赤铁矿分布于气孔边缘：粒状结 收缩形成不规则气孔：第三阶段（图8-Ⅲ）：结晶结 构(B区域)（图7(d))体现为粒状赤铁矿与少量铁 束，收缩在中心区内的液相结晶生成铁酸钙，形成 酸钙一起固结，而大量铁酸钙则集中出现于数个黏 铁酸钙聚集区.同时周边区内结晶成的磁铁矿在 结相聚集区（图7(e)、(f)),气孔多呈凹凸状不均匀 抽风作用下氧化变成赤铁矿，最终形成赤铁矿粒 分布，部分残余Ca0出现于赤铁矿颗粒间：两区域 状结构.相较于同心环状矿相结构是一个独立单 间界线清晰（图7（©）)，界线两侧气孔形态相差较 元来讲，互嵌状矿相结构易成片出现，互嵌状矿相 大且分布有少量残余Ca0. 结构的出现表明烧结矿局部工艺条件存在恶化， 3.3互嵌状矿相结构形成机理 这种恶化可能是温度较低、气流不稳定和混料不 互嵌状矿相结构中的A、B区域分别类似于同 均匀，由此可能会导致烧结矿整个矿相结构和冶 心环状矿相结构中的外部带、内部带，因此，A、B区 金性能发生恶化
工程科学学报,第 41 卷,第 2 期 量有效液相、凝块收缩,气孔壁呈弧状. 气孔两侧壁 凹凸不平,最终导致了内部带内的气孔发育不规则. 对于过渡带、外部带内的气孔来讲(图 5(e)、( f)), 气孔形状多发育呈圆状、气孔直径相较内部带内气 孔小了很多,这些气孔的形成过程是[12] :在抽风过 程中气流的作用下,气体呈气泡状浮入熔体或形成 气流,形成了贯穿熔体的孔洞,在光薄片上呈现为微 小圆形或椭圆状. 综上,内部带由于混料不均和不 规则大气孔的存在,抽风形成的强氧化气氛导致了 赤铁矿粒状结构的生成;外部带均是封闭小气孔,不 会对矿相结构产生大的影响,最终形成典型的交织 熔蚀结构,仅在带边缘见到微量赤铁矿(图 5( h)); 过渡带则介于内部带、外部带之间,受到内部带大气 孔中强氧化氛围的影响,形成了含赤铁矿较多的熔 蚀结构. 同心环状矿相结构是一种相对独立的单 元,不仅代表了其所在区域的结构独立于总体,也表 明这一区域的工艺条件独立于总体,也就是同心环 状矿相结构所在区域工艺条件的恶化并不会对整个 烧结矿的结构和冶金性能产生大的影响. 3 互嵌状矿相结构分布模式及形成机理 3郾 1 第 3 类烧结矿的互嵌状矿相结构分布模式及 矿物组成 互嵌状矿相结构分布模式见图 6,矿物组成和 气孔含量见表 4. 图 6 互嵌状分布模式 Fig. 6 Intercalated distribution pattern 表 4 互嵌状烧结矿矿物组成及气孔率 Table 4 Mineral composition and porosity of intercalated sinter 显微结构 各区域体 积占比/ % 各分带结构中矿物体积分数/ % 磁铁矿 赤铁矿 铁酸钙 硅酸二钙 残余 CaO 玻璃质 气孔率/ % 交织熔蚀结构(A 区域) 70 ~ 80 40 ~ 45 微量 45 ~ 50 5 ~ 10 微量 2 ~ 3 20 ~ 30 粒状结构(B 区域) 15 ~ 20 少量 85 ~ 90 5 ~ 10 少量 2 ~ 3 1 ~ 2 30 ~ 35 铁酸钙聚集区(B 区域) 5 ~ 10 90 ~ 95 5 ~ 10 结合图表可以看出,整个烧结矿试样以红线为 界分为两个区域,各区域中矿物组成存在显著差别. A 区域中的矿物主要是磁铁矿、铁酸钙和硅酸二钙; B 区域的矿物主要是赤铁矿和铁酸钙,分别存在于 粒状结构和铁酸钙聚集区,且存在残余 CaO. 3郾 2 互嵌状烧结矿显微结构 互嵌状矿相结构显微结构见图 7,交织熔蚀结 构(A 区域)(图 7(a)、(b))体现为磁铁矿与黏结相 矿物铁酸钙和少量硅酸二钙、玻璃质一起固结,气孔 呈浑圆状,仅见微量赤铁矿分布于气孔边缘;粒状结 构(B 区域)(图 7(d))体现为粒状赤铁矿与少量铁 酸钙一起固结,而大量铁酸钙则集中出现于数个黏 结相聚集区(图7(e)、(f)),气孔多呈凹凸状不均匀 分布,部分残余 CaO 出现于赤铁矿颗粒间;两区域 间界线清晰(图 7 ( c)),界线两侧气孔形态相差较 大且分布有少量残余 CaO. 3郾 3 互嵌状矿相结构形成机理 互嵌状矿相结构中的 A、B 区域分别类似于同 心环状矿相结构中的外部带、内部带,因此,A、B 区 域矿相结构的形成机理分别相似于外部带、内部带 的形成机理. 存在较大差别的是 B 区域存在有数个 黏结相的聚集区,其形成过程如图 8. 如上图所示,铁酸钙聚集区的形成经历了三个 阶段. 第一阶段(图 8鄄玉):碳粉颗粒燃烧,液相初步 生成并向内部收缩,矿粉和熔剂颗粒在初熔液相的 包裹下进一步熔化;第二阶段(图 8鄄域):随着燃料 颗粒的燃烧结束,液相完全生成,磁铁矿从周边向内 部开始结晶. 随着磁铁矿的结晶及抽风作用,液相 收缩形成不规则气孔;第三阶段(图 8鄄芋):结晶结 束,收缩在中心区内的液相结晶生成铁酸钙,形成 铁酸钙聚集区. 同时周边区内结晶成的磁铁矿在 抽风作用下氧化变成赤铁矿,最终形成赤铁矿粒 状结构. 相较于同心环状矿相结构是一个独立单 元来讲,互嵌状矿相结构易成片出现,互嵌状矿相 结构的出现表明烧结矿局部工艺条件存在恶化, 这种恶化可能是温度较低、气流不稳定和混料不 均匀,由此可能会导致烧结矿整个矿相结构和冶 金性能发生恶化. ·186·
陈前冲等：高碱度烧结矿矿相结构分布模式及形成机理 ·187· 4 b) 磁铁矿 铁酸钙 硅酸二钙 赤伏和 残余CaO 铁酸钙 00 um 玻璃质 硅酸二钙 铁酸钙 100μm 50m 图7互嵌状烧结矿显微结构.(a,b)交织熔蚀结构(A区域)：(c)两区域间的交界；(d)粒状结构(B区域)：（©，f)B区域中的黏结相 聚集区 Fig.7 Microstructure of intercalated sinter:(a,b)interlaced erosion structure (area A);(c)the boundary between two areas;(d)granular struc- ture (area B);(e,f)bonding phase accumulation area of area B ,碳粉颗粒 ,黏结相 未结晶液相 初熔液相 矿粉+ 氧化赤铁矿 结晶磁铁矿 熔剂颗粒 Ⅱ气孔 图8铁酸钙聚集区形成示意图 Fig.8 Schematic diagram of the calcium ferrate accumulation areas 分析认为：化学成分对矿相结构和冶金性能的 4冶金性能分析 影响主要体现在碱度和A山，0，的含量变化上（表1）. 烧结矿冶金性能的好坏是化学成分和矿相结构 从第一类烧结矿到第三类烧结矿，碱度依次递减、 差异的外在表征，表5给出了三类烧结矿的各项冶 A山，O3含量依次增加，相对应的矿相结构不均匀度依 金性能指标，三类烧结矿的低温还原粉化指数和还 次增大、冶金性能逐渐恶化.碱度对黏结相的生成 原指数存在较大差别，转鼓指数相似. 至关重要，第三类烧结矿由于其碱度较低，无法生成
陈前冲等: 高碱度烧结矿矿相结构分布模式及形成机理 图 7 互嵌状烧结矿显微结构郾 (a, b) 交织熔蚀结构(A 区域); (c) 两区域间的交界; (d) 粒状结构(B 区域); (e, f) B 区域中的黏结相 聚集区 Fig. 7 Microstructure of intercalated sinter: (a, b) interlaced erosion structure (area A); (c) the boundary between two areas; (d) granular struc鄄 ture (area B); (e, f) bonding phase accumulation area of area B 图 8 铁酸钙聚集区形成示意图 Fig. 8 Schematic diagram of the calcium ferrate accumulation areas 4 冶金性能分析 烧结矿冶金性能的好坏是化学成分和矿相结构 差异的外在表征,表 5 给出了三类烧结矿的各项冶 金性能指标,三类烧结矿的低温还原粉化指数和还 原指数存在较大差别,转鼓指数相似. 分析认为:化学成分对矿相结构和冶金性能的 影响主要体现在碱度和 Al 2O3的含量变化上(表 1). 从第一类烧结矿到第三类烧结矿,碱度依次递减、 Al 2O3含量依次增加,相对应的矿相结构不均匀度依 次增大、冶金性能逐渐恶化. 碱度对黏结相的生成 至关重要,第三类烧结矿由于其碱度较低,无法生成 ·187·
·188· 工程科学学报，第41卷，第2期 表5烧结矿冶金性能指标 Table 5 Metallurgical properties of sinters 类型 分布模式 低温粉化指数(RDL,a.5mm)/% 转鼓指数/%还原指数/% 碱度，R 第1类 均一状分布+其他结构 85.3 79.97 64.20 2.10 第2类 均一状分布+同心环状分布+其他结构 79.7 78.30 69.95 2.07 第3类 均一状分布+互嵌状分布+其他结构 54.8 79.01 84.60 1.81 充足的黏结相，导致其矿相结构成为了赤铁矿粒状 模式.均一状的矿相结构形成于温度较高、还原性 结构较多的互嵌状，而第一类、第二类烧结矿碱度相 较强和混料均匀的稳定条件之中，主要为交织熔蚀- 近且指数较高，其矿相结构分布模式分别为交织熔 熔蚀结构. 蚀结构发育的均一状和同心环状.A山，O,可以促进 (2)同心环状分布的矿相结构从外部带到内部 赤铁矿的发育，使赤铁矿单颗粒结合为片状的结晶 带依次为交织熔蚀结构、熔蚀结构和赤铁矿粒状结 态，集中了相变应力的爆发并增加了赤铁矿的含 构，多以独立单元的形式出现，其所在区域工艺条件 量[4)，也就导致了从第一类到第三类烧结矿低温粉 的恶化并不会对烧结矿总体的结构和冶金性能造成 化指数逐渐恶化、还原性却逐渐升高的现象 太大影响.交织熔蚀结构、赤铁矿粒状结构和铁酸 三类烧结矿矿相结构虽然分布模式不同，但主 钙聚集区交叉形成的互嵌状矿相结构易成片出现， 要是由交织熔蚀结构和赤铁粒状结构构成，交织熔 其所在区域工艺条件的恶化会对烧结矿总体的结构 蚀结构中的铁酸钙像编织的网一样“焊接”着粒状 和冶金性能造成较大影响，这种恶化可能由温度较 磁铁矿，粒状结构中的赤铁矿相较磁铁矿、铁酸钙而 低、气流不稳定和混料不均匀等因素造成 言显微硬度最大，各矿物的交织穿插和单矿物的高 (3)冶金性能分析显示，第1、2类烧结矿冶金 硬度决定了良好的转鼓指数[1s-]:赤铁矿向磁铁矿 性能指标良好，具有互嵌状分布模式的第3类烧结 还原的过程中品格膨胀25%，引起低温还原粉化的 矿由于矿相结构的不均匀，冶金性能相对较差.建 发生[].同心环状分布模式中的粒状赤铁矿被熔蚀 议在烧结生产时，注意控制布料的均匀性和气氛的 结构和交织熔蚀结构呈环状包裹，品格膨胀所产生 稳定性，以避免第3类烧结矿的出现，保证烧结矿具 的应力被均匀释放.互嵌状分布模式中的赤铁矿粒 有良好的冶金性能. 状结构与交织熔蚀结构呈交叉状，晶格膨胀所产生 的应力集中于交叉点，且其赤铁矿含量高于同心环 参考文献 状矿相结构，造成第2类烧结矿比第3类烧结矿低 [1]Wang H F,Pei Y D,Zhang C X,et al.Green development of 温还原粉化指数要好：较高的赤铁矿含量造成第3 sintering/pellet procedure in China iron and steel industry.fron 类烧结矿还原性最好，第1类烧结矿赤铁矿含量较 Steel,2016,51(1):1 少，且以微气孔为主，还原性最差.同时，三类烧结 (王海风，裴元东，张春霞，等.中国钢铁工业烧结/球团工序 矿中“其他结构”的含量依次为第1类<第2类< 绿色发展工程科技战略及对策.钢铁，2016,51(1)：1) 第3类，说明矿相结构的不均匀度依次增大.“其他 [2]Zhang J L,Liu D H,Wang X L,et al.Research status develop- ment trend of chemical composition control of sinter.Sintering Pel- 结构”主要由赤铁矿骸晶结构、磁铁矿粒状和斑状 letizing,2017,42(4):1 结构所组成，骸品赤铁矿由于其内部充填有硅酸盐 (张建良，刘东辉，王筱留，等.烧结矿化学成分控制现状及 物质，还原时会导致相变应力不一，造成更大的还原 发展方向.烧结球团，2017,42(4)：1) 粉化；斑状和粒状结构的胶结相不发育，微气孔分布 [3]Ren Y F.Lithofucies and Metallography of Iron and Steel.Bei- 很少，不利于还原性的改善.综上所述，第1、2类烧 jing:Metallurgical Industry Press,1982 (任允芙.钢铁治金岩相矿相学.北京：冶金工业出版社， 结矿冶金性能指标良好，第3类烧结矿冶金性能相 1982) 对较差 [4]Ren P S,Yan L J.Influence of mineral composition and micro- structure on sinter quality.Baosteel Technol,1997(2):39 5结论 (任佩珊，闫丽娟.矿物组成及显微结构对烧结矿质量的彩 (1)基于烧结矿矿相结构的非均性，发现第1 响.宝钢技术，1997(2)：39) [5]Wang W,Deng M,Xu R S,et al.Three dimensional structure 类、第2类、第3类这三类烧结矿的矿相结构在空间 and micro-mechanical properties of iron ore sinter.ron Steel Res 上依次具有“均一状、同心环状、互嵌状”三种分布 t,2017,24(10):998
工程科学学报,第 41 卷,第 2 期 表 5 烧结矿冶金性能指标 Table 5 Metallurgical properties of sinters 类型 分布模式 低温粉化指数(RDI + 3郾 15 mm ) / % 转鼓指数/ % 还原指数/ % 碱度,R 第 1 类 均一状分布 + 其他结构 85郾 3 79郾 97 64郾 20 2郾 10 第 2 类 均一状分布 + 同心环状分布 + 其他结构 79郾 7 78郾 30 69郾 95 2郾 07 第 3 类 均一状分布 + 互嵌状分布 + 其他结构 54郾 8 79郾 01 84郾 60 1郾 81 充足的黏结相,导致其矿相结构成为了赤铁矿粒状 结构较多的互嵌状,而第一类、第二类烧结矿碱度相 近且指数较高,其矿相结构分布模式分别为交织熔 蚀结构发育的均一状和同心环状. Al 2 O3 可以促进 赤铁矿的发育,使赤铁矿单颗粒结合为片状的结晶 态,集中了相变应力的爆发并增加了赤铁矿的含 量[14] ,也就导致了从第一类到第三类烧结矿低温粉 化指数逐渐恶化、还原性却逐渐升高的现象. 三类烧结矿矿相结构虽然分布模式不同,但主 要是由交织熔蚀结构和赤铁粒状结构构成,交织熔 蚀结构中的铁酸钙像编织的网一样“焊接冶 着粒状 磁铁矿,粒状结构中的赤铁矿相较磁铁矿、铁酸钙而 言显微硬度最大,各矿物的交织穿插和单矿物的高 硬度决定了良好的转鼓指数[15鄄鄄17] ;赤铁矿向磁铁矿 还原的过程中晶格膨胀 25% ,引起低温还原粉化的 发生[3] . 同心环状分布模式中的粒状赤铁矿被熔蚀 结构和交织熔蚀结构呈环状包裹,晶格膨胀所产生 的应力被均匀释放. 互嵌状分布模式中的赤铁矿粒 状结构与交织熔蚀结构呈交叉状,晶格膨胀所产生 的应力集中于交叉点,且其赤铁矿含量高于同心环 状矿相结构,造成第 2 类烧结矿比第 3 类烧结矿低 温还原粉化指数要好;较高的赤铁矿含量造成第 3 类烧结矿还原性最好,第 1 类烧结矿赤铁矿含量较 少,且以微气孔为主,还原性最差. 同时,三类烧结 矿中“其他结构冶的含量依次为第 1 类 < 第 2 类 < 第 3 类,说明矿相结构的不均匀度依次增大. “其他 结构冶主要由赤铁矿骸晶结构、磁铁矿粒状和斑状 结构所组成,骸晶赤铁矿由于其内部充填有硅酸盐 物质,还原时会导致相变应力不一,造成更大的还原 粉化;斑状和粒状结构的胶结相不发育,微气孔分布 很少,不利于还原性的改善. 综上所述,第 1、2 类烧 结矿冶金性能指标良好,第 3 类烧结矿冶金性能相 对较差. 5 结论 (1)基于烧结矿矿相结构的非均性,发现第 1 类、第 2 类、第 3 类这三类烧结矿的矿相结构在空间 上依次具有“均一状、同心环状、互嵌状冶 三种分布 模式. 均一状的矿相结构形成于温度较高、还原性 较强和混料均匀的稳定条件之中,主要为交织熔蚀鄄鄄 熔蚀结构. (2)同心环状分布的矿相结构从外部带到内部 带依次为交织熔蚀结构、熔蚀结构和赤铁矿粒状结 构,多以独立单元的形式出现,其所在区域工艺条件 的恶化并不会对烧结矿总体的结构和冶金性能造成 太大影响. 交织熔蚀结构、赤铁矿粒状结构和铁酸 钙聚集区交叉形成的互嵌状矿相结构易成片出现, 其所在区域工艺条件的恶化会对烧结矿总体的结构 和冶金性能造成较大影响,这种恶化可能由温度较 低、气流不稳定和混料不均匀等因素造成. (3)冶金性能分析显示,第 1、2 类烧结矿冶金 性能指标良好,具有互嵌状分布模式的第 3 类烧结 矿由于矿相结构的不均匀,冶金性能相对较差. 建 议在烧结生产时,注意控制布料的均匀性和气氛的 稳定性,以避免第 3 类烧结矿的出现,保证烧结矿具 有良好的冶金性能. 参 考 文 献 [1] Wang H F, Pei Y D, Zhang C X, et al. Green development of sintering / pellet procedure in China iron and steel industry. Iron Steel, 2016, 51(1): 1 (王海风, 裴元东, 张春霞, 等. 中国钢铁工业烧结/ 球团工序 绿色发展工程科技战略及对策. 钢铁, 2016, 51(1): 1) [2] Zhang J L, Liu D H, Wang X L, et al. Research status develop鄄 ment trend of chemical composition control of sinter. Sintering Pel鄄 letizing, 2017, 42(4): 1 (张建良, 刘东辉, 王筱留, 等. 烧结矿化学成分控制现状及 发展方向. 烧结球团, 2017, 42(4): 1) [3] Ren Y F. Lithofacies and Metallography of Iron and Steel. Bei鄄 jing: Metallurgical Industry Press, 1982 (任允芙. 钢铁冶金岩相矿相学. 北京: 冶金工业出版社, 1982) [4] Ren P S, Yan L J. Influence of mineral composition and micro鄄 structure on sinter quality. Baosteel Technol, 1997(2): 39 (任佩珊, 闫丽娟. 矿物组成及显微结构对烧结矿质量的影 响. 宝钢技术, 1997(2): 39) [5] Wang W, Deng M, Xu R S, et al. Three dimensional structure and micro鄄mechanical properties of iron ore sinter. J Iron Steel Res Int, 2017, 24(10): 998 ·188·
陈前冲等：高碱度烧结矿矿相结构分布模式及形成机理 ·189· [6]Wang W,Xu W B,Zhu H Y,et al.Analysis of three-dimensional (乔瑞庆，杜鹤桂.低氟烧结矿微气孔的形成机理及对烧结 mineral phase of high basicity sinter.J Iron Steel Res,2016,28 矿强度的影响.钢铁研究学报，1999,11(6)：1) (11):6 [13]E BHTMAH,5 H em,IO C IOcoMH,et al.Siderology. (王炜，徐维波，朱航宇，等.高碱度烧结矿的三维矿相特性 Translated by Dong X J,Yang N F.Beijing:Metallurgical In- 分析.钢铁研究学报，2016,28(11)：6) dustry Press,1993 [7]Liu L N,Han X L,Liu L.Study on texture of sinter with different (EΦ维格曼，5H热廖宾，OC尤斯芬，等.炼铁学.董学 basicity.Iron Steel Vanadium Titanium,2017,38(2):112 经，杨乃伏，译.北京：治金工业出版社，1993) (刘丽娜，韩秀丽，刘磊.不同类型烧结矿随碱度变化的矿相 [14]Long F.The Effection on fronmaking Raw Materials and Metal- 结构研究.钢铁钒钛，2017,38(2)：112) lurgical Process by High Content of AlO Iron Ore Disserta- [8]Liu L N,Han X L,Li Z M,et al.Influence of carbon addition on tion].Wuhan:Wuhan University of Science and Technology, mineralogical structures and metallurgical properties of sinter pre- 2006 pared with fine-grained hematite concentrates.Iron Steel Vanadium (龙防.富A山203矿对炼铁原料及治炼过程的影响[学位论 Titanium,2014,35(2):78 文].武汉：武汉科技大学，2006) (刘丽娜，韩秀丽，李志民，等.配碳量对细粒赤铁精粉烧结 [15]Li G S.Study on Effect Mechanism of Binding Phase to Sinter's 矿矿相结构及治金性能的影响.钢铁钒钛，2014,35(2)：78) Strength and Binding Phase's Proper Composition [Dissertation]. [9]Xiao Z X,Hu Z G,Yu S S,et al.Effect of pore structure of sin- Shenyang:Northeastern University,2008 ter ore on sintering strength.Res Iron Steel,2017,45(4):1 (李光森.黏结相对烧结矿强度的影响机理及其合理组分的 (肖志新，胡正刚，余珊珊，等.烧结矿孔洞结构对烧结强度 探讨[学位论文].沈阳：东北大学，2008) 的影响.钢铁研究，2017.45(4)：1) [16]Den M,Wang W,Xu R S,et al.Comparative research on mi- [10]Pimenta H P,Seshadri V.Characterisation of structure of iron cro-mechanical properties of vanadium-titanium sinter and ordina ore sinter and its behavior during reduction at low temperatures. ry sinter.Iron Steel Vanadium Titanium,2017,38(2):104 Ironmaking Steelmaking.2002,29(3):169 (邓明，王炜，徐润生，等.钒钛烧结矿和普通烧结矿显微力 [11]Jursova S,Pustejovska P,Brozova S.Study on reducibility and 学性能对比.钢铁钒钛，2017,38(2)：104) porosity of metallurgical sinter.Alexandria Eng J,2018,57 [17]Zhang C.Influence of Mineral Composition and Microstructure on (3):1657 the Sinter Quality of Nanjing Steel [Dissertation].Anshan:Uni- [12]Qiao R Q.Du H G.Forming mechanism of pore in sinter with versity of Science and Technology Liaoning,2016 low fluorine and its effect on the sinter strength.J fron Steel Res, (张策.矿物组成及微观结构对南钢烧结矿质量影响的研究 1999,11(6):1 [学位论文].鞍山：辽宁科技大学，2016)
陈前冲等: 高碱度烧结矿矿相结构分布模式及形成机理 [6] Wang W, Xu W B, Zhu H Y, et al. Analysis of three鄄dimensional mineral phase of high basicity sinter. J Iron Steel Res, 2016, 28 (11): 6 (王炜, 徐维波, 朱航宇, 等. 高碱度烧结矿的三维矿相特性 分析. 钢铁研究学报, 2016, 28(11): 6) [7] Liu L N, Han X L, Liu L. Study on texture of sinter with different basicity. Iron Steel Vanadium Titanium, 2017, 38(2): 112 (刘丽娜, 韩秀丽, 刘磊. 不同类型烧结矿随碱度变化的矿相 结构研究. 钢铁钒钛, 2017, 38(2): 112) [8] Liu L N, Han X L, Li Z M, et al. Influence of carbon addition on mineralogical structures and metallurgical properties of sinter pre鄄 pared with fine鄄grained hematite concentrates. Iron Steel Vanadium Titanium, 2014, 35(2): 78 (刘丽娜, 韩秀丽, 李志民, 等. 配碳量对细粒赤铁精粉烧结 矿矿相结构及冶金性能的影响. 钢铁钒钛, 2014, 35(2): 78) [9] Xiao Z X, Hu Z G, Yu S S, et al. Effect of pore structure of sin鄄 ter ore on sintering strength. Res Iron Steel, 2017, 45(4): 1 (肖志新, 胡正刚, 余珊珊, 等. 烧结矿孔洞结构对烧结强度 的影响. 钢铁研究, 2017, 45(4): 1) [10] Pimenta H P, Seshadri V. Characterisation of structure of iron ore sinter and its behavior during reduction at low temperatures. Ironmaking Steelmaking, 2002, 29(3): 169 [11] Jursova S, Pustejovska P, Brozova S. Study on reducibility and porosity of metallurgical sinter. Alexandria Eng J, 2018, 57 (3): 1657 [12] Qiao R Q, Du H G. Forming mechanism of pore in sinter with low fluorine and its effect on the sinter strength. J Iron Steel Res, 1999, 11(6): 1 (乔瑞庆, 杜鹤桂. 低氟烧结矿微气孔的形成机理及对烧结 矿强度的影响. 钢铁研究学报, 1999, 11(6): 1) [13] E 囟 赜刳卦剞匮剡, 丌 丿 丨刈蒯刳剡, 乩 爻 乩劂劓刳剡, et al. Siderology. Translated by Dong X J, Yang N F. Beijing: Metallurgical In鄄 dustry Press, 1993 (E 囟 维格曼, 丌 丿 热廖宾, 乩 爻 尤斯芬, 等. 炼铁学. 董学 经, 杨乃伏, 译. 北京: 冶金工业出版社, 1993) [14] Long F. The Effection on Ironmaking Raw Materials and Metal鄄 lurgical Process by High Content of Al2O3 Iron Ore [ Disserta鄄 tion]. Wuhan: Wuhan University of Science and Technology, 2006 (龙防. 富 Al2O3 矿对炼铁原料及冶炼过程的影响[学位论 文]. 武汉: 武汉科技大学, 2006) [15] Li G S. Study on Effect Mechanism of Binding Phase to Sinter蒺s Strength and Binding Phase蒺s Proper Composition [Dissertation]. Shenyang: Northeastern University, 2008 (李光森. 黏结相对烧结矿强度的影响机理及其合理组分的 探讨[学位论文]. 沈阳: 东北大学, 2008) [16] Den M, Wang W, Xu R S, et al. Comparative research on mi鄄 cro鄄mechanical properties of vanadium鄄titanium sinter and ordina鄄 ry sinter. Iron Steel Vanadium Titanium, 2017, 38(2): 104 (邓明, 王炜, 徐润生, 等. 钒钛烧结矿和普通烧结矿显微力 学性能对比. 钢铁钒钛, 2017, 38(2): 104) [17] Zhang C. Influence of Mineral Composition and Microstructure on the Sinter Quality of Nanjing Steel [Dissertation]. Anshan: Uni鄄 versity of Science and Technology Liaoning, 2016 (张策. 矿物组成及微观结构对南钢烧结矿质量影响的研究 [学位论文]. 鞍山: 辽宁科技大学, 2016) ·189·