烧结温度对复合铁酸钙生成的影响
烧结温度对复合铁酸钙生成的影响
06级冶金2班王雨蒙，指导老师罗果萍
（内蒙古科技大学材料与冶金学院冶金工程06-2班，内蒙古包头）
摘要：本文以确定烧结温度对白云鄂博特殊矿烧结复合铁酸钙生成的影响规律为目标，采用微型红外线烧结炉进行烧结试样复合铁酸钙生成的实验研究，并对烧结试样进行显微矿相观察，确定烧结温度对烧结试样组成、结构及复合铁酸钙生成的影响，揭示其对烧结矿强度影响的原因。
本次实验以钾长石和纯化学试剂CaO、Fe2O3为原料配制烧结混合料，结果表明，随着烧结温度的升高，烧结试样玻璃相增多、孔隙率增大、赤铁矿减少，赤铁矿分解为磁铁矿的趋势增加。本实验条件下，1240℃时烧结矿强度最高。由此看出，适宜的烧结温度对提高烧结试样的强度是有利的。
本文对包钢实际烧结生产具有一定的指导意义。
关键词：白云鄂博特殊矿；烧结温度；复合铁酸钙；实验研究
Abstract：Adopting miniature infrared sintering furnace sintering of composite calcium ferrate sample experimental study and sintered specimens with microscopic observation of mine，This paper is to determine the sintering temperature’s influence on the Baiyunebo sintering special formation of calcium complex of iron laws and the composition of the sample sintering temperature，structure and compound formation of calcium ferrite，to reveal the reasons of its influence on the sinter strength．With K-feldspar and pure chemical reagent CaO，Fe2O3as the raw materials to confect sintering mixture，The results showed that with the sintering temperature rising，sintered glass samples and the porosity increased，hematite reduced，the trend towards hematite decomposed into magnetite was growing．Under the experimental conditions，at 1240℃，the sinter strength was the highest．Thus it can be see that the appropriate sintering temperature on improving the strength of sintered samples is advantageous．
This paper has some guidance on the actual Baogang sintering．
Key words: Special Baiyunebo ore ；sintering temperature；compound calcium ferrite；experimental study
引言
高碱度烧结矿因具有较高的强度和良好的冶金性能而成为高炉炼铁的主要含铁原料，其质量的好坏直接影响高炉炼铁的经济和技术指标。复合铁酸钙（SFCA）是高碱度烧结矿的主要粘结相，在烧结粘结相中复合铁酸钙粘结相的性能是最优的。因此研究烧结过程中影响复合铁酸钙生成的因素是十分必要的，本文作者主要研究烧结温度对复合铁酸钙生成的影响。
第一章文献综述
武钢烧结厂高碱度烧结矿理论研究结果[1]：当烧结温度为1250～1280℃时，有30%～40%的铁酸钙生成，形成交织结构，强度最好。
在巴西矿作为原料，研究烧结温度对铁酸钙含量的影响中发现[2]：当烧结温度升高到1250～1280℃时生成40%～60%的铁酸钙，形成针状交织结构，强度最高；
在对本溪南芬高纯磁铁精矿铁酸钙生成特性的研究中发现[3]：磁铁矿SFCA形成的最佳温度区间为1230～1250℃。
在对钒钛烧结矿铁酸钙生成特性的研究中发现[4]：适宜的烧结温度以1250℃～1270℃较佳。
第二章烧结温度对烧结试样组成、结构及复合铁酸钙生成的影响的实验研究
2.1 实验用烧结试样的化学成分
以KAlSi3O8、CaO、Fe2O3纯化学试剂为原料配制烧结混合料，在碱度为2.0、钾长石中Al2O3/SiO2为0.28、Fe2O3的质量分数为85%的条件下，进行不同温度（1200℃、1240℃、1280℃、1320℃）下铁酸钙的生成实验。烧结试样的化学成分如表2.1所示。
表2.1 烧结试样的化学成分（质量分数，%）
试样编号Fe2O3 CaO SiO2 Al2O3 K2O ∑温度
1 83.98 9.04 4.5
2 1.27 1.19 100 1200℃
2 83.98 9.04 4.52 1.27 1.19 100 1240℃
3 83.98 9.0
4 4.52 1.27 1.19 100 1280℃
4 83.98 9.04 4.52 1.27 1.19 100 1320℃
2.2 烧结试样铁酸钙生成特性的实验研究
本实验采用微型烧结法、显微矿相观察法进行研究。将试验所需铁矿粉在110 ℃的烘箱内干燥3 h,冷却后研磨成小于100目的粉状,用精确到万分之一的电子天平称重后采用“干粉压制法”压制成小饼,放入高温实验装置中根据设定升温曲线和实验气氛进行焙烧。对烧结后的小饼试样进行磨样，并在矿相显微镜下观察试样的SFCA生成情况及矿物结构等。
2.3 实验结果及分析
1.不同温度条件下烧结试样的组成和结构
实验通过对烧结试样进行显微矿相观察，鉴定了烧结试样的矿物组成和显微结构。如表2.2及图2.1、2.2、2.3、2.4所示。
表2.2 烧结试样的矿物组成（T=1200℃，1240℃,1280℃,1320℃，R=2.0）
试样编号赤铁矿磁铁矿玻璃相孔隙其他（很少）
（%）（%）（%）（%）（%）
1 45 —— 15 40 残余熔剂
2 25 —— 25 50 残余熔剂
3 25 —— 25 50 残余熔剂
4 10 10 20 60 残余熔剂
图2.1 1～4号试样（从上开始逆时针排列）的宏观形貌
图2.2 1200℃时的矿相显微结构
1号试样矿相特征：由赤铁矿和玻璃相构成的多孔粒状结构。赤铁矿约占45%（V/V），呈它形粒状，晶粒一般小于5μm；玻璃相约占15%，填充在赤铁矿晶粒间，经常可见长石类矿物残留在玻璃相中；孔隙约占40%，呈不规则形和近圆形，一般小于100μm，分布均匀。局部可见晶粒巨大的石英残
留。
图2.3 1240℃时的矿相显微结构
2号试样矿相特征：由赤铁矿和玻璃相构成的多孔粒状结构。赤铁矿约占25%，呈它形粒状，晶粒一般小于10μm；玻璃相约占25%，非常均匀的填充在赤铁矿晶粒间，能很好的将周围的烧结料粘结起来，偶尔可见长石类矿物残留在玻璃相中；孔隙约占50%，呈近圆形和不规则形，大小悬殊，小的一般小于100μm，大的可达1000μm，分布均匀。基本没有石英残留。
图2.4 1280℃时的矿相显微结构
3号试样矿相特征：由赤铁矿和玻璃相构成的多孔粒状结构。赤铁矿约占25%，呈它形粒状，晶粒一般小于10μm；玻璃相约占25%，比较均匀的填充在赤铁矿晶粒间，能比较好的将周围的烧结料粘结起来，偶尔可见长石类矿物残留在玻璃相中；孔隙约占50%，呈近圆形和不规则形，大小悬殊，小的一般小于100μm，大的可达1000μm，分布均匀。基本没有石英残留。
图2.7 1320℃时的矿相显微结构
4号试样矿相特征：由赤铁矿、磁铁矿和玻璃相构成的多孔斑状结构。赤铁矿约占10%，呈它形—半自形，晶粒一般小于10μm；磁铁矿约占10%，呈自形—半自形，晶粒一般在30μm左右；玻璃相约占20%，玻璃相虽填充在赤铁矿晶粒间，但成团富集，向孔隙周围聚集，没有均匀的分布在赤铁矿的颗粒间，不能很好的将周围的烧结料粘结起来；孔隙约占60%，呈近圆形且圆度提高，大小悬殊，小的一般小于100μm，大的可达1000μm，分布均匀。
2.实验结果分析
烧结过程中的粘结相是由固相反应生成的低熔点化合物熔化后得到的，烧结矿的强度和高温冶金性能与烧结矿中粘结相的组成和物性密切相关，因而要获得优质的烧结矿必须控制好烧结矿中粘结相的成分。液相粘度随温度的升高而下降，而液相的流动性与液相的粘度互为倒数，故当温度升高时，粘度降低，烧结矿液相的流动性增强，有利于生成均匀粘结相，从而提高烧结矿的强度和烧结矿的透气性。显微观察发现，1240℃时玻璃相非常均匀的填充在赤铁矿晶粒间，说明相较于1200℃、1280℃、1320℃，此温度下粘度适宜，液相流动性较好，易于分布均匀，能很好的将周围的烧结料粘结起来形成质地均匀的烧结矿，此时烧结矿强度最高。但随着温度的进一步升高，液相流动性太大，液相透气性进一步增加，又会在烧结矿中形成薄壁大气孔结构。从宏观上可以看出，随着温度的升高，孔隙率增大，微孔隙融合成较大的孔隙。显微观察表明，随着温度的升高，孔隙的圆度提高，大孔增多。铁矿物晶粒呈长大趋势，赤铁矿分解为磁铁矿的趋势增加。当温度达到1320℃时，有较多的赤铁矿分解生成了磁铁矿并形成较大的晶粒。
从显微观察得到的烧结试样的矿物组成中可看出，随着温度的升高，赤铁矿减少、玻璃相增多，究其原因，高温有利于铁氧化物、氧化钙与钾长石反应，形成较多的玻璃态物质，抑制了铁酸钙的生成，玻璃相最高甚至达到25%。各烧结试样均未观察到有铁酸钙生成。
烧结过程未生成铁酸钙的原因分析如下：
（1）钾长石（KAlSi3O8）是长石矿物的一种，是一种富含钾的硅酸盐矿物，其理论成分为：SiO2占64.7%，Al2O3占18.4%，K2O占16.9%。它的熔点低（1150±20℃），熔融间隔时间长。本实验中，SiO2
和Al2O3全部以复合硅铝酸盐钾长石的形态存在，显微观察发现，1200℃时经常可见未熔化的长石类矿物残留在玻璃相中，说明此温度下钾长石不能完全熔化分解。当温度升高到1240℃和1280℃时，显微观察发现，偶尔可见长石类矿物残留在玻璃相中，说明此时钾长石大部分熔化分解，温度继续升高至1320℃时，未见长石类矿物析出，说明钾长石基本全部熔化形成玻璃相，烧结试样中仍未见铁酸钙生成。分析其原因，钾长石在高温下易于熔化形成玻璃质，其中的K2O是玻璃的稳定剂，具有很强的碱性，易于吸收矿物中其它酸性氧化物进入玻璃相，如Fe2O3，而其中的SiO2和Al2O3又是强酸性氧化物，易于吸收矿物中其它的碱性氧化物进入玻璃相，如CaO，从而对铁酸钙的形成具有强烈的抑制作用。
（2）通常包钢烧结常用铁矿粉由自产精矿和外购精矿按照一定的配比组成，其中K2O最高的百分含量不过0.17%，本研究为了深入探究钾长石对烧结铁酸钙生成的影响，实验原料中的SiO2和Al2O3全部以钾长石的形态加入，使得K2O所占百分含量很高，达到1.19%。故本实验烧结试样中产生的玻璃相较多，而未见铁酸钙生成。
（3）现在使用最广的高碱度烧结矿的特点是烧结料中配加较多的CaO，以促进性能优良的复合铁酸钙粘结相生成。复合铁酸钙是由一定含量的Fe2O3、CaO、SiO2和Al2O3化合而成，而本实验中的SiO2和Al2O3全部以钾长石的形态存在，其化学活性很低，易于稳定存在于玻璃相中，虽然本研究中烧结试样碱度较高为2.0，但相对于白云鄂博铁矿含有长石类脉石的特殊性，CaO含量有待于进一步提高，当CaO在玻璃相中溶解达到或接近饱和，才能开始形成铁酸钙类矿物。
结论
通过本文的实验研究工作，就烧结温度对复合铁酸钙的影响有了比较明确的认识，结论如下：（1）随着烧结温度的升高，烧结试样玻璃相增多、赤铁矿减少，赤铁矿分解为磁铁矿的趋势增加，在1320℃时，发现有较多的赤铁矿分解为磁铁矿并形成较大的晶粒。
（2）随着烧结温度的升高，液相粘度降低，流动性增大，透气性增强，有助于微孔隙融合成较大的孔隙，且孔隙的圆度提高，形成薄壁大气孔结构。
（3）本实验条件下，1240℃是最适宜的烧结温度，此时烧结液相的流动性适宜，烧结矿结构均匀，呈现多孔海绵状，强度最高。
（4）由于白云鄂博铁矿含有长石类脉石的特殊性，包钢烧结矿中SiO2和Al2O3以硅铝酸盐形式存在，本研究表明，以硅铝酸盐形式存在的非游离态SiO2和Al2O3可促进玻璃相的生成，不利于复合铁酸钙的生成，在包钢实际烧结生产中，烧结混合料中应考虑配加一定量自由的SiO2和Al2O3。另外，K2O在烧结混合料中的百分含量不宜过高，否则会强烈抑制铁酸钙的生成。
参考文献
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