不同堿度司家營(yíng)燒結(jié)礦礦相結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)冶金性能的影響

韓秀麗，呂水，楊光

（1. 河北理工大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，河北 唐山063009；2. 唐山中厚板材有限公司，河北 唐山063600）

0 引 言

高堿度司家營(yíng)燒結(jié)礦是唐山鋼鐵有限責(zé)任公司高爐煉鐵的主要原料之一,其質(zhì)量好壞與其內(nèi)部形成的礦物組成及礦相結(jié)構(gòu)有著極其密切的關(guān)系，一直缺乏系統(tǒng)的研究[1]。為改善唐鋼燒結(jié)礦的質(zhì)量及合理利用本地鐵礦石資源，筆者從礦相結(jié)構(gòu)出發(fā)，探討了不同堿度司家營(yíng)燒結(jié)礦的礦相結(jié)構(gòu)特征及對(duì)其冶金性能的影響機(jī)理，旨在為燒結(jié)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 原料性能及研究方法

1.1 原料性能

司家營(yíng)燒結(jié)礦燒結(jié)原料主要化學(xué)成分列于表1（焦粉w（C）為84.53 %)。由表1可知，司家營(yíng)鐵礦粉、MAC粉、巴西C粉含鐵品位都較高，均在63%以上，屬高品位鐵礦石。SiO2含量均在3%～6%之間，有利于燒結(jié)礦強(qiáng)度的提高。

司家營(yíng)鐵礦粉粒度極細(xì)，-200目超過(guò)96.0%。其它燒結(jié)原料粒度組成分析結(jié)果列于表2。

表1 燒結(jié)原料的化學(xué)成分（%）

名 稱 TFe SiO2 CaO MgO 燒 損高 返 53.66 6.16 9.50 2.65 0.14鋼 渣 20.15 14.25 36.40 8.57 0.84白云石 — 1.05 30.12 21.54 44.80石灰石 — 6.53 50.13 4.19 42.80生石灰 — 8.22 67.50 10.38 11.80焦粉灰分 4.30 48.56 4.86 2.15 —

表2 燒結(jié)原料各粒度組成（%）

1.2 試驗(yàn)方法

固定司家營(yíng)鐵礦粉配加量為80%，配碳量為3.75%，MgO為2.5%，用石灰石調(diào)整燒結(jié)礦堿度分別為1.7、1.8、1.9、2.0、2.1進(jìn)行燒結(jié)。

燒結(jié)試驗(yàn)?zāi)M燒結(jié)現(xiàn)場(chǎng)，在河北理工大學(xué)Φ200mm倒圓臺(tái)形燒結(jié)杯中進(jìn)行。燒結(jié)工藝參數(shù)為:風(fēng)量為14.4m3/min，燒結(jié)抽風(fēng)負(fù)壓為7.84kPa，以液化石油氣點(diǎn)火，點(diǎn)火溫度為1150℃左右，點(diǎn)火時(shí)間為1.5min。

燒結(jié)礦的礦物組成及微觀結(jié)構(gòu)在德國(guó)蔡司研究型偏/反兩用光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀測(cè)鑒定。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 堿度變化對(duì)司家營(yíng)燒結(jié)礦物質(zhì)成分及顯微結(jié)構(gòu)的影響

不同堿度司家營(yíng)燒結(jié)礦的化學(xué)成分見(jiàn)表3。

表3 司家營(yíng)燒結(jié)礦的主要化學(xué)成分

2.1.1 不同堿度司家營(yíng)燒結(jié)礦的礦物組成變化規(guī)律

選取堿度分別為1.7、1.9、2.1具有代表性的司家營(yíng)燒結(jié)礦樣制成光薄片，進(jìn)行光學(xué)顯微鏡分析，對(duì)燒結(jié)礦礦物組成和顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的鑒定，燒結(jié)礦的主要礦物組成體積百分比見(jiàn)圖1所示。

由圖1可知，司家營(yíng)燒結(jié)礦堿度從1.7增加到1.9，燒結(jié)礦中的赤鐵礦、硅酸二鈣、玻璃質(zhì)含量減少，磁鐵礦、鐵酸鈣、橄欖石含量升高，鐵酸鈣增加到30%～35%。司家營(yíng)燒結(jié)礦堿度從1.9增加到2.1，整體金屬相含量與粘結(jié)相含量變化不明顯，赤鐵礦、硅酸二鈣含量增加，磁鐵礦、鐵酸鈣含量略有減少。當(dāng)堿度為2.1時(shí)，在顯微鏡下可看到燒結(jié)礦中出現(xiàn)了殘余CaO，主要原因是石灰石中粒度大于3 mm的比例達(dá)35%。

圖1 不同堿度司家營(yíng)燒結(jié)礦礦物組成變化

2.1.2 不同堿度司家營(yíng)燒結(jié)礦礦相結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及形成機(jī)理

堿度分別為1.7、1.9、2.1的司家營(yíng)燒結(jié)礦中具有代表性的顯微結(jié)構(gòu)照片見(jiàn)圖2所示。從圖2可以看出，隨著司家營(yíng)燒結(jié)礦堿度的增加，燒結(jié)礦的顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化。

當(dāng)司家營(yíng)燒結(jié)礦堿度為1.7時(shí)，從圖2(a)(b)可以看出，燒結(jié)礦礦相結(jié)構(gòu)極不均勻，主要為斑狀—粒狀結(jié)構(gòu)（見(jiàn)(a)），局部見(jiàn)熔蝕結(jié)構(gòu)和骸晶結(jié)構(gòu)。氣孔大小不一，分布不均勻，形態(tài)不規(guī)則，氣孔率為20%～25%，裂隙發(fā)育，對(duì)燒結(jié)礦強(qiáng)度不利。磁鐵礦分布不均勻，多呈半自形、自形晶，部分他形晶，結(jié)晶粒度較粗，磁鐵礦與玻璃質(zhì)、硅酸二鈣和橄欖石膠結(jié)形成斑狀—粒狀結(jié)構(gòu)。由于磁鐵礦反應(yīng)活性較低，部分未被反應(yīng)的磁鐵礦被玻璃質(zhì)熔蝕形成骸晶狀磁鐵礦，使燒結(jié)礦強(qiáng)度降低[2]。赤鐵礦分布不均勻，多呈他形晶集中成片（見(jiàn)(b)），部分呈自形、半自形。粘結(jié)相主要為鐵酸鈣、硅酸二鈣和玻璃質(zhì)。鐵酸鈣多呈他形晶和板柱狀，少量呈細(xì)小針狀。硅酸二鈣結(jié)晶顆粒較粗，分布不均勻，多以柳葉狀和針狀形態(tài)存在，由于硅酸二鈣的晶型轉(zhuǎn)變，降低了燒結(jié)礦的強(qiáng)度[3]。玻璃相含量相對(duì)較高，多膠結(jié)粗粒磁鐵礦，對(duì)燒結(jié)礦強(qiáng)度不利[4]。

當(dāng)司家營(yíng)燒結(jié)礦堿度為1.9時(shí)，由圖2(c)(d)可看出，燒結(jié)礦礦相結(jié)構(gòu)較均勻，主要為交織熔蝕結(jié)構(gòu)（見(jiàn)(c)），這種結(jié)構(gòu)具有較好的強(qiáng)度和還原性能[4]，局部見(jiàn)粒狀結(jié)構(gòu)。氣孔大小不一，分布較均勻，形態(tài)不規(guī)則，氣孔率為30%～35%，氣孔率較1.7堿度的燒結(jié)礦增加，對(duì)燒結(jié)礦的強(qiáng)度及還原性都有利。磁鐵礦含量進(jìn)一步增加，主要呈他形晶，部分自形、半自形晶，結(jié)晶粒度較均勻，相對(duì)偏細(xì)，局部磁鐵礦集中成片（見(jiàn)(d)）。他形磁鐵礦多被板柱狀和針狀鐵酸鈣、硅酸二鈣和少量玻璃質(zhì)膠結(jié)形成交織熔蝕結(jié)構(gòu)。赤鐵礦含量進(jìn)一步減少，主要集中分布于氣孔和礦塊邊緣。鐵酸鈣為主要粘結(jié)相，其含量較1.7堿度的燒結(jié)礦進(jìn)一步增加，尤其是針狀鐵酸鈣含量增加，多達(dá)30%～35%，對(duì)燒結(jié)礦的強(qiáng)度和還原性能非常有利，針狀鐵酸鈣還具有較高的耐還原粉化性能[5.6]。硅酸二鈣多呈他形粒狀和細(xì)小柳葉狀，與針狀鐵酸鈣共同膠結(jié)他形粒狀磁鐵礦。玻璃質(zhì)含量降低也有助于燒結(jié)礦強(qiáng)度的提高。

當(dāng)司家營(yíng)燒結(jié)礦堿度為2.1時(shí)，由圖2(e)(f)可以看出，燒結(jié)礦礦相結(jié)構(gòu)不均勻，主要為斑狀結(jié)構(gòu)（見(jiàn)(e)），局部見(jiàn)熔蝕結(jié)構(gòu)。氣孔大小不一，分布不均勻，形態(tài)不規(guī)則，氣孔率為25%～30%，裂隙裂紋發(fā)育。磁鐵礦多呈自形、半自形晶，少量他形晶。自形、半自形磁鐵礦被玻璃質(zhì)、硅酸二鈣膠結(jié)形成斑狀結(jié)構(gòu)。赤鐵礦分布不均勻，多呈他形晶、半自形分布于局部礦塊邊緣，局部可見(jiàn)菱形骸晶狀赤鐵礦（見(jiàn)(f)）。燒結(jié)礦中存在殘存赤鐵礦，當(dāng)燒結(jié)礦處于低溫還原區(qū)時(shí)，三方晶系的赤鐵礦被還原成等軸晶系磁鐵礦，產(chǎn)生應(yīng)力，致使晶格破壞，導(dǎo)致粉化[7，8]。鐵酸鈣為主要粘結(jié)相，多呈細(xì)小針狀、板柱狀。針狀鐵酸鈣含量較1.9堿度的燒結(jié)礦減少，所以燒結(jié)礦的整體強(qiáng)度及還原性略有降低，硅酸二鈣多呈他形粒狀、柳葉狀。

綜上所述，隨著司家營(yíng)燒結(jié)礦堿度的增加，燒結(jié)礦的顯微結(jié)構(gòu)明顯變化，燒結(jié)礦顯微結(jié)構(gòu)由斑狀—粒狀結(jié)構(gòu)向交織熔蝕結(jié)構(gòu)再向斑狀結(jié)構(gòu)過(guò)渡。鐵酸鈣含量先增加后減少，當(dāng)司家營(yíng)燒結(jié)礦堿度為1.9時(shí)，鐵酸鈣含量最高，達(dá)到33%。硅酸二鈣、玻璃質(zhì)含量的變化趨勢(shì)為先減少后增加。磁鐵礦晶形由自形、半自形轉(zhuǎn)變?yōu)樗尉Ш笥窒蜃孕?、半自形過(guò)渡，赤鐵礦多呈他形、半自形晶。

2.2 不同堿度司家營(yíng)燒結(jié)礦礦相結(jié)構(gòu)與冶金性能的關(guān)系

不同堿度司家營(yíng)燒結(jié)礦的冶金性能見(jiàn)圖3所示。

圖3 不同堿度司家營(yíng)燒結(jié)礦的冶金性能

由圖2、3可以看出，當(dāng)堿度從1.7增加到1.9時(shí)，司家營(yíng)燒結(jié)礦顯微結(jié)構(gòu)由斑狀—粒狀結(jié)構(gòu)向交織熔蝕結(jié)構(gòu)過(guò)渡，這種結(jié)構(gòu)具有較好的強(qiáng)度和還原性能，相應(yīng)的燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓指數(shù)和還原性增加。堿度提高后，CaO含量增多，鐵酸鈣含量增加，而易于產(chǎn)生低溫還原粉化的再結(jié)晶Fe2O3含量相應(yīng)減少，所以司家營(yíng)燒結(jié)礦的低溫還原粉化性能得到改善。

當(dāng)堿度從1.9增加到2.1時(shí)，司家營(yíng)燒結(jié)礦顯微結(jié)構(gòu)由交織熔蝕結(jié)構(gòu)向斑狀結(jié)構(gòu)過(guò)渡，這種結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度較差，所以燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓指數(shù)和還原性降低。由于骸晶狀菱形赤鐵礦及殘存赤鐵礦的增多，司家營(yíng)燒結(jié)礦的低溫還原粉化性能逐漸惡化。

3 結(jié) 論

（1）司家營(yíng)燒結(jié)礦堿度從1.7增加到1.9時(shí)，燒結(jié)礦中磁鐵礦、鐵酸鈣含量增加， 赤鐵礦、硅酸二鈣、玻璃質(zhì)的含量降低，顯微結(jié)構(gòu)由斑狀—粒狀結(jié)構(gòu)過(guò)渡到交織熔蝕結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓指數(shù)和還原性升高，低溫還原粉化性能得到改善。

（2）司家營(yíng)燒結(jié)礦堿度從1.9增加到2.1時(shí)，燒結(jié)礦中赤鐵礦、硅酸二鈣、玻璃質(zhì)含量增加，磁鐵礦、鐵酸鈣含量略有減少，顯微結(jié)構(gòu)由交織熔蝕結(jié)構(gòu)向斑狀結(jié)構(gòu)過(guò)渡，相應(yīng)的燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓指數(shù)和還原性降低，低溫還原粉化性能惡化。

（3）司家營(yíng)燒結(jié)礦堿度為1.9時(shí)，燒結(jié)礦的顯微結(jié)構(gòu)以交織熔蝕結(jié)構(gòu)為主，具有較好強(qiáng)度及還原性，鐵酸鈣多以柱狀、針狀形態(tài)存在，相應(yīng)的燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓指數(shù)、還原性和低溫還原粉化性能最好。

[1] 秦鳳久. 燒結(jié)顯微結(jié)構(gòu)及物相組成對(duì)冶金性能的影響[J ] .燒結(jié)球團(tuán),1993 ,18 (2) :7212.

[2] 侯向東.影響燒結(jié)礦強(qiáng)度的因素及對(duì)策[ J ].科技情開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì), 2002,12(2):67.

[3] 任允芙.冶金工藝礦物學(xué)[M].北京: 冶金工業(yè)出版社,1996：214.

[4] 馮向鵬,張玉柱.低硅條件下堿度對(duì)燒結(jié)礦強(qiáng)度的影響[ J ].燒結(jié)球團(tuán),2004,3(2) :4-5.

[5] G. Meunier . The Metall Development [ J ] . Metallurgical Transaction, 1975,3 (14) :5 .

[6] 果世駒.粉末燒結(jié)理論[M].北京: 冶金工業(yè)出版社,2002.

[7] 任允芙.鋼鐵冶金礦相巖相學(xué)[M].北京: 冶金工業(yè)出版社, 1982:179～202.

[8] 李雪松，許秋慧，武振宇等. 唐鋼鐵礦石燒結(jié)性能研究及燒結(jié)工藝優(yōu)化[J]. 冶金標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2006，1（44）：26-30.