趙 凱，王建超，胡長慶

(河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北唐山063009)

燒結(jié)液相生成發(fā)生在燃燒層，液相是鐵礦粉燒結(jié)造塊的基礎(chǔ)。液態(tài)物質(zhì)的性質(zhì)和數(shù)量在很大程度上決定燒結(jié)礦的固結(jié)強度高低以及冶金性能的優(yōu)劣。國內(nèi)外的好多科研工作者都對燒結(jié)液相體系做了研究。他們研究了燒結(jié)礦鐵鈣硅渣系(SFCA)，并在特定溫度的氧分壓條件下繪制了液相體系的相圖。金明芳［1］等人指出白云石與Fe2O3擴散反應(yīng)中鐵酸一鈣和鐵酸半鈣低熔點物質(zhì)為液相促進白云石與Fe2O3擴散反應(yīng)，白云石與Fe2O3擴散反應(yīng)中，主要是MgO擴散進入Fe2O3中。Hisao KIMURA［2］等人在研究Al2O3和MgO對CaO－SiO2－FeOX的液相區(qū)域的影響中指出在不同氧分壓下Al2O3和MgO都使整個體系的液相區(qū)域擴大了，但沒有闡明Al2O3和MgO的去向。

1 實驗方法

通過對現(xiàn)場取樣進行化學(xué)全分析，采用分析純氧化鐵(Fe2O3)、氧化鈣(CaO)、二氧化硅(SiO2)、氧化鎂(MgO)、氧化鋁(Al2 O3)化學(xué)試劑，配制成Fe2O3－SiO2－CaO－Al2O3－MgO系試樣。其配料組成為:Fe2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為82.56%，CaO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.64%，SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.8%，MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%。

根據(jù)燒結(jié)液相開始形成溫度及低溫?zé)Y(jié)溫度上限以及Fe2O3的分解溫度下限，選取1250℃、1300℃和1350℃三個溫度水平進行實驗，在常壓下恒溫時間24小時，在準(zhǔn)化學(xué)平衡條件下對上述五元體系的液相生成過程進行了研究。

將化學(xué)分析純試劑按照成分配比稱量好之后放入研缽，加酒精研磨30分鐘，待酒精揮發(fā)完畢后，裝入密封袋內(nèi)備用。取30g混合好的原料加入到剛玉坩堝內(nèi)，連同坩堝一起放入管式電阻爐的恒溫區(qū)，按照設(shè)定的溫度制度進行加熱保溫。實驗結(jié)束后，將坩堝取出放入迅速水中急冷，然后取出破碎并制樣，采用光學(xué)顯微鏡、X－Ray及SEM進行詳細分析。

2 實驗結(jié)果與分析

本實驗采用X射線衍射主要是針對相平衡實驗產(chǎn)物的檢測及鑒定。物相鑒定結(jié)果表明:試樣中的晶體礦物主要包括以下幾種:MgFe2O4、Mg0.64Fe2.36O4、Mg1.55Fe1.6O4、Fe2O3、CaAlO4。從SEM圖可以看出試樣明顯能分為兩個部分，包括深黑色區(qū)域和顏色較淺區(qū)域。結(jié)果如下圖所示:

圖1 試樣在1250℃下的XRD圖與SEM圖

表1 三個特征點的元素含量比(Atom%)

圖2 1250℃元素面分布圖

從圖1、圖2及表1可以看出在SEM圖片中的深黑色區(qū)域的鐵元素含量較低，鈣元素和硅元素含量較高，氧元素、鋁元素及鎂元素都只是稍有差別。其余顏色稍淺的區(qū)域鐵元素含量較高，氧元素含量也較高，鈣元素、硅元素、鋁元素及鎂元素的含量都比較少，但是分布均勻。在XRD圖中分析沒有得到明顯含鈣元素和硅元素的物相，所以認(rèn)定在SEM圖中顏色為深黑色的區(qū)域為非晶態(tài)的液相區(qū)域。通過能譜圖可以看出2點和3點所在位置即為生成的液相區(qū)域，二者成分含量、種類基本一致，包含鐵的氧化物、硅的氧化物、鈣的氧化物以及鋁的氧化物。

通過以上表4的數(shù)據(jù)分析得出在1250℃時試樣的位于液相的2點與3點的礦物組成介于4 Fe2O3·14 CaO·10 SiO2·2 Al2O3與4 Fe2O3·12 CaO·12 SiO2·3 Al2O3之間。這個礦物組成接近關(guān)于針狀鐵酸鈣理論組成的成分，但是稍有差別。Fe2O3的含量要比以前的研究結(jié)果低，CaO、SiO2與Al2O3的含量都和以前的研究結(jié)果相近。分析其原因為:MgO屬于高熔點物質(zhì)，在相平衡條件下MgO的加入使Fe2O3與MgO發(fā)生固相反應(yīng)并且反應(yīng)比較徹底，生成的MgO·Fe2O3減少并阻礙了Fe2O3向SFCA組織的擴散。

圖3 試樣在1300℃下和1350℃下的SEM圖

表2 1300℃下五個特征點能譜分析結(jié)果

表3 1350℃下四個特征點能譜分析結(jié)果

通過對圖3右圖和表2、3的特征點進行能譜分析，可知試樣在1300℃下時，其液相的礦物組成是介于9 Fe2O3·11 CaO·9 SiO2·4 Al2O3與8 Fe2O3·12CaO·9 SiO2·4 Al2O3之間的礦物。試樣在1350℃下時，其液相的礦物組成是介于21Fe2O3·7 CaO·5SiO2·11Al2O3與27Fe2O3·10CaO·7 SiO2·12 Al2O3之間的礦物。

隨著溫度的升高，試樣中液相量增加，并根據(jù)XRD的半定量分析及統(tǒng)計規(guī)律其結(jié)果如圖4所示。圖5試樣在不同溫度下的顯微結(jié)構(gòu)。

圖4 溫度對液相生成量的影響

圖5 不同溫度條件下的試樣的顯微結(jié)構(gòu)

由圖5可知在1250℃時鐵酸鈣含量相對較少并且與硅酸鈣區(qū)分明顯，而且Fe2O3與鐵酸鈣交織在一起; 1300℃時Fe2O3相明顯減少，鐵酸鈣與硅酸鈣開始出現(xiàn)交織狀況;1350℃時鐵酸鈣與硅酸鈣明顯交織在一起，F(xiàn)e2O3相存在不明顯。

通過對三個溫度下的液相區(qū)域的礦物組成的對比分析可以得出以下結(jié)論:隨著溫度的升高，在SFCA中的Fe2O3含量升高，說明液相量增加;CaO的含量變化不明顯;SiO2含量降低;Al2O3含量升高，利于交織結(jié)構(gòu)的鐵酸鈣的形成，可提高燒結(jié)礦強度。

3 結(jié)論

(1)相平衡實驗所得試樣經(jīng)過快速冷卻(水淬)之后，其中液相成分以非晶態(tài)存在與試樣中。溫度與鎂元素的分布關(guān)系不大，MgO在赤鐵礦為主要原料的燒結(jié)體系中會與Fe2O3結(jié)合生成MgO·Fe2O3礦物，這基本與前人研究相一致。

(2)由于MgO與Fe2O3反應(yīng)生成MgO·Fe2O3礦物，使SFCA中Fe2O3含量減少，進而使作為燒結(jié)液相的SFCA含量降低。

(3)隨著溫度的升高，在SFCA中的Fe2O3含量升高，說明液相量增加;CaO的含量變化不明顯;SiO2含量降低;Al2O3含量升高，利于交織結(jié)構(gòu)的鐵酸鈣的形成，可提高燒結(jié)礦強度。

［1］ 金明芳，李廣森，儲滿生，等.燒結(jié)過程中MgO在赤鐵礦中擴散行為的研究［J］.鋼鐵，2008，43(3):10-14.

［2］ Hisao KIMURA.Tsutomu OGAWA and Mitsuru KAKIKL.Effect of Al2O3and MgO additions on Liquidus for the CaO-SiO2-FeOXsystem at1573k［J］.ISIJ International，2005，44(12):506-512.

［3］ 郭興敏.燒結(jié)過程鐵酸鈣生成及其礦物學(xué)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1999.

［4］ 吳勝利，韓宏亮，姜偉忠.燒結(jié)礦中MgO作用機理［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報，2009，31(4).

［5］ 韓志國.細磨磁鐵精礦燒結(jié)成礦機理研究及應(yīng)用［D］.長沙:中南大學(xué).

［6］ 賀真.燒結(jié)含鐵原料性能與配礦試驗研究［D］.長沙:中南大學(xué)，2005.

［7］ Nobuki OYAMA，Yuji IWAMA and Tetsuyu YAMAMOTO.Development of secondary-fuel Injection Technology for Energy Reduction in the Iron Ore Sintering Process［J］.ISIJ International，2011，51(6):913-921.

［8］ Stanko nikolic，Peter C.Hayes and Evgueni Jak.Phase Equilibra in Ferrous Calcium Silicate Slags Part I.Intermediate Oxygen Partial Pressures in the Temperature Range 1200 deg C to 1350 deg C［J］.The Minerals，Meta l＆Materials Society and ASM International，2008.

［9］ 首爾吉.氧化鎂對高堿度燒結(jié)礦相變及冶金性能的影響［J］.世界金屬學(xué)報，2007，007.