欽禮文,劉磊,包國營,段博文,韓秀麗

(華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,河北 唐山 063210)

燒結(jié)礦是高爐煉鐵所需的重要原料,其性能好壞直接影響了高爐生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。在燒結(jié)生產(chǎn)過程中,燒結(jié)礦形成的氣孔是其質(zhì)量評估的重要參數(shù),研究不同燒結(jié)條件下的氣孔特征對改善燒結(jié)礦質(zhì)量具有重要意義。國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)廣泛探討了氣孔對燒結(jié)礦質(zhì)量的影響。吳勝利等人指出大氣孔的集中分布容易引起長裂紋的出現(xiàn),降低燒結(jié)礦機械強度[1-4]。韓秀麗等人通過實驗發(fā)現(xiàn)氣孔含量的增多及孔徑的增大使得燒結(jié)礦強度降低,在還原過程中更易粉碎,從而影響燒結(jié)礦的低溫還原粉化性能[5,6]。Zhou等人通過研究發(fā)現(xiàn)超過1 mm的大氣孔是影響燒結(jié)礦導(dǎo)熱系數(shù)的主要因素[7]。大量學(xué)者研究了氣孔對燒結(jié)礦還原性造成的影響[8-10],由此產(chǎn)生了2類相左的觀點,Panigrahy等人通過改變MgO和CaO的比值研究了氣孔率與燒結(jié)礦還原性之間的關(guān)系,結(jié)果表明,礦物組成對燒結(jié)礦還原性帶來的影響遠大于氣孔率變化帶來的影響[8],而Ignácio等人在此基礎(chǔ)上通過直接選用磁鐵礦、赤鐵礦、鐵酸鈣占比不同的燒結(jié)礦研究了礦物和氣孔對燒結(jié)礦還原性產(chǎn)生的影響,經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)燒結(jié)礦的氣孔特征可以克服礦物組成對燒結(jié)礦還原性產(chǎn)生的影響[11,12]。

盡管現(xiàn)有的研究已充分證實了氣孔對燒結(jié)礦質(zhì)量的影響,但對燒結(jié)礦氣孔形成機制尚無定論。為了更好地調(diào)控?zé)Y(jié)礦中氣孔的形成,需要進一步深入研究不同燒結(jié)條件對氣孔形成的影響規(guī)律。因此,本研究將通過光學(xué)顯微鏡,觀察不同燒結(jié)溫度以及不同恒溫時間下,氣孔宏觀和微觀特征的變化情況,以探究溫度對氣孔形態(tài)、孔徑大小和占比率的影響機制,為優(yōu)化燒結(jié)工藝,提高燒結(jié)礦質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。

1 實驗

1.1 樣品制備

實驗采用Fe2O3、SiO2、CaO、MgO、Al2O3化學(xué)純試劑(純度為99.99%)作為實驗原料,首先將原料在120 ℃的干燥箱內(nèi)烘干2 h,冷卻后篩分至200目以下,依照配礦方案(如表1所示)將各種原料分別混勻,采用“干粉壓制法”使用圓柱壓樣機進行壓樣處理,并將其裝入50 ml剛玉坩堝;再采用MiCRO-X型高溫氣氛爐在空氣氣氛條件下開展微型燒結(jié)實驗,以10 ℃/min的升溫速率,分別升溫至最高燒結(jié)溫度(1 240 ℃、1 280 ℃、1 320 ℃、1 360 ℃和1 400 ℃)并設(shè)置恒溫時間(1 min和5 min);最后在恒溫時間結(jié)束后以5 ℃/min的冷卻速率冷卻至室溫,具體燒結(jié)參數(shù)如表2所示。

表1 實驗配礦方案

1.2 樣品分析

首先,觀察燒結(jié)礦樣品的表面特征,并利用切割機將其最大剖面切開,分別記錄樣品表面和截面氣孔的數(shù)量、形態(tài)及大小特征。其次,將切割獲得的樣品用環(huán)氧樹脂制成光薄片,在透反兩用研究型偏光顯微鏡(Polarizing microscope,Scope-A1)下觀察燒結(jié)礦物樣品的氣孔特征,并使用高分辨率攝像頭和計算機拍攝軟件采集大量顯微照片的清晰圖像。然后,通過ImageJ圖像處理軟件采集了燒結(jié)礦中氣孔率和孔徑變化的相關(guān)信息。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 燒結(jié)溫度和時間對氣孔宏觀特征的影響

2.1.1 燒結(jié)礦表面的氣孔特征

燒結(jié)礦樣品的表面特征如圖1所示。

圖1 燒結(jié)礦表面的氣孔特征

在燒結(jié)溫度為1 240～1 280 ℃的樣品中,燒結(jié)礦樣品基本熔融,此時樣品表面的氣孔較少,多為孔徑在1～2 mm的圓形氣孔。當(dāng)溫度升高至1 320 ℃時,樣品表面的氣孔數(shù)量明顯增加,多為孔徑1～2 mm的圓形氣孔,少數(shù)為孔徑在3 mm以上的不規(guī)則氣孔,同時樣品表面開始出現(xiàn)長度在6 mm以上的較大裂隙。相比于上一溫度階段,燒結(jié)溫度為1 360 ℃的樣品中,氣孔的變化并不明顯,但樣品的裂隙數(shù)量有所增加。此外,靠近裂隙邊緣的位置可以看到明顯的坍塌跡象。在燒結(jié)溫度為1 400 ℃的樣品中,試樣中心位置已完全凹陷下落至底層,燒杯壁上可見殘留的鐵氧化物鍍層,燒結(jié)試樣致密程度明顯上升,而樣品表面只能看到少量孔徑在1 mm左右的圓形氣孔。值得注意的是對于1 360 ℃和1 400 ℃的燒結(jié)樣品,可以發(fā)現(xiàn)相比于恒溫1 min樣品,恒溫5 min樣品的表面存在更多裂隙。

2.1.2 燒結(jié)礦截面的氣孔特征

圖2所示為燒結(jié)礦樣品的截面特征,可以清楚地觀察到不同溫度下燒結(jié)礦的截面存在著明顯的差異。在燒結(jié)溫度為1 240 ℃的樣品中,樣品中的氣孔多為孔徑在5～20 mm的貫通性大氣孔。而燒結(jié)溫度為1 280 ℃的樣品中,貫通性大氣孔孔徑有所下降,最大孔徑降至約13 mm。然而,由于出現(xiàn)了較多1～5 mm之間的不規(guī)則氣孔,燒結(jié)礦總氣孔率明顯升高。當(dāng)燒結(jié)溫度升高至1 320 ℃和1 360 ℃時,樣品表面開始出現(xiàn)裂紋,樣品斷面上的較小氣孔數(shù)量明顯降低,氣孔的形狀重新變得規(guī)則,但由于樣品表面并未塌陷,燒結(jié)礦中仍存在較多貫通氣孔。當(dāng)燒結(jié)溫度升至1 400 ℃時,樣品表面基本完全塌陷,試樣變得更加致密,貫通的大氣孔基本消失,只能在樣品斷面位置看到少量孔徑在2～3 mm的較小氣孔。

圖2 燒結(jié)礦截面的氣孔特征

樣品中氣孔的宏觀特征受恒溫時間的影響相對較小,而受燒結(jié)溫度的影響較為顯著。當(dāng)燒結(jié)溫度為1 240～1 280 ℃時,燒結(jié)礦中的氣孔主要由原料中的孔隙形成。在礦物燒結(jié)過程中,礦物表面相對較高的溫度使燒結(jié)礦表面會先形成一層液相。尚未熔化的固體顆粒在相互作用的過程中會蠕變收縮,固體顆粒集中的同時,顆粒間的空隙被聚集在一起。由于此時冶金熔體的粘度相對較大,燒結(jié)礦中的氣體難以逸出,從而形成相互連接的較大氣孔。在燒結(jié)溫度超過1 280 ℃時,鐵酸鈣熱解使燒結(jié)樣品中了出現(xiàn)大量新增中小氣孔,燒結(jié)礦氣孔率逐漸上升。當(dāng)燒結(jié)溫度為1 320 ℃時,燒結(jié)礦的熔蝕程度進一步增加,燒結(jié)礦表面開始出現(xiàn)裂紋,這一現(xiàn)象加劇了氣體的逸散,但由于此溫度下鐵酸鈣的分解仍較為劇烈,燒結(jié)礦氣孔的下降趨勢并不明顯。最后,當(dāng)燒結(jié)溫度升至1 360～1 400 ℃時,鐵酸鈣的分解已接近尾聲,樣品變得非常致密,燒結(jié)礦中氣孔率大幅下降。

2.2 燒結(jié)溫度和時間對氣孔微觀特征的影響

2.2.1 氣孔顯微形態(tài)特征

使用偏光顯微鏡研究了不同溫度條件下燒結(jié)礦樣品的孔隙特征情況。圖3為不同燒結(jié)溫度下的氣孔形態(tài)特征,由圖3可知,隨著燒結(jié)溫度的不斷增加,燒結(jié)礦樣品中氣孔形態(tài)特征的變化較為明顯。當(dāng)燒結(jié)溫度為1 240 ℃時,樣品中的氣孔多為形狀規(guī)則,而孔徑范圍處于0～200 μm的中小氣孔。隨著燒結(jié)溫度升高至1 280 ℃,氣孔的主要形態(tài)變成了形狀相對規(guī)則且孔徑超過400 μm的大氣孔。在燒結(jié)溫度為1 320 ℃時,由于樣品中存在大量集中分布的針柱狀鐵酸鈣,不規(guī)則形狀的氣孔含量顯著增加,而渾圓的大氣孔占比降低。而燒結(jié)溫度為1 360～1 400 ℃時,樣品變得更加致密,氣孔總量顯著減少。此外,在燒結(jié)溫度為1 400 ℃時,恒溫5 min的樣品中比恒溫1 min的樣品中存在更多200～400 μm的中等大小氣孔。

圖3 燒結(jié)礦的氣孔顯微形態(tài)特征

2.2.2 氣孔率和孔徑特征

分析了試樣中氣孔的孔徑變化情況,將不同溫度條件下燒結(jié)礦樣品中的孔洞按直徑分為小于400 μm的中小氣孔和大于400 μm的大氣孔,圖4所示展示了不同溫度條件下氣孔率的變化情況。

圖4 燒結(jié)礦的氣孔率變化規(guī)律

從圖4中可以看出,隨著燒結(jié)溫度的升高,燒結(jié)礦樣品中的氣孔率呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。在燒結(jié)溫度由1 240 ℃升高至1 280 ℃時,燒結(jié)礦中大于400 μm的大氣孔含量相對增加,而小于400 μm的中小氣孔含量略微降低。這是由于隨著燒結(jié)過程的進行,小氣孔之間相互合并形成大氣孔導(dǎo)致的。在燒結(jié)溫度由1 280 ℃升高至1 320 ℃時,恒溫1 min的樣品中大氣孔含量呈現(xiàn)出減小的趨勢,而恒溫5 min的樣品中大氣孔含量則呈現(xiàn)出增長的趨勢。然而這2種樣品中都表現(xiàn)出了小氣孔的明顯增加。這可能是由于在燒結(jié)溫度超過1 280 ℃后,樣品中的部分復(fù)合鐵酸鈣發(fā)生了分解,導(dǎo)致了中小氣孔的明顯增加。當(dāng)燒結(jié)溫度繼續(xù)升高至1 360 ℃和1 400 ℃時,燒結(jié)樣品的氣孔率都表現(xiàn)出下降趨勢,但此時,隨著恒溫時間由1 min增加為5 min,燒結(jié)礦樣品中的中小氣孔占比發(fā)生明顯回升。

為了研究恒溫時間對中小氣孔氣孔率變化的影響規(guī)律,分別統(tǒng)計了孔洞直徑0～50 μm、50～100 μm、100～200 μm、200～400 μm的孔洞所占的比例。其結(jié)果如圖5所示,當(dāng)樣品的恒溫時間為1 min時,不同溫度下各級孔徑的氣孔表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律,當(dāng)燒結(jié)溫度逐漸上升,燒結(jié)礦中中小氣孔所占比例除1 320 ℃時出現(xiàn)明顯上升外整體呈下降趨勢。而在恒溫時間為5min的樣品中,當(dāng)燒結(jié)溫度逐漸上升,除孔徑為200～400 μm的一組較大氣孔外,其他中小氣孔占比都表現(xiàn)為整體上升的趨勢。

圖5 燒結(jié)礦的孔徑變化規(guī)律

在粘度較高的液體中,氣泡是否能夠上浮離開液體與其孔徑尺寸有關(guān),孔徑較大的氣泡由于受到的阻力加速度相對較小其上浮速度遠高于較小氣泡。在升溫過程中,液相中形成的氣泡迅速聚并,較大氣泡得以迅速散溢離開冶金熔體。然而,當(dāng)燒結(jié)溫度穩(wěn)定后,由于礦物持續(xù)分解產(chǎn)生的氣泡不再能滿足迅速生成較大氣泡的要求,冶金熔體中的小氣泡數(shù)量開始發(fā)生增長。氣孔率的變化是氣體的溢散和新氣泡的生成相互競爭產(chǎn)生的結(jié)果[13],當(dāng)恒溫時間逐漸增加,隨大氣泡大量溢出而降低的氣孔率逐漸開始回升。

燒結(jié)礦中大氣孔的存在不利于燒結(jié)礦機械強度的提升,而小氣孔的存在對燒結(jié)礦的還原性有利,這意味著,自燒結(jié)溫度到達1 280 ℃起,隨著燒結(jié)溫度的升高有利于改善燒結(jié)礦的機械強度,而自1 320 ℃起,隨著燒結(jié)溫度的升高,燒結(jié)礦的還原性持續(xù)惡化,同時適量的增加恒溫時間有益于提高燒結(jié)礦的還原性能。

3 結(jié)論

(1)燒結(jié)溫度對氣孔率變化有著顯著的影響,隨著燒結(jié)溫度由1 240 ℃上升到1 280 ℃,燒結(jié)礦氣孔率逐漸增加,而當(dāng)燒結(jié)溫度繼續(xù)升高,燒結(jié)礦的氣孔率開始逐漸下降。

(2)燒結(jié)溫度由1 240 ℃上升到1 320 ℃,隨著恒溫時間的增加,燒結(jié)礦各級氣孔孔徑占比逐漸減小,這是由于恒溫時間的延長有助于氣體由粘度較高的液相中逸散。

(3)當(dāng)燒結(jié)溫度為1 360 ℃和1 400 ℃時,隨著恒溫時間的增加,燒結(jié)礦中小氣孔占比明顯增大,其原因是由于恒溫時間增加導(dǎo)致礦物相變產(chǎn)生了大量新氣泡。