矿物组成及显微结构对烧结矿质量的影响
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矿物组成及显微结构对烧结矿质量的影响任佩珊 闫丽娟(钢研所) 摘要 通过岩、矿相分析可知:有利烧结矿强度的物相为熔融形磁铁矿和板状铁酸钙,有利还原性的物相为赤铁矿和针状铁酸钙,不利低温还原粉化率的物相为骸晶状菱形赤铁矿和致密型残存赤铁矿。
提出了为提高烧结矿质量应采取的措施。
关键词 烧结矿 矿物组成 显微结构Influence of Mineral Composition and Microstructure on Sinter QualityRen Peishan Yan Lijuan(Iron&Steel Research Institute) ABSTRACT It is known from the phase analysis that the phase beneficial to the strength of sinter is melting magnetite and columnar calcium ferrite;the phase good for the reducibility is hematite and acicular calcium ferrite and the phase unfavourable to the low temperature degradation is secondary skeletal hematite and density unmelted st of all,the related measures are proposed to improvc the sinter quality.Key Words Sinter Mineral composition Microstructure 烧结矿中的矿物组成及其结构特征,对烧结矿的强度(TI)、还原性(RI)和低温还原粉化率(RDI)都有较大的影响。
所以研究提高烧结矿的质量必须与其矿物组成、显微结构联系起来,了解在烧结矿中出现哪些物相及结构,对提高烧结矿质量有利,而哪些物相及结构对提高烧结矿质量不利。
这样可以使烧结工作者根据原料特点,采取相应的工艺措施,增加有利于提高质量和抑制不利提高质量的物相和结构。
宝钢烧结矿是由进口高铁、低硅、杂质较少的赤铁矿烧结而成的,其矿物组成及结构较简单,现分述如下:1 矿物组成利用矿相分析仪进行定量分析。
111 残存赤铁矿(Fe2O3)任佩珊 高级工程师 宝山钢铁(集团)公司钢铁研究所邮编 201900残留在烧结矿中的原赤铁矿,其粒级一般在5～8mm,边界线清楚,一般在烧结过程中不发生任何物理、化学变化,其含量约占22%～26%。
该物相还原性较好,对TI影响不明显,但对RDI影响较大。
因在低温还原时发生相变,产生相变应力,形成破裂带,所以这是宝钢烧结矿RDI高的原因之一。
另外赤铁矿本身有疏松结构和致密结构之分(照片1),前者由于孔洞较多,相变时可吸收部分应力,故对烧结矿RDI的恶化有所缓解,而后者相变应力无释放余地,使破裂带变宽、变长,更加剧RDI恶化。
112 骸晶状菱形赤铁矿(Fe2O3)骸晶状菱形赤铁矿是早期析出特殊形状的二次再生相,其含量约占6%～10%。
随温度升高,赤铁矿在烧结过程中熔入液相,随着烧结结束,赤铁矿还原分解成磁铁矿,重新结晶从液相中析出。
由于温度逐渐下降,熔体的粘度迅速增大,离子很难扩散,物质不能均匀地进入晶棱、顶点及晶面,生长得不饱满,中心有许多凹陷,呈骨架状,一些低熔点物相硅酸盐、铁酸盐、玻璃等充填其缺陷部位,同时氧化生成骸晶状菱形赤铁矿(照片2)。
该物相对TI及RI影响不大,但对烧结矿RDI影响较大,由于它本身结构,在低温还原时,低熔点物相与骨架的Fe2O3膨胀系数不等,且不同步,应力较集中,产生很多楔形裂纹,是导致RDI恶化的最主要物相。
照片1 粒状结构 5×A——疏松型残存赤铁矿;B——致密型残存赤铁矿;C——针状铁酸钙照片2 骸晶结构 10×A——骸晶状菱形赤铁矿;B——板状铁酸钙113 熔融形磁铁矿(Fe3O4)没有任何形状的它形晶,晶粒细小,棱角熔融成浑圆状(照片3),在烧结矿中约占14%～18%。
多生成在温度较高(>1300℃)、还原气氛较强的区域内,此物相不易还原,但对TI极为有利,对RDI影响不大。
114 自形晶磁铁矿(Fe3O4)形状大多为五边形的磁铁矿,有棱有角,多生长在液相量较多的区域内,如渣池附近,使该晶有足够的空间可以充分地结晶析出,长的比较饱满(照片4)。
在烧结矿中约占3%～5%,对烧结矿的TI和RI有一定的影响,对RDI影响较小。
照片3 熔融结构 40×A——熔融形磁铁矿;B——板状铁酸钙; C——硅酸二钙; D——玻璃照片4 玻斑结构 10×A——自形晶磁铁矿B——玻璃115 针状铁酸钙与板状铁酸钙(CaO・Fe2O3)此二物相是烧结矿中主要粘结相,约占32%～38%,反射率几乎一样,仅是形状略有差别。
这与生成条件有关,一般在1100℃～1250℃的区域内,针状铁酸钙较发育,而>1300℃的区域内板状铁酸钙较发育。
在高碱度烧结矿中,属于CaO2 Al2O32SiO22Fe2O3多元体系,通常称之钙铝硅酸盐(SFCA),在澳大利亚一些资料中介绍,SFCA 的结构式为X Fe2O3・Y SiO2・Z Al2O3・5CaO,式中X+Y+Z=12。
通过以前的实验可以证明一点,不管针状铁酸钙还是板状铁酸钙,其中没有铝,就不能生成SFCA。
曾做过当SiO2:6%、CaO: 10%、Fe2O3:84%时,其结果没有生成SFCA,而生成的是2CaO・SiO2和玻璃;当加入少量的Al2O3(015%),SFCA就形成了。
曾对针、板状铁酸钙作过电子探针微区分析,结果如表1所示。
表1 电子探针分析 %铁酸钙形状CaO Fe2O3SiO2Al2O3中国针状91918219711672142板状121767512941872158日本针状10148315219312板状15147617812517 从表1可以看出:板状铁酸钙中的Si,Al,Ca 等元素要比针状铁酸钙熔入的量多,证明与烧结工艺是一致的。
针状铁酸钙易还原,有韧性、弹性,对TI有利,板状铁酸钙不易还原,它们对烧结矿RDI影响不大。
116 硅酸二钙(2CaO・SiO2)此物相含量较少,约占1%～3%。
硅酸二钙本身是属于高熔点物相,其熔点为2130℃,它可在烧结瞬间形成,如果与FeO固熔,其熔点就降至1280℃,成为共熔混合物。
如再熔入其它元素,如Mg,Al等,熔点更低,变成低熔点物相。
此物相与玻璃、铁酸盐等形成共晶区。
因含量较少,对烧结矿的质量影响不大。
117 未渣化蛇纹石(3MgO・2SiO2・2H2O)此物相是没有变成粘结相的蛇纹石,一般粒级在1mm以上,约占2%～4%。
在烧结过程中,其颗粒的边缘分解成高熔点的镁橄榄石(2MgO ・SiO2)与已还原的磁铁矿固熔成铁酸镁形成反应边(照片5),不仅没有起到粘结相的作用,还需要其它低熔点物相粘结,在其周围产生许多裂纹,对TI和RDI影响较大。
118 玻璃质在烧结过程中来不及结晶析出的物相均称玻璃,它没有形状,呈非结晶态,是烧结矿最基本的粘结相,约占6%～10%。
它的成分比较复杂:有Ca,Si,Mg,Al,Ti,FeO等,属于脆性,TI极差,RI 不好。
2 显微结构烧结矿的显微结构一般是指物相之间的排列组合,由于生产工艺和原料的不同,互相之间的关系差异较大,现将宝钢烧结矿常见的显微结构分述如下:211 粒状结构残存赤铁矿被针状铁酸钙粘结,基底微气孔较多(照片1)。
这种结构多生成在氧位较高、温度较低(<1300℃)的区域,它有很好的TI和RI,但对RDI有一定的影响。
因原进口赤铁矿本身有“疏松型”与“致密型”结构之分,故残留在烧结矿中的残存赤铁矿同样会出现这两种情况,疏松多孔的对RDI影响较小;相反致密型的含量多,明显会导致RDI变坏。
约占整个烧结矿结构的30%。
212 熔融结构磁铁矿被熔融生成它形晶,无棱角,被板状铁酸钙交织,基底为玻璃质,微气孔较少。
这种结构生成条件是还原气氛较强,温度高(>1300℃),生成的板状铁酸钙象编织的网一样“焊接”着熔融的磁铁矿(照片3),是烧结矿中TI最好的部分,对RDI影响不大,但较难还原,故对RI有一定的影响。
约占整个烧结矿结构的20%。
213 骸晶结构烧结矿中早期结晶的磁铁矿呈骨架状,被晚析出的各种物相交结。
一般情况下,这种结构多出现在烧结矿易氧化区域,如孔洞周围、裂纹边缘等,但如生产需要在均矿中配加钒钛矿或带网格结构的铁精矿粉等,那么这种结构在烧结矿中就较均匀出现,或成堆成片的出现(照片2);还在局部温度偏高,强还原气氛冷却速度慢的情况下(厚料层的下部)较多出现。
由于本身结构造成楔形应力集中,产生裂纹,并助长原有裂纹发展,导致烧结矿碎裂、粉化,对烧结矿RDI极为不利,对TI 和RI影响不明显,约占整个烧结矿结构的10%。
214 共晶结构此结构大多为二个以上的物相共同粘结,如自形晶、磁铁矿、铁酸盐、硅酸盐;熔融形磁铁矿、铁酸盐、玻璃;赤铁矿、硅酸盐、铁酸盐、玻璃等(照片6)。
这种结构在烧结矿中高温区或低温区,较分散,对烧结矿TI、RI无明显影响,但对RDI较为有利。
约占整个烧结矿结构的30%。
215 玻斑结构这种结构大多出现在高温区,强还原气氛,自照片5 未渣化蛇纹石 5×A——未渣化蛇纹石;B——针状铁酸钙照片6 共晶结构 10×A——自形晶磁铁矿;B——铁酸钙; C——硅酸二钙; D——玻璃形晶的磁铁矿被液相量较多的玻璃质粘结(照片4),对烧结矿TI、RI极为不利,对RDI也有一定影响。
约占整个烧结矿结构的10%。
3 分析与讨论311 从上述对矿物组成及显微结构的分析可以看出,宝钢烧结基本趋向高碱度、低温型烧结, TI、RI都较好,唯一不足的是RDI有些偏高,针对这一矛盾采取如下的措施,尽量抑制对RDI不利的物相和结构。
(1)减少骸晶状菱形赤铁矿a)控制钒钛矿和带有网格结构铁精矿的配加量。
b)改变厚料层下部高温缓冷条件。
(2)减少残存赤铁矿中致密型矿石,多配加些疏松多孔型矿石或将致密型大颗粒矿石(5～8mm)进行再破碎。
(3)蛇纹石细化,使其粒级不超过1mm。
312 骸晶状菱形赤铁矿除易生成在孔洞、裂纹周围外,整个烧结矿的结构中高温区或低温区均有出现,这可能与配入的原赤铁矿粒级有关,根据镜下观察推测,在现有的工艺条件下,大颗粒残留下来,小颗粒多变为熔融形磁铁矿或自形晶磁铁矿,而对某个粒级来说是否极易生成骸晶状菱形赤铁矿?有待于进一步实验研究证实。
