不同碱度司家营烧结矿矿相结构特征及其对冶金性能的影响

韩秀丽，吕水，杨光

（1. 河北理工大学 资源与环境学院，河北 唐山063009；2. 唐山中厚板材有限公司，河北 唐山063600）

0 引 言

高碱度司家营烧结矿是唐山钢铁有限责任公司高炉炼铁的主要原料之一,其质量好坏与其内部形成的矿物组成及矿相结构有着极其密切的关系，一直缺乏系统的研究[1]。为改善唐钢烧结矿的质量及合理利用本地铁矿石资源，笔者从矿相结构出发，探讨了不同碱度司家营烧结矿的矿相结构特征及对其冶金性能的影响机理，旨在为烧结生产提供理论依据。

1 原料性能及研究方法

1.1 原料性能

司家营烧结矿烧结原料主要化学成分列于表1（焦粉w（C）为84.53 %)。由表1可知，司家营铁矿粉、MAC粉、巴西C粉含铁品位都较高，均在63%以上，属高品位铁矿石。SiO2含量均在3%～6%之间，有利于烧结矿强度的提高。

司家营铁矿粉粒度极细，-200目超过96.0%。其它烧结原料粒度组成分析结果列于表2。

表1 烧结原料的化学成分（%）

名 称 TFe SiO2 CaO MgO 烧 损高 返 53.66 6.16 9.50 2.65 0.14钢 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 烧结原料各粒度组成（%）

1.2 试验方法

固定司家营铁矿粉配加量为80%，配碳量为3.75%，MgO为2.5%，用石灰石调整烧结矿碱度分别为1.7、1.8、1.9、2.0、2.1进行烧结。

烧结试验模拟烧结现场，在河北理工大学Φ200mm倒圆台形烧结杯中进行。烧结工艺参数为:风量为14.4m3/min，烧结抽风负压为7.84kPa，以液化石油气点火，点火温度为1150℃左右，点火时间为1.5min。

烧结矿的矿物组成及微观结构在德国蔡司研究型偏/反两用光学显微镜下进行观测鉴定。

2 试验结果及分析

2.1 碱度变化对司家营烧结矿物质成分及显微结构的影响

不同碱度司家营烧结矿的化学成分见表3。

表3 司家营烧结矿的主要化学成分

2.1.1 不同碱度司家营烧结矿的矿物组成变化规律

选取碱度分别为1.7、1.9、2.1具有代表性的司家营烧结矿样制成光薄片，进行光学显微镜分析，对烧结矿矿物组成和显微结构进行系统的鉴定，烧结矿的主要矿物组成体积百分比见图1所示。

由图1可知，司家营烧结矿碱度从1.7增加到1.9，烧结矿中的赤铁矿、硅酸二钙、玻璃质含量减少，磁铁矿、铁酸钙、橄榄石含量升高，铁酸钙增加到30%～35%。司家营烧结矿碱度从1.9增加到2.1，整体金属相含量与粘结相含量变化不明显，赤铁矿、硅酸二钙含量增加，磁铁矿、铁酸钙含量略有减少。当碱度为2.1时，在显微镜下可看到烧结矿中出现了残余CaO，主要原因是石灰石中粒度大于3 mm的比例达35%。

图1 不同碱度司家营烧结矿矿物组成变化

2.1.2 不同碱度司家营烧结矿矿相结构特点及形成机理

碱度分别为1.7、1.9、2.1的司家营烧结矿中具有代表性的显微结构照片见图2所示。从图2可以看出，随着司家营烧结矿碱度的增加，烧结矿的显微结构发生了明显的变化。

当司家营烧结矿碱度为1.7时，从图2(a)(b)可以看出，烧结矿矿相结构极不均匀，主要为斑状—粒状结构（见(a)），局部见熔蚀结构和骸晶结构。气孔大小不一，分布不均匀，形态不规则，气孔率为20%～25%，裂隙发育，对烧结矿强度不利。磁铁矿分布不均匀，多呈半自形、自形晶，部分他形晶，结晶粒度较粗，磁铁矿与玻璃质、硅酸二钙和橄榄石胶结形成斑状—粒状结构。由于磁铁矿反应活性较低，部分未被反应的磁铁矿被玻璃质熔蚀形成骸晶状磁铁矿，使烧结矿强度降低[2]。赤铁矿分布不均匀，多呈他形晶集中成片（见(b)），部分呈自形、半自形。粘结相主要为铁酸钙、硅酸二钙和玻璃质。铁酸钙多呈他形晶和板柱状，少量呈细小针状。硅酸二钙结晶颗粒较粗，分布不均匀，多以柳叶状和针状形态存在，由于硅酸二钙的晶型转变，降低了烧结矿的强度[3]。玻璃相含量相对较高，多胶结粗粒磁铁矿，对烧结矿强度不利[4]。

当司家营烧结矿碱度为1.9时，由图2(c)(d)可看出，烧结矿矿相结构较均匀，主要为交织熔蚀结构（见(c)），这种结构具有较好的强度和还原性能[4]，局部见粒状结构。气孔大小不一，分布较均匀，形态不规则，气孔率为30%～35%，气孔率较1.7碱度的烧结矿增加，对烧结矿的强度及还原性都有利。磁铁矿含量进一步增加，主要呈他形晶，部分自形、半自形晶，结晶粒度较均匀，相对偏细，局部磁铁矿集中成片（见(d)）。他形磁铁矿多被板柱状和针状铁酸钙、硅酸二钙和少量玻璃质胶结形成交织熔蚀结构。赤铁矿含量进一步减少，主要集中分布于气孔和矿块边缘。铁酸钙为主要粘结相，其含量较1.7碱度的烧结矿进一步增加，尤其是针状铁酸钙含量增加，多达30%～35%，对烧结矿的强度和还原性能非常有利，针状铁酸钙还具有较高的耐还原粉化性能[5.6]。硅酸二钙多呈他形粒状和细小柳叶状，与针状铁酸钙共同胶结他形粒状磁铁矿。玻璃质含量降低也有助于烧结矿强度的提高。

当司家营烧结矿碱度为2.1时，由图2(e)(f)可以看出，烧结矿矿相结构不均匀，主要为斑状结构（见(e)），局部见熔蚀结构。气孔大小不一，分布不均匀，形态不规则，气孔率为25%～30%，裂隙裂纹发育。磁铁矿多呈自形、半自形晶，少量他形晶。自形、半自形磁铁矿被玻璃质、硅酸二钙胶结形成斑状结构。赤铁矿分布不均匀，多呈他形晶、半自形分布于局部矿块边缘，局部可见菱形骸晶状赤铁矿（见(f)）。烧结矿中存在残存赤铁矿，当烧结矿处于低温还原区时，三方晶系的赤铁矿被还原成等轴晶系磁铁矿，产生应力，致使晶格破坏，导致粉化[7，8]。铁酸钙为主要粘结相，多呈细小针状、板柱状。针状铁酸钙含量较1.9碱度的烧结矿减少，所以烧结矿的整体强度及还原性略有降低，硅酸二钙多呈他形粒状、柳叶状。

综上所述，随着司家营烧结矿碱度的增加，烧结矿的显微结构明显变化，烧结矿显微结构由斑状—粒状结构向交织熔蚀结构再向斑状结构过渡。铁酸钙含量先增加后减少，当司家营烧结矿碱度为1.9时，铁酸钙含量最高，达到33%。硅酸二钙、玻璃质含量的变化趋势为先减少后增加。磁铁矿晶形由自形、半自形转变为他形晶后又向自形、半自形过渡，赤铁矿多呈他形、半自形晶。

2.2 不同碱度司家营烧结矿矿相结构与冶金性能的关系

不同碱度司家营烧结矿的冶金性能见图3所示。

图3 不同碱度司家营烧结矿的冶金性能

由图2、3可以看出，当碱度从1.7增加到1.9时，司家营烧结矿显微结构由斑状—粒状结构向交织熔蚀结构过渡，这种结构具有较好的强度和还原性能，相应的烧结矿的转鼓指数和还原性增加。碱度提高后，CaO含量增多，铁酸钙含量增加，而易于产生低温还原粉化的再结晶Fe2O3含量相应减少，所以司家营烧结矿的低温还原粉化性能得到改善。

当碱度从1.9增加到2.1时，司家营烧结矿显微结构由交织熔蚀结构向斑状结构过渡，这种结构的强度较差，所以烧结矿的转鼓指数和还原性降低。由于骸晶状菱形赤铁矿及残存赤铁矿的增多，司家营烧结矿的低温还原粉化性能逐渐恶化。

3 结 论

（1）司家营烧结矿碱度从1.7增加到1.9时，烧结矿中磁铁矿、铁酸钙含量增加， 赤铁矿、硅酸二钙、玻璃质的含量降低，显微结构由斑状—粒状结构过渡到交织熔蚀结构，相应的烧结矿转鼓指数和还原性升高，低温还原粉化性能得到改善。

（2）司家营烧结矿碱度从1.9增加到2.1时，烧结矿中赤铁矿、硅酸二钙、玻璃质含量增加，磁铁矿、铁酸钙含量略有减少，显微结构由交织熔蚀结构向斑状结构过渡，相应的烧结矿转鼓指数和还原性降低，低温还原粉化性能恶化。

（3）司家营烧结矿碱度为1.9时，烧结矿的显微结构以交织熔蚀结构为主，具有较好强度及还原性，铁酸钙多以柱状、针状形态存在，相应的烧结矿转鼓指数、还原性和低温还原粉化性能最好。

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[8] 李雪松，许秋慧，武振宇等. 唐钢铁矿石烧结性能研究及烧结工艺优化[J]. 冶金标准化与质量，2006，1（44）：26-30.