准化学平衡条件下温度对烧结液相生成的影响

赵 凯，王建超，胡长庆

(河北联合大学冶金与能源学院，河北唐山063009)

烧结液相生成发生在燃烧层，液相是铁矿粉烧结造块的基础。液态物质的性质和数量在很大程度上决定烧结矿的固结强度高低以及冶金性能的优劣。国内外的好多科研工作者都对烧结液相体系做了研究。他们研究了烧结矿铁钙硅渣系(SFCA)，并在特定温度的氧分压条件下绘制了液相体系的相图。金明芳［1］等人指出白云石与Fe2O3扩散反应中铁酸一钙和铁酸半钙低熔点物质为液相促进白云石与Fe2O3扩散反应，白云石与Fe2O3扩散反应中，主要是MgO扩散进入Fe2O3中。Hisao KIMURA［2］等人在研究Al2O3和MgO对CaO－SiO2－FeOX的液相区域的影响中指出在不同氧分压下Al2O3和MgO都使整个体系的液相区域扩大了，但没有阐明Al2O3和MgO的去向。

1 实验方法

通过对现场取样进行化学全分析，采用分析纯氧化铁(Fe2O3)、氧化钙(CaO)、二氧化硅(SiO2)、氧化镁(MgO)、氧化铝(Al2 O3)化学试剂，配制成Fe2O3－SiO2－CaO－Al2O3－MgO系试样。其配料组成为:Fe2O3的质量分数为82.56%，CaO的质量分数为8.64%，SiO2的质量分数为4.8%，MgO的质量分数为2%，Al2O3的质量分数为2%。

根据烧结液相开始形成温度及低温烧结温度上限以及Fe2O3的分解温度下限，选取1250℃、1300℃和1350℃三个温度水平进行实验，在常压下恒温时间24小时，在准化学平衡条件下对上述五元体系的液相生成过程进行了研究。

将化学分析纯试剂按照成分配比称量好之后放入研钵，加酒精研磨30分钟，待酒精挥发完毕后，装入密封袋内备用。取30g混合好的原料加入到刚玉坩埚内，连同坩埚一起放入管式电阻炉的恒温区，按照设定的温度制度进行加热保温。实验结束后，将坩埚取出放入迅速水中急冷，然后取出破碎并制样，采用光学显微镜、X－Ray及SEM进行详细分析。

2 实验结果与分析

本实验采用X射线衍射主要是针对相平衡实验产物的检测及鉴定。物相鉴定结果表明:试样中的晶体矿物主要包括以下几种:MgFe2O4、Mg0.64Fe2.36O4、Mg1.55Fe1.6O4、Fe2O3、CaAlO4。从SEM图可以看出试样明显能分为两个部分，包括深黑色区域和颜色较浅区域。结果如下图所示:

图1 试样在1250℃下的XRD图与SEM图

表1 三个特征点的元素含量比(Atom%)

图2 1250℃元素面分布图

从图1、图2及表1可以看出在SEM图片中的深黑色区域的铁元素含量较低，钙元素和硅元素含量较高，氧元素、铝元素及镁元素都只是稍有差别。其余颜色稍浅的区域铁元素含量较高，氧元素含量也较高，钙元素、硅元素、铝元素及镁元素的含量都比较少，但是分布均匀。在XRD图中分析没有得到明显含钙元素和硅元素的物相，所以认定在SEM图中颜色为深黑色的区域为非晶态的液相区域。通过能谱图可以看出2点和3点所在位置即为生成的液相区域，二者成分含量、种类基本一致，包含铁的氧化物、硅的氧化物、钙的氧化物以及铝的氧化物。

通过以上表4的数据分析得出在1250℃时试样的位于液相的2点与3点的矿物组成介于4 Fe2O3·14 CaO·10 SiO2·2 Al2O3与4 Fe2O3·12 CaO·12 SiO2·3 Al2O3之间。这个矿物组成接近关于针状铁酸钙理论组成的成分，但是稍有差别。Fe2O3的含量要比以前的研究结果低，CaO、SiO2与Al2O3的含量都和以前的研究结果相近。分析其原因为:MgO属于高熔点物质，在相平衡条件下MgO的加入使Fe2O3与MgO发生固相反应并且反应比较彻底，生成的MgO·Fe2O3减少并阻碍了Fe2O3向SFCA组织的扩散。

图3 试样在1300℃下和1350℃下的SEM图

表2 1300℃下五个特征点能谱分析结果

表3 1350℃下四个特征点能谱分析结果

通过对图3右图和表2、3的特征点进行能谱分析，可知试样在1300℃下时，其液相的矿物组成是介于9 Fe2O3·11 CaO·9 SiO2·4 Al2O3与8 Fe2O3·12CaO·9 SiO2·4 Al2O3之间的矿物。试样在1350℃下时，其液相的矿物组成是介于21Fe2O3·7 CaO·5SiO2·11Al2O3与27Fe2O3·10CaO·7 SiO2·12 Al2O3之间的矿物。

随着温度的升高，试样中液相量增加，并根据XRD的半定量分析及统计规律其结果如图4所示。图5试样在不同温度下的显微结构。

图4 温度对液相生成量的影响

图5 不同温度条件下的试样的显微结构

由图5可知在1250℃时铁酸钙含量相对较少并且与硅酸钙区分明显，而且Fe2O3与铁酸钙交织在一起; 1300℃时Fe2O3相明显减少，铁酸钙与硅酸钙开始出现交织状况;1350℃时铁酸钙与硅酸钙明显交织在一起，Fe2O3相存在不明显。

通过对三个温度下的液相区域的矿物组成的对比分析可以得出以下结论:随着温度的升高，在SFCA中的Fe2O3含量升高，说明液相量增加;CaO的含量变化不明显;SiO2含量降低;Al2O3含量升高，利于交织结构的铁酸钙的形成，可提高烧结矿强度。

3 结论

(1)相平衡实验所得试样经过快速冷却(水淬)之后，其中液相成分以非晶态存在与试样中。温度与镁元素的分布关系不大，MgO在赤铁矿为主要原料的烧结体系中会与Fe2O3结合生成MgO·Fe2O3矿物，这基本与前人研究相一致。

(2)由于MgO与Fe2O3反应生成MgO·Fe2O3矿物，使SFCA中Fe2O3含量减少，进而使作为烧结液相的SFCA含量降低。

(3)随着温度的升高，在SFCA中的Fe2O3含量升高，说明液相量增加;CaO的含量变化不明显;SiO2含量降低;Al2O3含量升高，利于交织结构的铁酸钙的形成，可提高烧结矿强度。

［1］ 金明芳，李广森，储满生，等.烧结过程中MgO在赤铁矿中扩散行为的研究［J］.钢铁，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.

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