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        球團(tuán)礦礦相結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)冶金性能的影響

        2020-04-23 03:31:10趙喆韓秀麗劉磊張玓白冬冬周祥
        關(guān)鍵詞:生球球團(tuán)礦還原性

        趙喆,韓秀麗,劉磊,張玓,白冬冬,周祥

        (1.華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院,河北 唐山 063210;2.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,河北 唐山 063210)

        就球團(tuán)礦而言,其本身具有粒度均勻、含鐵品位高、堆密度大及還原性良好等優(yōu)點(diǎn),諸多優(yōu)點(diǎn)促使其成為了我國(guó)煉鐵生產(chǎn)的主要入爐原料之一[1]。球團(tuán)礦作為一種人造巖礦,其內(nèi)部的礦物種類、晶粒大小、分布特征及顯微結(jié)構(gòu)與冶金性能之間關(guān)系密切[2,3]。目前現(xiàn)有的研究大部分是從原料的化學(xué)成分、配料比例來(lái)衡量球團(tuán)礦的質(zhì)量[4],對(duì)球團(tuán)礦的礦相結(jié)構(gòu)與其冶金性能之間的定量分析較少。因此,本實(shí)驗(yàn)針對(duì)普通球團(tuán)礦的礦物特點(diǎn),深入分析其顯微結(jié)構(gòu),進(jìn)而探討球團(tuán)礦的礦相結(jié)構(gòu)對(duì)其冶金性能的影響規(guī)律[5]。旨在為提高球團(tuán)礦質(zhì)量和改善相關(guān)工藝條件,提出有效措施的理論依據(jù)。

        1 樣品理化性能及實(shí)驗(yàn)方法

        實(shí)驗(yàn)所用2種球團(tuán)礦由國(guó)內(nèi)某鋼鐵公司提供,均為磁鐵礦型球團(tuán)礦,2種球團(tuán)礦化學(xué)成分相似、堿度相近(見表1),并取典型試樣進(jìn)行礦相結(jié)構(gòu)鑒定與冶金性能實(shí)驗(yàn)[6,7]。2種球團(tuán)礦的手標(biāo)本(見圖1),物理性質(zhì)差異較大:1#球團(tuán)礦粒度相對(duì)較大,平均粒徑1.6 cm,樣品鐵黑色(稍帶紅色),不污手。2#球團(tuán)礦粒徑相對(duì)較小,平均粒徑1.2 cm,樣品棕紅色,表面含有大量粉末狀赤鐵礦,污手。從手標(biāo)本來(lái)看,2#球團(tuán)礦較1#球團(tuán)焙燒氧化更為徹底,外觀顯示為赤鐵礦的棕紅色。

        表1 球團(tuán)礦化學(xué)成分/(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

        圖1 球團(tuán)礦手標(biāo)本

        礦相結(jié)構(gòu)鑒定:對(duì)2種球團(tuán)礦試樣分別采用環(huán)氧樹脂進(jìn)行鑄型、研磨、拋光制成光薄片,并利用德國(guó)蔡司透/反兩用Axioskop 40A pol研究型偏光顯微鏡進(jìn)行礦相結(jié)構(gòu)觀測(cè)。

        冶金性能測(cè)試:球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14201-93測(cè)定;還原性參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T13241-91測(cè)定。

        2 研究結(jié)果及分析

        2.1 礦物組成分析

        在偏光顯微鏡下采用目估法對(duì)球團(tuán)礦礦物組成進(jìn)行定量分析[8,9],可以看出,2種球團(tuán)礦礦物具有組成簡(jiǎn)單、種類相似、含量不同的特點(diǎn)(見表2)。1#球團(tuán)礦的內(nèi)外兩帶礦物組成出現(xiàn)了規(guī)律性變化,外部帶以赤鐵礦和石英為主,內(nèi)部帶磁鐵礦大量出現(xiàn),并有少量玻璃質(zhì)出現(xiàn)。2#球團(tuán)礦的礦物組成類似于1#球團(tuán)礦的外部帶,僅見大量赤鐵礦、石英及少量磁鐵礦。1#球團(tuán)礦的氣孔率高,多呈較大渾圓狀;2#球團(tuán)礦氣孔率較低,氣孔多微小,且連通性差。

        表2 普通球團(tuán)礦的礦物組成及含量/%

        XRD分析圖譜表明(見圖2),1#球團(tuán)礦的組成礦物主要為赤鐵礦和磁鐵礦,含量差別較大,赤鐵礦礦物的峰強(qiáng)較高,峰形較尖銳,磁鐵礦礦物的峰強(qiáng)較弱,說(shuō)明了赤鐵礦礦物的相對(duì)含量高于磁鐵礦礦物,且赤鐵礦礦物的結(jié)晶程度比較好。

        衍射圖譜進(jìn)一步表明兩者赤鐵礦含量相差不大,但2#球團(tuán)礦石英礦物峰強(qiáng)略高于前者,在成礦時(shí)還原性氣體的反應(yīng)程度低于1#球團(tuán)礦,阻礙還原反應(yīng)的進(jìn)行。且2#球團(tuán)礦衍射譜圖雜質(zhì)峰較多,時(shí)效處理后的試樣同樣具有雜質(zhì)峰的趨勢(shì),即相對(duì)于1#球團(tuán)礦,2#球團(tuán)礦的結(jié)晶程度較弱。檢測(cè)分析結(jié)果與鏡下鑒定具有一致性,主要的組成礦物均能一一對(duì)應(yīng)。

        圖2 球團(tuán)礦X射線衍射譜圖

        2.2 顯微結(jié)構(gòu)特征分析

        為更加具體描述2種球團(tuán)礦的顯微結(jié)構(gòu)差異特征,特從結(jié)構(gòu)均勻度、礦物晶形、膠結(jié)方式等方面進(jìn)行了細(xì)致的分析(見圖3)。

        圖3 球團(tuán)礦差異特征影響對(duì)比

        (1)結(jié)構(gòu)均勻度:1#球團(tuán)礦具有內(nèi)帶-外帶雙層分帶結(jié)構(gòu),其中外部帶直徑1.8 cm,內(nèi)部帶直徑為0.8 cm。如圖4(c)內(nèi)外帶分界處均可見同心裂紋,這是由于加熱較快或樣品粒度較大所致。2#球團(tuán)礦分帶現(xiàn)象不明顯,雖然其分帶現(xiàn)象不明顯,但相對(duì)1#球團(tuán)礦結(jié)構(gòu)較疏松,推測(cè)在1100 ℃溫度以上焙燒時(shí),局部區(qū)域的板狀Fe2O3表面收縮不明顯,出現(xiàn)的渣相無(wú)法充填于這些顆粒之間,使得球團(tuán)中板狀Fe2O3生長(zhǎng)膠結(jié)不充分,最終無(wú)法形成一個(gè)牢固的骨架見圖4(d)。

        (2)礦物結(jié)晶狀態(tài):1#球團(tuán)礦整體的礦物粒徑較大,外部帶中多為粗大的再結(jié)晶赤鐵礦,粒徑,50~100 μm。內(nèi)部帶中的赤鐵礦多呈不規(guī)則狀出現(xiàn)與磁鐵礦中,表現(xiàn)為磁鐵礦的不完全氧化。2#球團(tuán)礦整體的礦物粒徑較小,赤鐵礦多為細(xì)小狀出現(xiàn),粒徑30~70 μm。兩者石英晶形、含量差別較大,1#球團(tuán)礦石英含量較低,且粒度較小,為30~60 μm;2#球團(tuán)礦石英含量較高,粒度粗大,為50~100 μm。兩者都出現(xiàn)大顆粒石英,為150~300 μm。

        (3)膠結(jié)方式及晶鍵發(fā)育度:2種球團(tuán)礦均以赤鐵礦再結(jié)晶晶鍵為主要膠結(jié)方式,1#球團(tuán)礦的內(nèi)部帶出現(xiàn)了少量的玻璃相膠結(jié)。1#再結(jié)晶晶鍵比2#發(fā)育更加完全,外部帶的晶鍵要比內(nèi)部帶的鍵橋發(fā)育明顯。1#球團(tuán)在高溫焙燒過(guò)程中Fe2O3部分分解形成Fe3O4,當(dāng)生球中含有CaO時(shí),產(chǎn)生化合物,其熔點(diǎn)低,是一種良好的固結(jié)形式;但2#球團(tuán)由于混料結(jié)構(gòu)問(wèn)題,F(xiàn)e2O3受到SiO2的作用產(chǎn)生2FeO·SiO2難于結(jié)晶,最終固結(jié)形式差于1#球團(tuán)礦。

        (4)形成過(guò)程對(duì)比:1#磁鐵礦生球在氧化氣氛中焙燒時(shí),磁鐵礦晶粒的表面被氧化,生成Fe2O3微晶,氧化成的Fe2O3微晶再結(jié)晶,使相互隔開的微晶長(zhǎng)大,隨后生成緊密連成一片的赤鐵礦晶體。內(nèi)帶氧化不充分,形成磁鐵礦和赤鐵礦共存的現(xiàn)象;2#球團(tuán)礦相較1#來(lái)講,粒度較小,焙燒氧化也就更加徹底,因此主要以赤鐵礦再結(jié)晶反應(yīng)為主(僅在核部見少量殘余磁鐵礦)見圖4(e),也就無(wú)分帶結(jié)構(gòu),由于其生球尺寸小于1#球團(tuán)礦,可認(rèn)為球團(tuán)的先天質(zhì)量在一定程度上影響到還原膨脹性能,可能成為涉及到影響質(zhì)量原因的主導(dǎo)因素,導(dǎo)致球團(tuán)結(jié)構(gòu)疏松,因此應(yīng)嚴(yán)格控制球團(tuán)配料混料階段。

        圖4 顯微結(jié)構(gòu)

        綜上所述,1#球團(tuán)礦晶鍵發(fā)育良好,礦物晶形完整粗大,結(jié)構(gòu)致密,說(shuō)明在成球過(guò)程中,其原料精粉相較于2#可以有效改善并提高顆粒間的毛細(xì)力,提高母球的長(zhǎng)大速度,因此配加1#球團(tuán)精粉可以優(yōu)化球團(tuán)礦的成球特性;而2#球團(tuán)礦晶鍵發(fā)育不全,礦物粒度細(xì)小,結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松,并且從礦相圖可以看出,沒(méi)有被氧化的磁鐵礦和氧化生成的赤鐵礦有明顯的界限,說(shuō)明氧化比較徹底,內(nèi)外氧化均充分,但形成顆粒較小,在母球滾動(dòng)過(guò)程中對(duì)物料的吸附力較弱,因此需改善其混料結(jié)構(gòu),使顆粒相吸附、靠近,結(jié)構(gòu)致密化,有利于球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度的提高。

        2.3 不同球團(tuán)礦礦相結(jié)構(gòu)對(duì)其冶金性能的影響

        球團(tuán)礦冶金性能的好壞是其礦相結(jié)構(gòu)差異的外在表征[10,11],給出了2種球團(tuán)礦的各項(xiàng)冶金性能指標(biāo)(見表3),1#球團(tuán)礦優(yōu)于2#球團(tuán)礦。分析認(rèn)為:

        球團(tuán)礦的還原性主要是由氣孔率和礦物自身的還原性所決定,1#球團(tuán)礦以大氣孔為主,氣孔率達(dá)20%~25%,各氣孔間多連通;2#球團(tuán)礦氣孔較小,氣孔率為10%~20%,氣孔分布較為封閉。氣孔率越高,連通性越大,則還原性越好。同時(shí),2#球團(tuán)礦石英顆粒較大,且多充填于孔隙之中,阻礙了還原性氣體的通入,兩者赤鐵礦含量相差不大。1#球團(tuán)雖有分帶結(jié)構(gòu),但在大部分區(qū)域都保持著生球的不規(guī)則氣孔形狀,透氣性高;2#球團(tuán)生球尺寸較小,球團(tuán)的先天質(zhì)量在一定程度上影響其還原膨脹性能,再加上混料結(jié)構(gòu)問(wèn)題,使氣孔更加封閉,說(shuō)明在生球處理及混料結(jié)構(gòu)上的影響比在熱制度上的影響更加明顯,這也許會(huì)成為球團(tuán)礦在還原性對(duì)比中的關(guān)鍵影響因素。

        抗壓強(qiáng)度2#球團(tuán)礦略差于1#球團(tuán)礦,究其原因,有以下兩點(diǎn):(1)晶鍵的發(fā)育度,1#球團(tuán)礦中晶鍵的發(fā)育度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2#球團(tuán)礦晶鍵的發(fā)育度;(2)赤鐵礦的晶形,1#球團(tuán)礦相較2#球團(tuán)礦晶形粗大,同時(shí)1#球團(tuán)礦中各礦物的分布更為致密。2種抗壓強(qiáng)度的對(duì)比,驗(yàn)證了精礦中的脈石礦物成分、生球尺寸這些使顆粒相吸附、靠近,結(jié)構(gòu)致密化的因素,相較于熱制度的影響,更不利于球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度的提高,且可能會(huì)成為影響最終球團(tuán)質(zhì)量的主導(dǎo)條件。

        表3 不同球團(tuán)礦還原性和抗壓強(qiáng)度對(duì)比

        3 結(jié)論

        (1)2種球團(tuán)礦礦物組成相同,均主要為赤鐵礦,少部分由石英、磁鐵礦所組成。顯微結(jié)構(gòu)差異性明顯,1#球團(tuán)礦分為內(nèi)外兩帶雙層結(jié)構(gòu),2#球團(tuán)礦無(wú)分帶、結(jié)構(gòu)較疏松,在熱制度上對(duì)1#影響較大。

        (2)1#球團(tuán)礦晶鍵發(fā)育更加完全,各礦物晶型較大。相較之下,2#球團(tuán)礦晶鍵發(fā)育不完全,各礦物晶形較小,在生球尺寸及混料上1#球團(tuán)礦控制更加嚴(yán)格。因此,1#球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度優(yōu)于2#球團(tuán)礦。

        (3)2#球團(tuán)礦的還原性略差于1#球團(tuán)礦,這是由于1#球團(tuán)礦以大氣孔為主,氣孔率達(dá)20%~25%,各氣孔間多連通。2#球團(tuán)礦氣孔較小,氣孔率為10%~20%,氣孔分布較為封閉。氣孔率越高,連通性越大,則還原性越好。

        (4)在焙燒時(shí),應(yīng)適當(dāng)減小1#球團(tuán)礦的粒度,增加焙燒時(shí)間,以避免雙層分帶結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。對(duì)于2#球團(tuán)礦,應(yīng)改善混料結(jié)構(gòu),以促進(jìn)赤鐵礦再結(jié)晶晶鍵的發(fā)育,并減少大顆粒石英的存在,保證球團(tuán)礦結(jié)構(gòu)的致密性和具有一定的抗壓強(qiáng)度。兩種球團(tuán)礦在生球處理及混料結(jié)構(gòu)上的影響比在熱制度上的影響更加明顯,這可能會(huì)成為球團(tuán)礦在還原性及抗壓強(qiáng)度對(duì)比中的關(guān)鍵影響因素。

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