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、配料比例來衡量球團(tuán)礦的質(zhì)量[4]，對球團(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。

冶金性能測試：球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14201-93測定；還原性參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T13241-91測定。

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，說明了赤鐵礦礦物的相對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，時效處理后的試樣同樣具有雜質(zhì)峰的趨勢，即相對于1#球團(tuán)礦，2#球團(tuán)礦的結(jié)晶程度較弱。檢測分析結(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1#球團(tuán)礦結(jié)構(gòu)較疏松，推測在1100 ℃溫度以上焙燒時，局部區(qū)域的板狀Fe2O3表面收縮不明顯，出現(xiàn)的渣相無法充填于這些顆粒之間，使得球團(tuán)中板狀Fe2O3生長膠結(jié)不充分，最終無法形成一個牢固的骨架見圖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)在高溫焙燒過程中Fe2O3部分分解形成Fe3O4，當(dāng)生球中含有CaO時，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)形成過程對比：1#磁鐵礦生球在氧化氣氛中焙燒時，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，說明在成球過程中，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)相對疏松，并且從礦相圖可以看出，沒有被氧化的磁鐵礦和氧化生成的赤鐵礦有明顯的界限，說明氧化比較徹底，內(nèi)外氧化均充分，但形成顆粒較小，在母球滾動過程中對物料的吸附力較弱，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，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)問題，使氣孔更加封閉，說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，這也許會成為球團(tuán)礦在還原性對比中的關(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)礦無分帶、結(jié)構(gòu)較疏松，在熱制度上對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，應(yīng)適當(dāng)減小1#球團(tuán)礦的粒度，增加焙燒時間，以避免雙層分帶結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。對于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，這可能會成為球團(tuán)礦在還原性及抗壓強(qiáng)度對比中的關(guān)鍵影響因素。