烧结矿的矿物组成与结构及其对烧结矿质量的影响

烧结矿的矿物组成与结构及其对烧结矿质量的影响本讲的学习脉络脉络1：什么是烧结矿的矿物组成和结构脉络2：烧结矿的矿物组成是如何影响烧结矿的质量的脉络3：影响烧结矿矿物组成和结构的因素又是什么WhatHowWhat主要内容提高烧结矿的途径影响烧结矿矿物组成与结构的因素矿物组成与结构对强度和还原性的影响烧结矿的结构烧结矿的矿物组成烧结矿的矿物组成烧结矿是由多种矿物按一定结构方式组成的多孔块状集合体。因此它的矿物组成及其结构特征与烧结矿的冶金性能有重要的关系，通过研究，弄清内在联系，并了解影响因素，便能有效地采取相应的措施加以控制，以达到提高烧结矿质量的目的。矿物组成的主要影响因素烧结矿碱度燃料用量5当碱度在0.5~4变化时，主要的矿物组成为：含铁矿物磁铁矿赤铁矿浮士体粘结相矿物：铁橄榄石（2FeO•SiO2）、钙铁橄榄石[(CaO)•(FeO)2-x•SiO2，x=0.25~1.25]、硅灰石（CaO•SiO2）、硅钙石（3CaO•2SiO2）、正硅酸钙（γ-2CaO•SiO2β-2CaO•SiO2）、硅酸三钙（3CaO•2SiO2）、铁酸钙（CaO•Fe2O3）、铁酸二钙（2CaO•Fe2O3）、二铁酸钙（CaO•2Fe2O3）、钙铁辉石（CaO•FeO•2SiO2）以及硅酸盐玻璃质等；当脉石中含有较高的Al2O3时：烧结矿中则出现铝黄长石（2CaO•Al2O3•SiO2）、铁铝酸四钙（4CaO•Al2O3•Fe2O3）当MgO含量较多时，则可能出现钙镁橄榄石（CaO•MgO•SiO2）、镁黄长石（2CaO•MgO•2SiO2）及镁蔷薇石（3CaO•MgO•2SiO2）等；当脉石中含有少量的磷酸盐时，可能出现磷酸钙（3CaO•P2O5）。此外，还有少量反应不完全的游离石英（SiO2）和游离石灰（CaO）主要内容提高烧结矿质量的途径影响烧结矿矿物组成与结构的因素矿物组成与结构对强度和还原性的影响烧结矿的结构烧结矿的矿物组成烧结矿的结构烧结矿的结构主要包括宏观结构和微观结构两个方面微观结构宏观结构显微镜下所观察到的烧结矿结晶颗粒形状、相对大小以及相互排列集合的方式烧结矿的外观特征宏观结构燃料用量和烧结温度适宜，液相生成适度，烧结矿的还原性好、强度高燃料配比多，烧结温度高，液相生成多，粘度小；烧结矿的孔壁和表面显得光滑；强度和还原性均较差燃料配比更多，烧结温度过高时，产生过熔现象；孔隙度很低，强度尚好，还原性较差微孔海绵状结构粗孔蜂窝状结构石头状结构烧结矿的显微结构自形晶熔化温度高，比周围其它矿物结晶进行得早或结晶生长能力强，具有完好的外形半自形晶他形晶没有适宜的结晶环境，只有部分结晶面完好结晶进行得较晚，结晶环境更差，或填充于结晶完好的矿物空隙中，形状不规整烧结矿的显微结构是指在显微镜下所观察到的烧结矿矿物结晶颗粒的形状、相对大小及他们相互结合排列的关系结晶时间和完善程度1.粒状结构：它是由烧结矿中先结晶出的自形晶、半自形晶或他形晶的磁铁矿与粘结相矿物晶粒相互结合而成的。2.斑状结构：它是由磁铁矿斑状晶体与较细粒的粘结相矿物相互结合而成的。3.骸状结构：它指的是在烧结矿中早期结晶的磁铁矿晶体中，有粘结矿物充填于其内，而仍大致保持磁铁矿原来的结晶外形和边缘部分，形成骸晶状结构。由于烧结矿的生产工艺不同，烧结矿的形态结构有明显的差异4.圆点状的共晶结构：它指的是烧结矿中磁铁矿呈圆点状存在于橄榄石晶体中和赤铁矿圆点状晶体分布在硅酸盐晶体中的结构，前者是Fe3O4－Cax·Fe2-x·SiO4系共晶形成的，而后者是该系统共晶体被氧化而形成的。5.熔蚀结构：它常在高碱度烧结矿中出现，磁铁矿被铁酸钙熔蚀，是晶粒细小、浑圆形状的磁铁矿，他形晶或半自形晶，与铁酸钙紧紧相连而形成熔蚀结构。两者之间有较大的接触面和摩擦力，因此镶嵌牢固，烧结矿有较好的强度，它是高碱度烧结矿的主要矿物结构。6.交织结构：含铁的矿物与粘结相矿物彼此发展或相互交织形成，烧结矿具有很好的强度。烧结矿的显微结构细粒状赤铁矿HH烧结矿的显微结构骸晶状赤铁矿HPH烧结矿的显微结构磁铁矿与铁酸钙交织溶蚀结构MCFMCF烧结矿的显微结构纤维状铁酸钙被赤铁矿包围HHCF烧结矿的显微结构粗板片状铁酸钙CF提高烧结矿质量的途径影响烧结矿矿物组成与结构的因素矿物组成与结构对强度和还原性的影响烧结矿的结构烧结矿的矿物组成烧结矿的矿物组成与显微结构对强度的影响矿物组成矿物的机械强度矿物的不同膨胀系数烧结矿组分的多少烧结矿的显微结构烧结矿强度烧结矿的强度是受多种因素所影响的矿物名称瞬时抗压强度kg/mm球磨机试验后的筛级，％在荷重条件下未裂前的印痕数，％还原度，％5mm1mm20g50g赤铁矿26.7——49.9磁铁矿36.9——26.7铁橄榄石37.313.2(CaO)•(FeO)2-x•SiO2x=020.266810.01301.0x=0.2526.5————2.1x=0.556.6774.05002.7x=1.023.35514.01806.6x=1.510.2——804.2铁酸一钙35.081.04.0412340.1铁酸二钙14.245.022.018828.5烧结矿中主要矿物的机械强度可见，烧结矿中的磁铁矿、赤铁矿、铁酸一钙、铁橄榄石均有较高的抗压强度，其次为钙铁橄榄石和铁酸二钙。在钙铁橄榄石中，当x≤1.0时，其抗压性、耐磨性均超过前一类，当x=1.5时，强度很低易产生裂纹。铁黄长石、镁黄长石和镁蔷辉石的抗压强度较高。烧结矿中强度好的粘结相多，烧结矿的强度就可以改善些；反之，若以强度差得组分为主要粘结相，烧结矿的强度就降低。矿物名称抗压强度（kg/mm2）矿物名称抗压强度（kg/mm2）镁黄长石23.827铝黄长石12.963煤蔷薇辉石19.815钙铁辉石11.882钙铁橄榄石19.444硅灰石11.358钙镁橄榄石16.204枪晶石6.728烧结矿中常见硅酸盐矿物的抗压强度矿物名称系数，×105矿物名称系数，×105磁铁矿291霞石305.5透辉石260长石177钙铁橄榄石275钙长石147.6辉石180β-石英141一些矿物晶体的体积膨胀系数烧结矿组成对烧结矿强度的影响，不仅表现在烧结矿中结晶个体或玻璃质的作用上，而且还表现在不同矿物具有不同的膨胀系数上。由于膨胀系数的不同，烧结矿在冷却或加热时，互相接触的矿物间产生应力而导致烧结矿产生裂纹而脆裂，致使烧结矿强度降低。矿物的不同膨胀系数对烧结矿强度的影响烧结矿中组分多少对其强度的影响烧结矿中组分多少对其强度也有影响：1.对于酸性性烧结矿，矿物组分比较少，其显微结构是斑状或共晶结构，其中磁铁矿斑晶被铁橄榄石和少量玻璃质所固结，因而强度较好；2.对于熔剂性烧结矿，矿物组分较多，其显微结构为斑晶或斑晶玻璃状结构，其中的磁铁矿斑晶或晶粒被钙铁橄榄石、玻璃质以及少量的铁酸钙和硅酸钙固结，强度较差；3.高碱度烧结矿，其矿物组分也较少，显微结构为熔蚀或共晶结构，其中的磁铁矿与粘结相矿物铁酸钙形成溶融交织结构一起固结，强度较好。矿物名称还原度，％粒度0.5~1mm，在氢气中还原20min在CO中还原40min700℃800℃900℃850℃赤铁矿91.5——49.4磁铁矿95.5——25.5铁橄榄石2.73.714.05.0(CaO)•(FeO)2-x•SiO2x=0.3———11.2x=0.6———11.4x=0.8———12.3x=1.2———12.1CaO•2Fe2O3———58.4CaO•Fe2O376.496.4100.049.22CaO•Fe2O320.683.795.825.54CaO•Al2O3•Fe2O3———23.4烧结矿的矿物组成和显微结构对其还原性的影响赤铁矿、二铁酸钙、铁酸一钙及磁铁矿容易还原；铁酸二钙、铁铝酸四钙还原性稍差；而玻璃质、钙铁橄榄石、钙铁辉石，特别是铁橄榄石还原性很差。从结晶化学的观点，单体矿物的还原性与晶格能的大小有关。凡晶格能较低的矿物易还原，而晶格能较高的矿物不易还原。烧结矿的显微结构对还原性也有很大影响。当磁铁矿晶粒细小密集，晶粒间粘结相少时，易还原；而磁铁矿晶粒粗大或被硅酸盐包裹时，则难于还原。此外，气孔率大，晶粒嵌布松弛的烧结矿易于还原。矿物名称晶格能，kJ赤铁矿9567磁铁矿13516铁酸钙10891钙铁橄榄石18766铁橄榄石19110单矿物晶体的晶格能综上分析能够看出，烧结矿的强度和还原性是有矛盾的，如铁橄榄石和x≤1的钙铁橄榄石，虽然机械强度好，但还原性很差，只有铁酸钙，强度和还原性都很好。在烧结生产中，创造条件促进铁酸钙液相体系的生成，对改善烧结矿的强度与还原性有双重意义。提高烧结矿质量的途径影响烧结矿矿物组成与结构的因素矿物组成与结构对强度和还原性的影响烧结矿的结构烧结矿的矿物组成影响烧结矿矿物组成和结构的因素1324Text烧结矿碱度烧结矿碱度对其矿物组成与结构的影响很大，虽然烧结原料不同，在不同碱度范围内烧结矿的矿物组成和结构会有所差异，但却有明显的规律性。综合分析如下：1.当烧结矿碱度≤1时，铁矿物主要为磁铁矿，有少量的浮士体和赤铁矿，粘结相主要为铁橄榄石、玻璃质和少量钙铁辉石，磁铁矿多为自形晶或半自形晶极少量他形晶，与粘结相矿物形成均匀的粒状结构，局部有斑状结构。这类烧结矿由于主要粘结相矿物是铁橄榄石系，故强度较高，又因正硅酸钙很少出现，所以冷却几乎无分化现象。2.碱度升高到1.0到1.5左右的自熔性烧结矿：含铁矿物与上述基本相同，主要矿物被硅酸盐玻璃质和钙铁橄榄石所胶结，还有少量的硅灰石和正硅酸钙，强度较差。3.碱度到1.5~2.5左右时，烧结矿中磁铁矿和赤铁矿逐渐减少，粘结相中铁酸钙明显增加，钙铁橄榄石和玻璃质明显减少，正硅酸钙亦有所发展。冷却时会有β-2CaO•SiO2的晶型转变，烧结矿发生粉化。4.碱度到3.0以上时，磁铁矿进一步减少，赤铁矿极少，铁酸钙、正硅酸钙，硅酸三钙则明显增加，钙铁橄榄石和玻璃质极少以至消失，烧结矿的矿物组成变得很简单。磁铁矿以熔蚀残余他形晶为主，晶粒细小，主要与铁酸钙形成熔蚀结构。这类烧结矿中的主要粘结相矿物的机械强度与还原性均好。铁矿物中虽有相当含量的正硅酸钙，但它分布于大量铁酸钙基质中，阻碍了β-2CaO•SiO2的晶型转变，粉化现象基本消失，所以烧结矿的强度和还原性均好。烧结矿矿物组成随碱度的变化1.烧结矿碱度由1.7提高到2.0时，铁酸钙的含量由34.12%提高到45.54%。2.赤铁矿和磁铁矿明显减少，硅酸盐的含量变化不大。磁铁矿的含量由26.64%下降到15.46%。3.烧结矿的强度和还原性得到改善。配碳量不同配碳量对烧结矿矿物组成的影响1.配碳量决定烧结的温度、气氛性质和烧结速度，因而对烧结矿的矿物组成和结构影响很大。2.铁酸钙的含量随着配碳量的升高呈现出先升高后降低的趋势，在配碳量在4%~5%范围内达到最大，超过此范围，再提高配碳量，铁酸钙含量下降。3.随着配碳量的增加，硅酸盐粘结相明显增加。另外的研究还表明，配碳量对烧结矿的结晶程度也有很大的影响：当配碳量低时，磁铁矿结晶能力差，主要粘结相是玻璃质，多孔洞，还原性虽好，但强度差；随着配碳量的升高，生成粗大晶粒，粘结相中玻璃质大为减少，孔洞亦减少，烧结矿的强度改善；当燃料过多时，烧结矿熔化过度，形成薄壁大孔结构，强度很差；在提高燃料配比，形成石头状结构，还原性差，生产率也下降。MgO和Al2O3MgO量对烧结矿强度的影响具有两面性：1.随着MgO量的提高，烧结矿中生成含有MgO的镁橄榄石、钙镁橄榄石、镁蔷薇辉石、镁黄长石等矿物，但烧结矿中铁酸钙的含量有所下降；这些含镁矿物的强度较铁酸钙低，更为重要的是，增加了烧结矿中组分的数目，使烧结矿变得不均匀，增加了晶型转变时的内应力。2.但MgO的加入能够减少2CaO•SiO2的生成，并抑制β-2CaO•SiO2向γ-2CaO•SiO2的晶格转变，从这点上看，又可以使烧结矿的强度提高。3.综上所述，MgO对烧结矿强度的影响较为复杂，要具体问题具体分析。在多种条件共同作用时，要找到主要原因，正确解决。MgO含量对烧结矿还原