球團礦礦相結構特征及其對冶金性能的影響

趙喆，韓秀麗，劉磊，張玓，白冬冬，周祥

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

就球團礦而言，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點，諸多優點促使其成為了我國煉鐵生產的主要入爐原料之一[1]。球團礦作為一種人造巖礦，其內部的礦物種類、晶粒大小、分布特征及顯微結構與冶金性能之間關系密切[2，3]。目前現有的研究大部分是從原料的化學成分、配料比例來衡量球團礦的質量[4]，對球團礦的礦相結構與其冶金性能之間的定量分析較少。因此，本實驗針對普通球團礦的礦物特點，深入分析其顯微結構，進而探討球團礦的礦相結構對其冶金性能的影響規律[5]。旨在為提高球團礦質量和改善相關工藝條件，提出有效措施的理論依據。

1 樣品理化性能及實驗方法

實驗所用2種球團礦由國內某鋼鐵公司提供，均為磁鐵礦型球團礦，2種球團礦化學成分相似、堿度相近(見表1)，并取典型試樣進行礦相結構鑒定與冶金性能實驗[6，7]。2種球團礦的手標本(見圖1)，物理性質差異較大：1#球團礦粒度相對較大，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。從手標本來看，2#球團礦較1#球團焙燒氧化更為徹底，外觀顯示為赤鐵礦的棕紅色。

表1 球團礦化學成分/(質量分數，%)

圖1 球團礦手標本

礦相結構鑒定：對2種球團礦試樣分別采用環氧樹脂進行鑄型、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行礦相結構觀測。

冶金性能測試：球團礦抗壓強度根據國家標準GB/T14201-93測定；還原性參照國家標準GB/T13241-91測定。

2 研究結果及分析

2.1 礦物組成分析

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

表2 普通球團礦的礦物組成及含量/%

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

衍射圖譜進一步表明兩者赤鐵礦含量相差不大，但2#球團礦石英礦物峰強略高于前者，在成礦時還原性氣體的反應程度低于1#球團礦，阻礙還原反應的進行。且2#球團礦衍射譜圖雜質峰較多，時效處理后的試樣同樣具有雜質峰的趨勢，即相對于1#球團礦，2#球團礦的結晶程度較弱。檢測分析結果與鏡下鑒定具有一致性，主要的組成礦物均能一一對應。

圖2 球團礦X射線衍射譜圖

2.2 顯微結構特征分析

為更加具體描述2種球團礦的顯微結構差異特征，特從結構均勻度、礦物晶形、膠結方式等方面進行了細致的分析(見圖3)。

圖3 球團礦差異特征影響對比

(1)結構均勻度：1#球團礦具有內帶-外帶雙層分帶結構，其中外部帶直徑1.8 cm，內部帶直徑為0.8 cm。如圖4(c)內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#球團礦分帶現象不明顯，雖然其分帶現象不明顯，但相對1#球團礦結構較疏松，推測在1100 ℃溫度以上焙燒時，局部區域的板狀Fe2O3表面收縮不明顯，出現的渣相無法充填于這些顆粒之間，使得球團中板狀Fe2O3生長膠結不充分，最終無法形成一個牢固的骨架見圖4(d)。

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

(3)膠結方式及晶鍵發育度：2種球團礦均以赤鐵礦再結晶晶鍵為主要膠結方式，1#球團礦的內部帶出現了少量的玻璃相膠結。1#再結晶晶鍵比2#發育更加完全，外部帶的晶鍵要比內部帶的鍵橋發育明顯。1#球團在高溫焙燒過程中Fe2O3部分分解形成Fe3O4，當生球中含有CaO時，產生化合物，其熔點低，是一種良好的固結形式；但2#球團由于混料結構問題，Fe2O3受到SiO2的作用產生2FeO·SiO2難于結晶，最終固結形式差于1#球團礦。

(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。內帶氧化不充分，形成磁鐵礦和赤鐵礦共存的現象；2#球團礦相較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晶反應為主(僅在核部見少量殘余磁鐵礦)見圖4(e)，也就無分帶結構，由于其生球尺寸小于1#球團礦，可認為球團的先天質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量原因的主導因素，導致球團結構疏松，因此應嚴格控制球團配料混料階段。

圖4 顯微結構

綜上所述，1#球團礦晶鍵發育良好，礦物晶形完整粗大，結構致密，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力，提高母球的長大速度，因此配加1#球團精粉可以優化球團礦的成球特性；而2#球團礦晶鍵發育不全，礦物粒度細小，結構相對疏松，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構，使顆粒相吸附、靠近，結構致密化，有利于球團礦抗壓強度的提高。

2.3 不同球團礦礦相結構對其冶金性能的影響

球團礦冶金性能的好壞是其礦相結構差異的外在表征[10，11]，給出了2種球團礦的各項冶金性能指標(見表3)，1#球團礦優于2#球團礦。分析認為：

球團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#球團礦以大氣孔為主，氣孔率達20%～25%，各氣孔間多連通；2#球團礦氣孔較小，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#球團雖有分帶結構，但在大部分區域都保持著生球的不規則氣孔形狀，透氣性高；2#球團生球尺寸較小，球團的先天質量在一定程度上影響其還原膨脹性能，再加上混料結構問題，使氣孔更加封閉，說明在生球處理及混料結構上的影響比在熱制度上的影響更加明顯，這也許會成為球團礦在還原性對比中的關鍵影響因素。

抗壓強度2#球團礦略差于1#球團礦，究其原因，有以下兩點：(1)晶鍵的發育度，1#球團礦中晶鍵的發育度遠遠大于2#球團礦晶鍵的發育度；(2)赤鐵礦的晶形，1#球團礦相較2#球團礦晶形粗大，同時1#球團礦中各礦物的分布更為致密。2種抗壓強度的對比，驗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，結構致密化的因素，相較于熱制度的影響，更不利于球團礦抗壓強度的提高，且可能會成為影響最終球團質量的主導條件。

表3 不同球團礦還原性和抗壓強度對比

3 結論

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

(2)1#球團礦晶鍵發育更加完全，各礦物晶型較大。相較之下，2#球團礦晶鍵發育不完全，各礦物晶形較小，在生球尺寸及混料上1#球團礦控制更加嚴格。因此，1#球團礦抗壓強度優于2#球團礦。

(3)2#球團礦的還原性略差于1#球團礦，這是由于1#球團礦以大氣孔為主，氣孔率達20%～25%，各氣孔間多連通。2#球團礦氣孔較小，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，應適當減小1#球團礦的粒度，增加焙燒時間，以避免雙層分帶結構的出現。對于2#球團礦，應改善混料結構，以促進赤鐵礦再結晶晶鍵的發育，并減少大顆粒石英的存在，保證球團礦結構的致密性和具有一定的抗壓強度。兩種球團礦在生球處理及混料結構上的影響比在熱制度上的影響更加明顯，這可能會成為球團礦在還原性及抗壓強度對比中的關鍵影響因素。