燒結溫度和時間對燒結礦氣孔特征的影響

欽禮文,劉磊,包國營,段博文,韓秀麗

(華北理工大學 礦業工程學院,河北 唐山 063210)

燒結礦是高爐煉鐵所需的重要原料,其性能好壞直接影響了高爐生產的質量和效率。在燒結生產過程中,燒結礦形成的氣孔是其質量評估的重要參數,研究不同燒結條件下的氣孔特征對改善燒結礦質量具有重要意義。國內外學者已經廣泛探討了氣孔對燒結礦質量的影響。吳勝利等人指出大氣孔的集中分布容易引起長裂紋的出現,降低燒結礦機械強度[1-4]。韓秀麗等人通過實驗發現氣孔含量的增多及孔徑的增大使得燒結礦強度降低,在還原過程中更易粉碎,從而影響燒結礦的低溫還原粉化性能[5,6]。Zhou等人通過研究發現超過1 mm的大氣孔是影響燒結礦導熱系數的主要因素[7]。大量學者研究了氣孔對燒結礦還原性造成的影響[8-10],由此產生了2類相左的觀點,Panigrahy等人通過改變MgO和CaO的比值研究了氣孔率與燒結礦還原性之間的關系,結果表明,礦物組成對燒結礦還原性帶來的影響遠大于氣孔率變化帶來的影響[8],而Ignácio等人在此基礎上通過直接選用磁鐵礦、赤鐵礦、鐵酸鈣占比不同的燒結礦研究了礦物和氣孔對燒結礦還原性產生的影響,經過研究發現燒結礦的氣孔特征可以克服礦物組成對燒結礦還原性產生的影響[11,12]。

盡管現有的研究已充分證實了氣孔對燒結礦質量的影響,但對燒結礦氣孔形成機制尚無定論。為了更好地調控燒結礦中氣孔的形成,需要進一步深入研究不同燒結條件對氣孔形成的影響規律。因此,本研究將通過光學顯微鏡,觀察不同燒結溫度以及不同恒溫時間下,氣孔宏觀和微觀特征的變化情況,以探究溫度對氣孔形態、孔徑大小和占比率的影響機制,為優化燒結工藝,提高燒結礦質量提供科學依據。

1 實驗

1.1 樣品制備

實驗采用Fe2O3、SiO2、CaO、MgO、Al2O3化學純試劑(純度為99.99%)作為實驗原料,首先將原料在120 ℃的干燥箱內烘干2 h,冷卻后篩分至200目以下,依照配礦方案(如表1所示)將各種原料分別混勻,采用“干粉壓制法”使用圓柱壓樣機進行壓樣處理,并將其裝入50 ml剛玉坩堝;再采用MiCRO-X型高溫氣氛爐在空氣氣氛條件下開展微型燒結實驗,以10 ℃/min的升溫速率,分別升溫至最高燒結溫度(1 240 ℃、1 280 ℃、1 320 ℃、1 360 ℃和1 400 ℃)并設置恒溫時間(1 min和5 min);最后在恒溫時間結束后以5 ℃/min的冷卻速率冷卻至室溫,具體燒結參數如表2所示。

表1 實驗配礦方案

1.2 樣品分析

首先,觀察燒結礦樣品的表面特征,并利用切割機將其最大剖面切開,分別記錄樣品表面和截面氣孔的數量、形態及大小特征。其次,將切割獲得的樣品用環氧樹脂制成光薄片,在透反兩用研究型偏光顯微鏡(Polarizing microscope,Scope-A1)下觀察燒結礦物樣品的氣孔特征,并使用高分辨率攝像頭和計算機拍攝軟件采集大量顯微照片的清晰圖像。然后,通過ImageJ圖像處理軟件采集了燒結礦中氣孔率和孔徑變化的相關信息。

2 實驗結果與討論

2.1 燒結溫度和時間對氣孔宏觀特征的影響

2.1.1 燒結礦表面的氣孔特征

燒結礦樣品的表面特征如圖1所示。

圖1 燒結礦表面的氣孔特征

在燒結溫度為1 240～1 280 ℃的樣品中,燒結礦樣品基本熔融,此時樣品表面的氣孔較少,多為孔徑在1～2 mm的圓形氣孔。當溫度升高至1 320 ℃時,樣品表面的氣孔數量明顯增加,多為孔徑1～2 mm的圓形氣孔,少數為孔徑在3 mm以上的不規則氣孔,同時樣品表面開始出現長度在6 mm以上的較大裂隙。相比于上一溫度階段,燒結溫度為1 360 ℃的樣品中,氣孔的變化并不明顯,但樣品的裂隙數量有所增加。此外,靠近裂隙邊緣的位置可以看到明顯的坍塌跡象。在燒結溫度為1 400 ℃的樣品中,試樣中心位置已完全凹陷下落至底層,燒杯壁上可見殘留的鐵氧化物鍍層,燒結試樣致密程度明顯上升,而樣品表面只能看到少量孔徑在1 mm左右的圓形氣孔。值得注意的是對于1 360 ℃和1 400 ℃的燒結樣品,可以發現相比于恒溫1 min樣品,恒溫5 min樣品的表面存在更多裂隙。

2.1.2 燒結礦截面的氣孔特征

圖2所示為燒結礦樣品的截面特征,可以清楚地觀察到不同溫度下燒結礦的截面存在著明顯的差異。在燒結溫度為1 240 ℃的樣品中,樣品中的氣孔多為孔徑在5～20 mm的貫通性大氣孔。而燒結溫度為1 280 ℃的樣品中,貫通性大氣孔孔徑有所下降,最大孔徑降至約13 mm。然而,由于出現了較多1～5 mm之間的不規則氣孔,燒結礦總氣孔率明顯升高。當燒結溫度升高至1 320 ℃和1 360 ℃時,樣品表面開始出現裂紋,樣品斷面上的較小氣孔數量明顯降低,氣孔的形狀重新變得規則,但由于樣品表面并未塌陷,燒結礦中仍存在較多貫通氣孔。當燒結溫度升至1 400 ℃時,樣品表面基本完全塌陷,試樣變得更加致密,貫通的大氣孔基本消失,只能在樣品斷面位置看到少量孔徑在2～3 mm的較小氣孔。

圖2 燒結礦截面的氣孔特征

樣品中氣孔的宏觀特征受恒溫時間的影響相對較小,而受燒結溫度的影響較為顯著。當燒結溫度為1 240～1 280 ℃時,燒結礦中的氣孔主要由原料中的孔隙形成。在礦物燒結過程中,礦物表面相對較高的溫度使燒結礦表面會先形成一層液相。尚未熔化的固體顆粒在相互作用的過程中會蠕變收縮,固體顆粒集中的同時,顆粒間的空隙被聚集在一起。由于此時冶金熔體的粘度相對較大,燒結礦中的氣體難以逸出,從而形成相互連接的較大氣孔。在燒結溫度超過1 280 ℃時,鐵酸鈣熱解使燒結樣品中了出現大量新增中小氣孔,燒結礦氣孔率逐漸上升。當燒結溫度為1 320 ℃時,燒結礦的熔蝕程度進一步增加,燒結礦表面開始出現裂紋,這一現象加劇了氣體的逸散,但由于此溫度下鐵酸鈣的分解仍較為劇烈,燒結礦氣孔的下降趨勢并不明顯。最后,當燒結溫度升至1 360～1 400 ℃時,鐵酸鈣的分解已接近尾聲,樣品變得非常致密,燒結礦中氣孔率大幅下降。

2.2 燒結溫度和時間對氣孔微觀特征的影響

2.2.1 氣孔顯微形態特征

使用偏光顯微鏡研究了不同溫度條件下燒結礦樣品的孔隙特征情況。圖3為不同燒結溫度下的氣孔形態特征,由圖3可知,隨著燒結溫度的不斷增加,燒結礦樣品中氣孔形態特征的變化較為明顯。當燒結溫度為1 240 ℃時,樣品中的氣孔多為形狀規則,而孔徑范圍處于0～200 μm的中小氣孔。隨著燒結溫度升高至1 280 ℃,氣孔的主要形態變成了形狀相對規則且孔徑超過400 μm的大氣孔。在燒結溫度為1 320 ℃時,由于樣品中存在大量集中分布的針柱狀鐵酸鈣,不規則形狀的氣孔含量顯著增加,而渾圓的大氣孔占比降低。而燒結溫度為1 360～1 400 ℃時,樣品變得更加致密,氣孔總量顯著減少。此外,在燒結溫度為1 400 ℃時,恒溫5 min的樣品中比恒溫1 min的樣品中存在更多200～400 μm的中等大小氣孔。

圖3 燒結礦的氣孔顯微形態特征

2.2.2 氣孔率和孔徑特征

分析了試樣中氣孔的孔徑變化情況,將不同溫度條件下燒結礦樣品中的孔洞按直徑分為小于400 μm的中小氣孔和大于400 μm的大氣孔,圖4所示展示了不同溫度條件下氣孔率的變化情況。

圖4 燒結礦的氣孔率變化規律

從圖4中可以看出,隨著燒結溫度的升高,燒結礦樣品中的氣孔率呈現出先增加后減小的趨勢。在燒結溫度由1 240 ℃升高至1 280 ℃時,燒結礦中大于400 μm的大氣孔含量相對增加,而小于400 μm的中小氣孔含量略微降低。這是由于隨著燒結過程的進行,小氣孔之間相互合并形成大氣孔導致的。在燒結溫度由1 280 ℃升高至1 320 ℃時,恒溫1 min的樣品中大氣孔含量呈現出減小的趨勢,而恒溫5 min的樣品中大氣孔含量則呈現出增長的趨勢。然而這2種樣品中都表現出了小氣孔的明顯增加。這可能是由于在燒結溫度超過1 280 ℃后,樣品中的部分復合鐵酸鈣發生了分解,導致了中小氣孔的明顯增加。當燒結溫度繼續升高至1 360 ℃和1 400 ℃時,燒結樣品的氣孔率都表現出下降趨勢,但此時,隨著恒溫時間由1 min增加為5 min,燒結礦樣品中的中小氣孔占比發生明顯回升。

為了研究恒溫時間對中小氣孔氣孔率變化的影響規律,分別統計了孔洞直徑0～50 μm、50～100 μm、100～200 μm、200～400 μm的孔洞所占的比例。其結果如圖5所示,當樣品的恒溫時間為1 min時,不同溫度下各級孔徑的氣孔表現出相似的變化規律,當燒結溫度逐漸上升,燒結礦中中小氣孔所占比例除1 320 ℃時出現明顯上升外整體呈下降趨勢。而在恒溫時間為5min的樣品中,當燒結溫度逐漸上升,除孔徑為200～400 μm的一組較大氣孔外,其他中小氣孔占比都表現為整體上升的趨勢。

圖5 燒結礦的孔徑變化規律

在粘度較高的液體中,氣泡是否能夠上浮離開液體與其孔徑尺寸有關,孔徑較大的氣泡由于受到的阻力加速度相對較小其上浮速度遠高于較小氣泡。在升溫過程中,液相中形成的氣泡迅速聚并,較大氣泡得以迅速散溢離開冶金熔體。然而,當燒結溫度穩定后,由于礦物持續分解產生的氣泡不再能滿足迅速生成較大氣泡的要求,冶金熔體中的小氣泡數量開始發生增長。氣孔率的變化是氣體的溢散和新氣泡的生成相互競爭產生的結果[13],當恒溫時間逐漸增加,隨大氣泡大量溢出而降低的氣孔率逐漸開始回升。

燒結礦中大氣孔的存在不利于燒結礦機械強度的提升,而小氣孔的存在對燒結礦的還原性有利,這意味著,自燒結溫度到達1 280 ℃起,隨著燒結溫度的升高有利于改善燒結礦的機械強度,而自1 320 ℃起,隨著燒結溫度的升高,燒結礦的還原性持續惡化,同時適量的增加恒溫時間有益于提高燒結礦的還原性能。

3 結論

(1)燒結溫度對氣孔率變化有著顯著的影響,隨著燒結溫度由1 240 ℃上升到1 280 ℃,燒結礦氣孔率逐漸增加,而當燒結溫度繼續升高,燒結礦的氣孔率開始逐漸下降。

(2)燒結溫度由1 240 ℃上升到1 320 ℃,隨著恒溫時間的增加,燒結礦各級氣孔孔徑占比逐漸減小,這是由于恒溫時間的延長有助于氣體由粘度較高的液相中逸散。

(3)當燒結溫度為1 360 ℃和1 400 ℃時,隨著恒溫時間的增加,燒結礦中小氣孔占比明顯增大,其原因是由于恒溫時間增加導致礦物相變產生了大量新氣泡。