矿物组成结构及其对烧结矿质量的影响.docx
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矿物组成结构及其对烧结矿质量的影响
烧结矿是烧结过程的最终产物，是许多种矿物的复合体，矿物组成非常复杂。
影响烧结矿矿物组成的因素包括：
燃料用量、烧结矿碱度、脉石成分和添加物种类以及操作工艺条件等。
烧结矿中各矿物通过自身的强度和还原性影响烧结矿的强度和还原性。
5.5.4.1烧结矿的矿物组成
由于原料条件和烧结工艺条件不同，烧结矿的矿物组成不尽相同，但是总是由含铁矿物及脉石矿物两大类组成的液相粘结在一起的。
酸性烧结矿矿物主要为磁铁矿、赤铁矿、浮氏体、金属铁、铁橄榄石、钙铁橄榄石、玻璃体、铁酸钙、硅钙石、石英等；主要胶结物为铁橄榄石和少量的钙铁橄榄石、玻璃体等。
自熔性烧结矿矿物主要为磁铁矿、赤铁矿、浮氏体、金属铁、钙铁橄榄石、橄榄石类、铁酸钙、硅酸钙、钙铁辉石、钙铁辉石-钙镁辉石固溶体、石英、石灰等；主要胶质物为钙铁橄榄石、玻璃体等。
高碱度烧结矿的矿物主要是磁铁矿、赤铁矿、钙质浮氏体、铁酸钙和硅酸二钙等；主要胶质物为铁酸二钙。
当烧结矿脉石中含有较多的Al2O3或烧结料中Fe2O3较多时，粘结相还有铝黄长石、铁铝酸四钙、铁黄长石、钙铁榴石（3CaO·Fe2O3·3SiO2）。
MgO含量较多时会出现钙镁橄榄石、镁黄长石、镁蔷薇辉石等。
脉石中含有萤石时，烧结矿中则含有枪晶石。
烧结含钛铁矿时会出现钙钛石（CaO·TiO2，3CaO·2TiO2）、梢石（CaO·TiO2·SiO2）。
对某一烧结矿来说，不一定全部含有上述矿物，而且数量也不相等。
磁铁矿和浮氏体是各种烧结矿的主要含铁矿物，非铁矿物以硅酸盐类矿物为主。
表5-6给出了武钢不同碱度烧结矿的矿物组成。
表5-6武钢不同碱度烧结矿的矿物组成
烧结矿
碱度
矿物组成，（体积）%
磁铁矿
赤铁
矿
铁酸
一钙
铁酸
二钙
铁黄
长石
硅酸
钙
铁橄
榄石
浮氏体
金属铁
玻璃质
0.8
57.5
6.2
2.7
-
13.1
-
2.73
0.18
-
17.4
1.3
48.3
2.9
14.4
-
15.3
0.92
-
-
0.1
18.0
2.4
34.6
0.2
29.1
4.4
10.9
4.44
-
-
-
16.2
3.5
27.6
0.2
39.3
9.3
10.7
7.51
-
-
0.3
7.3
5.5.4.2烧结矿的结构
烧结矿的结构包括宏观结构和显微结构。
烧结矿的宏观结构有微孔海绵状、粗孔蜂窝状和石头状。
一般来说微孔海绵状结构的烧结矿，强度和还原性都好，是理想的宏观结构。
燃料用量适中和各种操作条件都合适时，可以得到这种条件的烧结矿。
当燃料用量偏高和液相数量偏多时出现粗孔蜂窝状结构，有熔融而光滑的表面，其还原性和强度都有所降低。
如果燃料用量过多，造成过熔，则出现气孔很少的石头状烧结矿，强度好，但还原性很差。
相同的燃料用量下，液相粘度低时形成微孔结构，粘度高时形成粗孔结构。
显微结构一般是指在显微镜下矿物组成的形状，大小和它们相互结合排列的关系。
从微观上看，烧结矿具有各种不同的结晶形态和单体矿物组成。
烧结矿中的矿物按其结晶程度分为自形晶、半自形晶和他形晶三种。
具有极完好的结晶外形的称为自形晶；部分结晶完好的称为半自形晶；形状不规整且没有任何完好结晶面的称为他形晶。
矿物的结晶程度取决于本身的结晶能力和结晶环境。
烧结矿中最多的含铁矿物磁铁矿往往以自形晶或半自形晶的形态存在，这是因为磁铁矿在升温过程中较早地再结晶长大，有良好的结晶环境，并且具有较强的结晶能力。
其它粘结相在冷却过程中开始结晶，并按其结晶能力的强弱以不同的自形程度充填于磁铁矿中间，来不及结晶的以玻璃体存在。
矿物呈完好的结晶状态时强度好，而呈玻璃态时强度差。
随着生产工艺条件的变化，不同烧结矿在显微结构上也有明显的差异。
由铁矿物和粘结相组成的常见显微结构列于表5-7。
表5-7烧结矿的常见显微结构
5.5.4.3影响烧结矿矿物组成和显微结构的因素
影响烧结矿矿物组成和显微结构的因素包括燃料和熔剂用量、烧结原料的矿物组成以及烧结操作工艺条件。
1）燃料用量
烧结料中的配碳量决定烧结温度、烧结速度和气氛条件，对烧结矿物组成影响很大。
烧结非熔剂性赤铁矿时，当配碳量过少（3%～4%）则不能保证赤铁矿充分还原和分解，磁铁矿结晶程度差，燃烧层液相数量少，只有少量铁橄榄石和钙铁橄榄石不均匀地分布在磁铁矿和石英接触处，不起粘结作用，粘结相主要是玻璃质，孔洞多，强度差，但还原性好。
在正常燃料用料下，烧结矿矿物主要是磁铁矿和铁橄榄石，还有少量浮士体，磁铁矿结晶程度提高，粘结相主要是铁橄榄石，孔洞少，烧结矿强度提高。
当燃料消耗量过多少时（7%），烧结温度升高，还原气氛增加，生成大量的浮氏体和铁橄榄石，磁铁矿减少，可能出现金属铁，烧结矿因过熔，造成大孔薄壁或气孔度少的烧结矿，使强度和还原性都变坏。
生产熔剂性烧结矿时，随着含碳量增加，磁铁矿结晶程度提高，生成大粒结晶，粘结相主要是钙铁橄榄石代替玻璃质，孔洞少，烧结矿强度提高，还原性有所下降。
但用碳量过多时，浮氏体和钙铁橄榄石增加，磁铁矿减少，易生成过熔烧结矿。
同时，高温下易生成正硅酸钙，在冷却时发生晶型转变，使烧结矿粉化，强度和还原性都变坏。
图5-20给出了国内某钢厂熔剂性烧结矿矿物组成与烧结料含碳量之间的关系。
燃料用量对烧结矿结构的影响是：
含碳量低时，烧结矿的微孔结构发达，随着含碳量的增加，烧结矿逐渐发展成为薄壁结构，而且沿料层高度也有变化，上部微孔多，下部则大孔薄壁多。
1-正硅酸钙；2-钙铁橄榄石；3-玻璃质；4-铁酸钙；5-赤铁矿；6-磁铁矿
图5-20含碳量与熔剂性烧结矿矿物组成的关系
2）烧结矿碱度
在燃料用量一定的条件下，烧结矿的最终矿物组成主要取决于碱度。
a）低碱度烧结矿
与高碱度烧结矿搭配使用的低碱度烧结矿，其碱度值一般选择在0.8～1.0之间。
该碱度的烧结矿中铁矿物主要为磁铁矿、少量赤铁矿，粘结相为钙铁橄榄石、铁黄长石、钙铁辉石、硅灰石和玻璃质等硅酸盐，一般不含铁酸钙，总粘结相量为25%～30%，强度好于自熔性烧结矿，但还原性能较差。
在高、低碱度烧结矿搭配冶炼时，由于其配比高而影响冶炼效果。
酸性球团烧结矿的碱度值一般在0.3～0.5之间，克服了普通酸性烧结矿还原性能差、垂直烧结速度慢、燃料消耗高等问题。
两种酸性烧结矿的矿物组成见表5-8。
表5-8两种酸性烧结矿矿物组成
工艺类型
碱度
-
矿物组成，（体积）%
还原度
%
磁铁矿
赤铁矿
浮氏体
铁橄榄石
黄长石
玻璃质
硅酸盐
粘结相
球团烧结矿
0.3
65
17
-
2
4
12
18
77.2
普通烧结矿
0.3
66
2
8
9
5
10
24
42.7
普通酸性烧结矿为典型的熔融型结构。
磁铁矿多为自形晶、半自形晶、颗粒粗大，还有部分骸晶状赤铁矿。
铁矿物被玻璃质、橄榄石胶结，形成斑状结构。
浮氏体与硅酸盐矿物形成共晶结构。
酸性球团烧结矿外观呈葡萄状块、单体球和熔结块。
固结方式为铁矿物再结晶固结和渣相固结。
单球与葡萄状球具有明显的带状构造（即外部带、过渡带和中心带）。
磁铁矿、赤铁矿多为再结晶长大固结，颗粒为细粒扩散型结构。
部分铁矿物与硅酸盐渣相胶结成粒状结构。
介于球团矿与烧结矿两种微观结构之间。
表5-9自熔性烧结矿的矿物组成
项目
首钢
武钢
本钢
鞍钢
烧结矿化学成分，%
53.62
52.64
49.57
49.99
TFe
FeO
12.60
14.30
16.50
11.70
SiO2
8.10
9.02
12.16
12.14
CaO
10.04
12.51
14.92
13.28
MgO
4.58
1.89
2.82
3.02
Al2O3
1.46
2.94
1.15
0.96
S
0.097
0.072
--
0.046
烧结矿碱度，-
1.24
1.30
1.23
1.10
烧结矿矿物组成，（体积）%
50.0
55.6
53.5
51.2
磁铁矿
赤铁矿
11.0
7.2
3.9
9.15
铁酸钙
9.59
14.7
2.44
4.02
铁钙橄榄石
14.8
4.5
16.6
14.5
α硅石英
0.53
0.45
0.42
0.41
石英
0.33
（少）
0.58
1.67
浮氏体
0.23
0.31
0.21
0.26
正硅酸钙
0.53
0.72
0.32
0.52
玻璃质
9.60
15.99
11.72
17.68
其它
3.39
0.53
10.32
0.59
b）自熔性烧结矿
自熔性烧结矿粘结相量不足，且粘结相主要是质脆且难还原的硅酸盐和玻璃质，故烧结矿强度差，还原性能差，软熔温度低。
当进行冷却和整粒处理时，返矿率高，粉末多，粒度小。
特别是生产高品位烧结矿、钒钛烧结矿和含氟烧结矿时，烧结与炼铁技术经济指标更差。
国内4个钢铁厂的自熔性烧结矿的矿物组成见表5-9。
生产自熔性烧结矿需要在较高的温度条件下才能生成足够的液相，故液相的粘度小，冷却后的烧结矿呈大孔薄壁结构，当采取厚料层低碳操作时，结构有所改善。
铁矿物以磁铁矿为主，有少量的次生赤铁矿，多呈半自形晶，部分自形晶和他形晶，晶粒较小，小于0.01mm晶粒能达20%～40%。
粘结相以硅酸盐为主，只有少量的铁酸钙。
柱状集合体的钙铁橄榄石种有针状和柱状的正硅酸钙，并与铁矿物形成粒状结构。
铁酸一钙多为板状晶体与铁矿石形成熔蚀结构。
c）高碱度烧结矿
我国和日本几种高碱度烧结矿的矿物组成见表5-10。
表5-10高碱度烧结矿矿物组成
厂别
矿物组成，（体积）%
磁铁矿
赤铁矿
铁酸钙
正硅酸钙
玻璃质
黄长石
其它
鞍钢新烧
35
15
35
3
10
少
2
宝钢
25
25
30-35
3
10
3
2
首钢
35
15
35
3
10
少
2
梅山
45
15
25
3
12
-
-
马钢
35
20～25
25～30
3
12
少
-
武钢二烧
35
15
30
3
10
-
-
柳钢
40.7
17.7
30.3
5.0
4.5
1.8*
-
包钢
50
10
25
3
10
2
少量枪晶石
本钢
33
16
44
2
5
-
-
日本（平均）
13.3
30.4
42.4
14（硅酸盐）
日本神户**
43.2
6.8
44.4
5.8（硅酸盐）
*其中黄长石0.2%，钙铁橄榄石1.6%；
**该烧结矿FeO含量10.29%。
碱度在2.5以上的高碱度烧结矿，几乎不含钙铁橄榄石和玻璃体，只有铁酸钙、磁铁矿和硅酸钙三种矿物。
随着碱度升高，铁酸钙和硅酸钙明显增加，磁铁矿减少，矿物组成基本不变。
由于作为主要矿物的磁铁矿和铁酸钙，强度和还原性较好。
并且随着硅酸三钙的增加，正硅酸钙明显减少，同时过量的CaO起了稳定β-2CaO·SiO2的作用，所以此类烧结矿不发生粉化现象，强度和还原性较好。
高碱度烧结矿具有上述特点，是由于燃料用量一定时，随着碱度的提高，熔剂量逐渐增多，放出CO2，降低了烧结料层温度和还原气氛，有利于提高烧结矿的氧化度，所以磁铁矿减少，铁橄榄石减少以至消失，而过量的CaO有利于生成CaO·Fe2O3和CaO-SiO2体系矿物。
高碱度烧结矿外观一般呈致密块状，大气孔少，气孔壁厚，熔结较好，断面呈青灰色金属光泽。
高碱度烧结矿的微观结构为：
赤铁矿、磁铁矿多呈他形晶和半自形晶，被铁酸钙固结形成板状熔蚀结构、柱状熔蚀结构和针状交织结构，当进行低温烧结时，则以后种结构为主。
局部区域磁铁矿被硅酸盐粘结相固结形成粒状结构和斑状结构，也有周围被粘结相固结的原生赤铁矿颗粒。
显微粒度一般比自熔性和低碱度烧结矿粗，小于0.01mm的晶粒数量较少，大部分在0.01～0.03mm之间。
高碱度混合料中石灰石粉配比较高，如果石灰石粒度粗（+3mm部分大于10%），将使烧结矿中游离氧化钙含量升高，而降低烧结矿的贮存强度。
3）脉石成分及添加物
脉石中的SiO2是影响烧结矿矿物组成的重要因素。
只有一定数量的SiO2，才能形成足够数量的铁橄榄石或钙铁橄榄石等粘结相，将分散的磁铁矿晶粒粘结起来，保证烧结矿的强度。
如果烧结料中的SiO2数量太少，则烧结矿矿物只有磁铁矿、赤铁矿和少量玻璃体，烧结矿由大量磁铁矿集合而成，粘结相数量少，只有少量玻璃体充填于磁铁矿晶粒之间，起不到连接作用，烧结矿强度不好。
脉石中含有一定量的Al2O3，烧结过程中进入熔体中，使烧结矿矿物结构大大复杂化。
Al2O3含量大于7%时，形成多种铝铁酸钙和铁酸钙的固熔体（CaO·Al2O3+CaO·Fe2O3），降低烧结料的熔化温度，促进液相生成。
烧结料中增加MgO含量，烧结矿粉化率明显下降，提高烧结矿强度。
其原因是形成了一系列新的含MgO矿物，如钙镁橄榄石、镁蔷薇辉石、镁橄榄石、黄长石等，从而起到稳定β-2CaO·SiO2的作用。
此外加入一定量MgO能改善烧结矿还原性，这是因为镁橄榄石的形成阻止了难还原的铁橄榄石和钙铁橄榄石的形成。
烧结料中加入一定量的磷灰石，也可防止烧结矿粉化。
某厂实践表明，烧结料中含P达0.04时，烧结矿不再粉化。
这是因为P能与烧结料中β-2CaO·SiO2形成固熔体，从而稳定β-2CaO·SiO2不发生相变，防止烧结矿粉化。
此外，B2O3、Cr2O3、V2O5等也能起稳定β-2CaO·SiO2的作用。
4）烧结操作制度
烧结过程的温度和气氛除了与燃料用量有关外，还与点火温度、冷却速度和料层厚度等操作条件有关。
因此，操作制度亦直接影响烧结矿矿物组成。
若烧结料表层温度低，冷却快，化合反应不充分，矿物以赤铁矿为主，主要胶结物为玻璃质，强度差，在往下的料层中，温度升高，还原气氛增强，玻璃质逐渐减少，橄榄石、铁酸钙等胶结物增多，浮氏体广泛出现，磁铁矿逐渐增加，赤铁矿逐渐减少，强度提高。
由此可见，不同深度料层中烧结矿矿物组成很大差异。
上层强度差，中下层强度好。
为了保证上层质量均匀，可采用热风烧结。
5.5.4.4矿物组成及结构对烧结矿质量的影响
烧结矿冷凝形成的矿物组成及结构是影响烧结矿质量的重要因素，主要表现在强度及还原性方面。
矿物组成及结构对烧结矿强度的影响表现在：
1）烧结料的矿化和粘结相的发展程度
由于烧结过程的高温阶段短暂，具有一定粒度的烧结料不可能全部熔化而转变为液相，总有部分残留原矿，但是对熔剂则要求百分之百矿化。
因为残存的CaO遇水形成Ca（OH）2，造成烧结矿破裂。
2）烧结矿矿物组成中矿物或玻璃相的自身强度
研究表明，烧结矿强度具有加和性，即其强度由各矿物强度与该矿物所占份额的乘积的总和表示出来。
磁铁矿、赤铁矿、铁酸一钙、铁橄榄石有较高的强度；其次为铁橄榄石及铁酸二钙，但CaO1.5FeO0.5SiO2的钙铁橄榄石强度相当低而且易形成裂缝，因为它的晶格接近于2CaO·SiO2；玻璃体的强度最低，分布在钙铁橄榄石及铁橄榄石结晶体中间的整体及单一玻璃质影响强度最严重。
3）矿物组成和结构形成过程中伴随产生的内应力
烧结矿冷却过程中产生的内应力有由于烧结矿表面与中心温差的存在而产生的热应力；不同热膨胀系数而引起的矿相之间的应力和正硅酸钙多晶转变引起的相应力。
其中以正硅酸钙的多晶转变引起的相应力破坏烧结矿强度最严重。
因为热应力可以用缓慢冷却或热处理方法消除，而2CaO·SiO2在温度变化时的多晶转变，伴有巨大的体积变化（675℃时β→γ晶型转变体积增大10%）导致烧结矿粉化。
生产中可采用加入具有相应离子的物质（如P2O5，B2O3等）进入高温变形的晶格空间点阵以形成固溶体而防止β-2CaO·SiO2的相变；或加入一定数量结晶状的附加物使它包围2CaO·SiO2晶体颗粒以形成一种阻止颗粒的薄膜，机械阻止β→γ的相变。
有人认为超高碱度烧结矿（碱度3～4）中20%～25%的2CaO·SiO2未粉化就是铁酸钙黏结相起这种机械阻止的缘故；还可以在850～1430℃的温度范围内对烧结矿进行淬火，在高速冷却下，使正硅酸钙在常温下保持住α-2CaO·SiO2稳定晶型。
矿物组成及其结构对烧结矿还原性的影响表现在：
1）矿物组成自身的还原性
研究表明赤铁矿、磁铁矿、铁酸半钙和铁酸一钙容易还原，铁酸二钙还原性差，玻璃体、铁酸橄榄石、钙铁辉石，特别是铁橄榄石难于还原。
对于以酸性脉石为主的非熔剂性烧结矿来说粘结相主要是铁橄榄石和玻璃体，所以其还原性差。
随着碱度的增加，很难还原的铁橄榄石为钙铁橄榄石所代替，铁酸钙增加，烧结矿的还原性变好。
但有些烧结矿在碱度2.0～2.5以上时，还原性由于铁酸二钙的出现而有变差的趋势。
2）矿物结构
由于烧结矿的还原是还原性气体扩散到反应界面进行的，所以还原性好坏与矿物晶体大小、分布情况、粘结相的多少及气孔率有关。
大块的或者被硅酸盐包裹着的难还原，相反晶粒细小密集而且粘结相少的易还原；气孔率低而且大部分是由铁橄榄石或玻璃质组成气孔壁的还原性差，而气孔率高、晶体嵌布松弛以及裂纹多的易还原。
烧结矿的显微结构和矿物结晶形态也是影响烧结矿质量的重要因素。
如烧结矿的低温还原粉化性能就与Fe2O3的结晶形态有密切关系，具体数据可参见表5-11。
表5-11各种形态赤铁矿的低温还原粉化率
表各种形态赤铁矿的低温还原粉化率
赤铁矿的种类
低温还原粉化率，%
斑状赤铁矿（烧结矿中大约含70%）
2.7
线状赤铁矿（烧结矿中大约含5%）
17.8
（球团矿中大约含90%）
22.4
树枝状赤铁矿（烧结矿中大约含20%）
18.0
骸晶状菱形赤铁矿（烧结矿中大约含7.9%）
46.5
晶格状赤铁矿（矿石中约100%）
17.7
粒状赤铁矿（某些矿石中几乎100%）
10.3
表高碱度烧结矿矿物组成
厂别
矿物组成，（体积）%
磁铁矿
赤铁矿
铁酸钙
正硅酸钙
玻璃质
黄长石
其它
鞍钢新烧
35
15
35
3
10
少
2
宝钢
25
25
30-35
3
10
3
2
首钢
35
15
35
3
10
少
2
梅山
45
15
25
3
12
-
-
马钢
35
20～25
25～30
3
12
少
-
武钢二烧
35
15
30
3
10
-
-
柳钢
40.7
17.7
30.3
5.0
4.5
1.8*
-
包钢
50
10
25
3
10
2
少量枪晶石
本钢
33
16
44
2
5
-
-
日本（平均）
13.3
30.4
42.4
14（硅酸盐）
日本神户**
43.2
6.8
44.4
5.8（硅酸盐）
表烧结矿的常见显微结构
斑状结构
首先结晶出自形、半自形晶的磁铁矿，程斑晶状与较细粒粘结相或玻璃质结合而成
粒状结构
首先结晶出的磁铁矿晶粒，因冷却较快，多呈半自形或他形晶，与粘结相结合而成
骸晶结构
早期结晶的磁铁矿，呈骨架状的自形品，内部常为硅酸盐粘结相重填
共晶结构
（1）磁铁矿成圆点状或树枝状，分布于橄榄石中，赤铁矿呈细点状分布于硅酸盐晶体中，构成圆点或树枝状共晶结构；
（2）磁铁矿、硅酸二钙共晶结构；
（3）磁铁矿与铁酸钙共晶结构，多在高碱度烧结矿中
熔蚀结构
在高碱度烧结矿中，磁铁矿多被熔蚀成他形晶成浑圆状，晶粒细小
针状交织结构
磁铁矿颗粒被针状铁酸钙胶结
表武钢不同碱度烧结矿的矿物组成
烧结矿
碱度
矿物组成，（体积）%
磁铁矿
赤铁
矿
铁酸
一钙
铁酸
二钙
铁黄
长石
硅酸
钙
铁橄
榄石
浮氏体
金属铁
玻璃质
0.8
57.5
6.2
2.7
-
13.1
-
2.73
0.18
-
17.4
1.3
48.3
2.9
14.4
-
15.3
0.92
-
-
0.1
18.0
2.4
34.6
0.2
29.1
4.4
10.9
4.44
-
-
-
16.2
3.5
27.6
0.2
39.3
9.3
10.7
7.51
-
-
0.3
7.3
1-正硅酸钙；2-钙铁橄榄石；3-玻璃质；4-铁酸钙；5-赤铁矿；6-磁铁矿
图含碳量与熔剂性烧结矿矿物组成的关系
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