鐵礦石溶解與燒結(jié)熔體流動(dòng)行為機(jī)理

翟曉波¹，鄭軍¹，王剛¹，鄒忠平¹，周恒²

(1. 中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司低碳技術(shù)研究院， 重慶 401122；2. 北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院， 北京 100083)

摘要：在鐵礦石燒結(jié)過(guò)程中，鐵礦石部分溶解于燒結(jié)熔體，直接影響熔體的性質(zhì)，進(jìn)而影響燒結(jié)礦的黏結(jié)。為了明晰鐵礦石與燒結(jié)熔體的相互作用，采用化學(xué)純?cè)噭╈褵ㄖ苽湟訡a_3.6Fe_14.4O_25.2和CaFe₂O₄礦物為主的鐵酸鈣系黏附粉。以7種核心鐵礦石-鐵酸鈣系(w(CaO)=15%)黏附粉構(gòu)成燒結(jié)偶為主要研究對(duì)象，采用實(shí)驗(yàn)室燒結(jié)方法，研究了核礦石溶解與燒結(jié)熔體流動(dòng)行為。在此基礎(chǔ)上，使用化學(xué)純?cè)噭┠M核礦石的化學(xué)組成，考察了核礦石SiO₂、Al₂O₃含量對(duì)熔體橫向流動(dòng)面積和核礦石溶解指數(shù)的影響規(guī)律及機(jī)理。結(jié)果表明，在核礦石溶解于CaO-Fe₂O₃液相后，形成了交互層區(qū)域。核礦石中礦物，尤其是石英，溶解進(jìn)入熔體，在靠近熔體一側(cè)促使生成復(fù)雜CaO-Fe₂O₃系液相，而在靠近核礦石一側(cè)促使簡(jiǎn)單CaO-Fe₂O₃系液相轉(zhuǎn)變?yōu)镃aO-Fe₂O₃-SiO₂系液相?？拷垠w一側(cè)析出以鐵酸鈣系和赤鐵礦為主的礦物，而靠近核礦石一側(cè)析出以硅酸鹽和赤鐵礦為主的礦物。隨著核礦石SiO₂含量的增加，一方面，使得溶解進(jìn)入熔體中的SiO₂數(shù)量增加，溶解指數(shù)得到提升；另一方面，提升了簡(jiǎn)單CaO-Fe₂O₃系液相的黏度，從而使得熔體橫向流動(dòng)面積減小。隨著核礦石Al₂O₃含量的增加，溶解進(jìn)入熔體中的Al₂O₃數(shù)量增加，進(jìn)而熔體橫向流動(dòng)面積降低，而核礦石溶解指數(shù)升高。Al₂O₃相較于SiO₂對(duì)核礦石溶解與熔體流動(dòng)行為的影響更大。

關(guān)鍵詞：鐵礦石； 燒結(jié)； 熔體； 溶解； 流動(dòng)

1 引言

在鐵礦粉燒結(jié)過(guò)程中，隨著料層溫度的升高，黏附粉層中產(chǎn)生的熔體與其近鄰的核心鐵礦石(核礦石)不可避免地發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，即核礦石溶解于燒結(jié)熔體，使得熔體原有的性質(zhì)發(fā)生了變化，即熔體中液相比例減少、熔體黏度增加，進(jìn)而大大降低了熔體的流動(dòng)能力，導(dǎo)致熔體對(duì)其他準(zhǔn)顆粒的黏結(jié)作用隨之大幅減弱。

Okazaki J等率先以鐵酸鈣系為黏附粉、粉礦壓塊為核，將黏附粉置于核礦石上表面進(jìn)行了熔體與核礦石反應(yīng)的研究，并考察了核礦石的表觀形貌和化學(xué)成分對(duì)滲透深度的影響。后續(xù)研究者發(fā)現(xiàn)了豆?fàn)畹V和高磷礦等褐鐵礦對(duì)熔體流動(dòng)行為的抑制影響。Okazaki J等基于真實(shí)礦石試驗(yàn)認(rèn)為SiO₂和Al₂O₃與熔體的滲透深度存在較好的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，而WU S等未在真實(shí)礦石試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象，反而通過(guò)純?cè)噭┖?jiǎn)化模擬礦石試驗(yàn)(Fe₂O₃混合SiO₂或Al₂O₃)發(fā)現(xiàn)了SiO₂與熔體滲透深度的二元曲線局部負(fù)相關(guān)關(guān)系、Al₂O₃與熔體滲透深度的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。然而，上述研究中，熔體均位于核礦石上方，熔體本身的重力影響了熔體的滲透和流動(dòng)。此外，上述研究者使用的真實(shí)核礦石的脈石含量同時(shí)變化，掩蓋了單因素對(duì)燒結(jié)熔體流動(dòng)和滲透的作用，抑或使用純?cè)噭┒茨芸紤]鐵礦石中的其他主要成分。

研究者采用制粒的方法研究核礦石溶解對(duì)燒結(jié)熔體行為的影響。Otomo T等研究發(fā)現(xiàn)，核礦石的同化速率是其脫水后氣孔率和保溫時(shí)間的函數(shù)，核礦石的直徑和密度影響了熔體中的固相比。Wang Z等研究了氧化性氣氛和還原性氣氛下含鈦新西蘭鐵礦砂顆粒與燒結(jié)熔體的反應(yīng)機(jī)理。Ware N等研究發(fā)現(xiàn)顆粒尺寸、溫度、核礦石中礦物是影響核礦石與熔體反應(yīng)的主要因素。

研究者還將核礦石簡(jiǎn)化為純物質(zhì)或單一物質(zhì)，以減少試驗(yàn)復(fù)雜性。文獻(xiàn)從鐵酸鈣液相在赤鐵礦核和磁鐵礦核上的潤(rùn)濕行為入手研究燒結(jié)熔體與核的反應(yīng)；文獻(xiàn)研究了鐵酸鈣液相在脈石Al₂O₃、MgO、SiO₂、TiO₂基底上的滲透和潤(rùn)濕行為。此外，文獻(xiàn)研究了以燒結(jié)返礦為核的熔體滲透行為。

綜上所述，盡管核礦石與燒結(jié)熔體的交互作用得到了諸多研究者的關(guān)注，但是核礦石與黏附粉的相對(duì)位置、核礦石中脈石成分單因素等的影響仍未見(jiàn)報(bào)道。

從實(shí)際燒結(jié)生產(chǎn)中抽象出核礦石與燒結(jié)熔體交互作用的物理模型，核礦石與黏附粉的相對(duì)位置分為兩種，即黏附粉位于核礦石上方和核礦石位于黏附粉上方。當(dāng)黏附粉位于核礦石上表面時(shí)，不但高溫下產(chǎn)生的熔體向四周流動(dòng)，而且核礦石向熔體中溶解。因此，燒結(jié)熔體的縱向滲透深度，不但受到熔體與核礦石交互作用的影響，而且不可避免地受到熔體自身重力的影響。反之，當(dāng)黏附粉位于核礦石下表面時(shí)，核礦石向熔體中的溶解，即熔體與核礦石間的交互作用，并未受到熔體本身重力的影響。

因此，在本文中，以不同種類核礦石柱狀體和鐵酸鈣系(w(CaO)=15%)黏附粉柱狀體組成的燒結(jié)偶(黏附粉柱狀體置于下方)為研究對(duì)象，采用燒結(jié)試驗(yàn)方法，研究核心鐵礦石溶解與燒結(jié)熔體流動(dòng)行為。在此基礎(chǔ)上，使用化學(xué)分析純?cè)噭┠M核礦石化學(xué)組成，研究核礦石脈石成分對(duì)上述行為的影響規(guī)律及其機(jī)理。根據(jù)文獻(xiàn)研究結(jié)果，燒結(jié)熔體中的主要液相為CaO-Fe₂O₃系，因此本文將僅含CaO和Fe₂O₃兩種成分于高溫下生成的液相稱為簡(jiǎn)單CaO-Fe₂O₃系液相，而將溶解有少量SiO₂、Al₂O₃等脈石成分的CaO-Fe₂O₃系液相稱為復(fù)雜CaO-Fe₂O₃系液相。

2 精選圖表

3 結(jié)論

(1)在核礦石溶解于CaO-Fe₂O₃液相后，形成了交互層區(qū)域。在靠近熔體一側(cè)促使生成復(fù)雜CaO-Fe₂O₃系液相，而在靠近核礦石一側(cè)促使簡(jiǎn)單CaO-Fe₂O₃系液相轉(zhuǎn)變?yōu)镃aO-Fe₂O₃-SiO₂系液相。

(2)隨著核礦石SiO₂含量的增加，一方面，使得溶解進(jìn)入熔體中的SiO₂含量增加，溶解指數(shù)得到提升；另一方面，提升了簡(jiǎn)單CaO-Fe₂O₃系液相的黏度，從而使得熔體橫向流動(dòng)面積減小。

(3)隨著核礦石Al₂O₃含量的增加，使得溶解進(jìn)入熔體中的Al₂O₃含量增加，進(jìn)而熔體橫向流動(dòng)面積降低，而核礦石溶解指數(shù)升高。Al₂O₃含量對(duì)核礦石溶解與熔體流動(dòng)行為的影響大于SiO₂含量的影響。