皮曉東^1，2，孫權(quán)³，羅果萍⁴，王永斌^4，5，朱建國(guó)⁴

( 1． 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)( 北京) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100083; 2． 內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院，內(nèi)蒙古呼和浩特010020;3． 內(nèi)蒙古包鋼稀土鋼板材廠，內(nèi)蒙古包頭014010; 4． 內(nèi)蒙古科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014010;5． 北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京100083)

摘要: 介紹了國(guó)內(nèi)外研究球團(tuán)礦還原膨脹機(jī)理的主流觀點(diǎn)，并針對(duì)分析了影響球團(tuán)礦膨脹的諸多因素。在綜合大量現(xiàn)場(chǎng)研究結(jié)果后，探究了含鎂添加劑對(duì)于球團(tuán)礦冶金性能的影響。最后，指出了從球團(tuán)礦還原全過(guò)程出發(fā)，添加MgO 對(duì)球團(tuán)還原膨脹性能影響機(jī)理研究的可行性與重要性。對(duì)建立特殊礦球團(tuán)生產(chǎn)新理論具有重要的科學(xué)意義。

關(guān)鍵詞: 球團(tuán)礦; MgO; 還原膨脹; 冶金性能; 機(jī)理研究

1 前言

球團(tuán)礦作為高爐煉鐵的一種重要原料，以其品位高、粒度均勻、強(qiáng)度好、便于運(yùn)輸和儲(chǔ)存等優(yōu)點(diǎn)，在高爐原料中的使用量逐年提高。研究表明，球團(tuán)礦與燒結(jié)礦一起搭配入爐對(duì)爐料結(jié)構(gòu)影響較大，可使高爐增產(chǎn)節(jié)焦，從而對(duì)降低生產(chǎn)成本有顯著效果^{［1 ～ 3］}。但是，酸性球團(tuán)礦與高堿度燒結(jié)礦相比，前者高溫冶金性能較差，存在軟熔溫度相對(duì)較低、軟化滴落溫度區(qū)間寬、料層透氣性差、還原膨脹率高等不足。特別是球團(tuán)礦的還原膨脹性，實(shí)踐證明，如果還原膨脹性指數(shù)超過(guò)20%，將會(huì)引起高爐料柱透氣性下降，煤氣流分布出現(xiàn)異常，使得爐況運(yùn)行不暢，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)爐況失常現(xiàn)象。眾多研究表明^{［4 ～ 7］}，隨著球團(tuán)礦中的氧化鎂含量的提高，球團(tuán)礦的高溫還原度和軟化熔融滴落性能改善，低溫還原粉化率和膨脹率指數(shù)明顯降低。因此，添加MgO 已成為改善球團(tuán)礦冶金性能最有效的措施。

2 球團(tuán)礦還原膨脹的研究現(xiàn)狀

2． 1 球團(tuán)礦還原膨脹機(jī)理的研究現(xiàn)狀

球團(tuán)礦作為高爐煉鐵或直接還原的一種原料，從加入到爐內(nèi)就進(jìn)入一種還原性氣氛，爐內(nèi)中的還原性氣體( CO、H₂和固體碳) 會(huì)使鐵氧化物發(fā)生由高價(jià)到低價(jià)的逐級(jí)還原反應(yīng)，最終得到金屬鐵。在這一還原過(guò)程中，球團(tuán)礦發(fā)生著一系列的復(fù)雜物理化學(xué)變化，其中就包含球團(tuán)礦體積的增大，這就是球團(tuán)礦的還原膨脹。關(guān)于還原膨脹的問(wèn)題，早在1939 年就有人報(bào)道，在還原時(shí)鐵礦石會(huì)出現(xiàn)體積膨脹^［8］。到了上世紀(jì)60 年代初期，隨著鋼鐵工業(yè)的不斷發(fā)展，球團(tuán)礦在高爐原料中的配比不斷提高。由于高爐生產(chǎn)大量使用球團(tuán)礦出現(xiàn)了高爐爐況惡化，生產(chǎn)指標(biāo)下降，球團(tuán)礦在還原過(guò)程中的膨脹問(wèn)題才引起人們的注意，并促進(jìn)了球團(tuán)礦還原膨脹理論的發(fā)展^［9］。到目前為止，關(guān)于球團(tuán)礦還原膨脹機(jī)理方面比較有代表性的觀點(diǎn)主要有以下四種:

( 1) 氣體壓力論

Adstrom 選取一塊具有特定長(zhǎng)度同時(shí)純度較高的赤鐵礦立方體于1 000 ℃ 溫度下用CO氣體進(jìn)行還原。通過(guò)在還原器內(nèi)通入CO₂來(lái)改變其還原能力，以控制各特定的還原階段。研究結(jié)果表明，赤鐵礦( 即Fe₂O₃) 在還原過(guò)程中會(huì)發(fā)生一定數(shù)量的膨脹，而磁鐵礦在還原過(guò)程中并不產(chǎn)生體積膨脹。他把赤鐵礦體積膨脹的原因解釋為球團(tuán)核內(nèi)氣體壓力增大的結(jié)果，我們知道這種情況發(fā)生在較高的還原速度下，此時(shí)CO₂或水蒸氣的生成速度大于其通過(guò)氣孔向外擴(kuò)散的速度，而在核內(nèi)產(chǎn)生了向外的壓力促使球團(tuán)結(jié)構(gòu)疏松^{［10，11］}。因此，這種認(rèn)識(shí)有較大的局限性。

( 2) 碳沉積膨脹理論

該理論認(rèn)為球團(tuán)礦的還原膨脹是由于在400 ～ 600 ℃的還原條件下，發(fā)生的析碳反應(yīng)導(dǎo)致，反應(yīng)所生成的碳沉積在球團(tuán)礦的微小孔隙或晶體裂縫內(nèi)，引起球團(tuán)體積增大^{［10，11］}。由于發(fā)生析碳反應(yīng)時(shí)的溫度低，反應(yīng)速度較為緩慢，所以一般認(rèn)為析碳反應(yīng)在高爐內(nèi)發(fā)生量比較少^［12］。因此，該觀點(diǎn)也只能解釋球團(tuán)在低溫條件下發(fā)生膨脹的原因。

( 3) 晶體變化和赤鐵礦還原過(guò)程的各向異性論

赤鐵礦的晶體結(jié)構(gòu)屬于六方晶系，而磁鐵礦的晶體結(jié)構(gòu)屬于等軸晶系，因此赤鐵礦球團(tuán)在還原過(guò)程中會(huì)發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)的變化。六方晶系的a － Fe₂O₃( 晶格常數(shù)5． 42 埃) 向正方晶系的Fe3O4( 晶格常數(shù)8． 41 埃) 轉(zhuǎn)變時(shí)，中間經(jīng)過(guò)r－ Fe₂O₃，r－ Fe₂O₃屬正方晶系( 晶格常數(shù)8． 32埃) 由a － Fe₂O₃轉(zhuǎn)變成r － Fe₂O₃，由于晶格重建，理論上計(jì)算其體積增加7． 8%，再加上約3%的物理熱膨脹率，所以在升溫還原過(guò)程中純Fe₂O₃的最大體積膨脹率應(yīng)在11%左右，這一點(diǎn)已經(jīng)得到公認(rèn)^{［13，14］}。

由于赤鐵礦之類物質(zhì)結(jié)晶成六方晶系，因此其表現(xiàn)出各項(xiàng)異性的特點(diǎn)。赤鐵礦晶體在還原速度上也呈現(xiàn)出各向異性，在還原過(guò)程中除了晶體結(jié)構(gòu)變化所引起的體積增大以外，在不同方向上生成不同厚度的磁鐵礦層。使得各界面處形成不同的張力，導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生破裂。

所以該觀點(diǎn)可以很好地解釋由赤鐵礦還原到磁鐵礦轉(zhuǎn)化過(guò)程中的正常膨脹和異常膨脹^［15］。

( 4) 鐵晶須論

該觀點(diǎn)認(rèn)為，在由浮氏體還原為金屬鐵這一階段，浮氏體界面處某些特定的點(diǎn)會(huì)析出纖維狀金屬鐵，即所謂“鐵晶須”或金屬鐵的微晶粒，使周圍晶粒產(chǎn)生位移或開(kāi)裂，產(chǎn)生災(zāi)難性膨脹。這種觀點(diǎn)能較好地解釋在球團(tuán)礦中由于堿金屬或是鈣離子的存在而導(dǎo)致的災(zāi)難性膨脹^［8］。

球團(tuán)礦還原膨脹是一個(gè)涉及到各方面非常復(fù)雜的綜合性問(wèn)題。對(duì)于不同的球團(tuán)礦，由于化學(xué)成分、礦物組成和結(jié)構(gòu)等差異，使得在還原過(guò)程中其產(chǎn)生體積膨脹的原因各不相同。因此，對(duì)于不同球團(tuán)礦在還原過(guò)程中產(chǎn)生體積膨脹的原因，應(yīng)用辯證的思維去看待。

2． 2 白云鄂博球團(tuán)礦面臨的問(wèn)題

多數(shù)鐵精礦所生產(chǎn)的球團(tuán)礦，還原膨脹率均在高爐正常生產(chǎn)允許的范圍之內(nèi)，而包鋼白云鄂博鐵精礦由于同時(shí)含有鉀、鈉和氟，以其為主要原料所生產(chǎn)球團(tuán)礦的異常還原膨脹一直是困擾包鋼球團(tuán)與煉鐵生產(chǎn)的瓶頸問(wèn)題。長(zhǎng)期以來(lái)，包鋼球團(tuán)生產(chǎn)主要依靠大量使用外購(gòu)礦來(lái)抑制球團(tuán)礦的異常還原膨脹以滿足高爐生產(chǎn)的要求。2009 年以來(lái)，隨著包鋼巴潤(rùn)精礦礦漿管道輸送工程的投產(chǎn)，使得自產(chǎn)白云鄂博鐵精礦在球團(tuán)和燒結(jié)生產(chǎn)中所占的配比提高顯著，球團(tuán)礦異常還原膨脹再度成為制約包鋼球團(tuán)與煉鐵生產(chǎn)發(fā)展的嚴(yán)峻問(wèn)題^{［16 ～ 18］}。因而，抑制球團(tuán)礦異常還原膨脹就成了當(dāng)前擺在包鋼科技工作者面前亟待解決的問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者曾對(duì)球團(tuán)礦還原膨脹性能進(jìn)行了大量卓越而又有建設(shè)性的研究，發(fā)現(xiàn)球團(tuán)礦還原膨脹主要發(fā)生在還原第一階段即赤鐵礦轉(zhuǎn)變?yōu)榇盆F礦的過(guò)程中，出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的鐵氧化物晶體開(kāi)裂現(xiàn)象，但是只有在堿金屬含量較高的情況下，才在還原第三階段即浮氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘勹F的過(guò)程中，出現(xiàn)“鐵晶須”或是鐵晶粒，從而加重球團(tuán)礦的膨脹^{［19，20］}。球團(tuán)礦還原膨脹機(jī)理解釋的主流觀點(diǎn)有上述四種^［21］，但是還沒(méi)有任何一種觀點(diǎn)能夠全面而合理地解釋白云鄂博鐵礦球團(tuán)礦的還原膨脹現(xiàn)象。

白云鄂博鐵精礦中氟及堿金屬的綜合作用使球團(tuán)礦還原膨脹甚為嚴(yán)重，使MgO 對(duì)球團(tuán)礦還原膨脹性能的影響機(jī)理變得更為復(fù)雜。包鋼含鎂球團(tuán)礦的試驗(yàn)研究表明，生產(chǎn)堿性含鎂球團(tuán)礦是改善球團(tuán)礦高溫冶金性能的有效途徑，當(dāng)MgO 含量控制在1． 5% ～ 2． 0% 時(shí)，可獲得還原膨脹率低、綜合指標(biāo)良好的球團(tuán)礦^{［22，23］}。

3 不同因素對(duì)球團(tuán)還原膨脹性的影響

3． 1 堿金屬、氟對(duì)球團(tuán)還原膨脹性的影響

研究證明^［24］: 在球團(tuán)礦的還原過(guò)程中，堿金屬能夠引起球團(tuán)礦的異常膨脹，甚至是災(zāi)難性膨脹。周取定^［25］等在堿金屬與氟對(duì)球團(tuán)礦還原膨脹影響機(jī)理的研究中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)堿金屬與Fe₂O₃結(jié)合成堿金屬鐵酸鹽，而進(jìn)入晶格的極少，在還原到磁鐵礦時(shí)，只有少部分堿金屬鐵酸鹽存在，其晶格常數(shù)有微小的變化，當(dāng)球團(tuán)礦還原到浮氏體時(shí)，堿金屬鐵酸鹽會(huì)完全消失，含K，Na 球團(tuán)礦的晶格常數(shù)有明顯變化。在還原到金屬鐵階段，鐵晶須生長(zhǎng)在含有鈉元素的鐵氧化物基體上，而在純鐵氧化物基體上則無(wú)鐵晶須生長(zhǎng)，且含鉀的須粗壯，鈉的尖細(xì)。

張若萍^［26］在攀枝花氧化鈉球團(tuán)還原膨脹機(jī)理的研究中提出，任何晶體在還原到Fe₃O₄階段時(shí)，都會(huì)有裂紋產(chǎn)生，不同的是鈉化后的赤鐵礦在還原產(chǎn)物中，裂紋表現(xiàn)為粗大而集中，晶粒的連續(xù)性受到根本性破壞，裂紋是應(yīng)力引起的。

還原過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力，不僅指殘留于還原產(chǎn)物內(nèi)的應(yīng)力，而且應(yīng)該包括還原過(guò)程中導(dǎo)致晶粒裂開(kāi)而使球團(tuán)表面能增加的那部分應(yīng)力，使用Na₂CO₃作鈉化劑，提高焙燒溫度，其結(jié)果都導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大，膨脹率也相應(yīng)提高。

Taymour^［27］在研究堿金屬對(duì)酸性球團(tuán)礦還原行為的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，堿金屬造成球團(tuán)礦異常膨脹的原因主要有兩個(gè)發(fā)面: 一是堿金屬改善了酸性球團(tuán)礦的還原反應(yīng)能力，提高了還原氣體與鐵氧化物之間的傳質(zhì)能力，導(dǎo)致球團(tuán)膨脹，形成裂縫。此外，堿金屬還可以固溶于浮氏體中，促進(jìn)金屬鐵的形成與長(zhǎng)大; 二是堿金屬進(jìn)入渣相，與其他化合物形成低熔點(diǎn)化合物，在還原過(guò)程中降低了球團(tuán)礦抵抗應(yīng)力的能力，從而導(dǎo)致產(chǎn)生異常膨脹。

周取定^［25］等模擬當(dāng)時(shí)包鋼工業(yè)球團(tuán)的堿金屬和氟含量的條件就堿金屬和氟對(duì)球團(tuán)礦還原膨脹的影響進(jìn)行了研究，其結(jié)果表明，在球團(tuán)礦還原過(guò)程中，堿金屬容易進(jìn)入磁鐵礦晶格，并隨著Fe₃O₄還原到FexO，堿金屬進(jìn)入的量逐漸增加，造成堿金屬的積累，進(jìn)而導(dǎo)致晶格扭曲和畸變，增加了界面反應(yīng)速度，這是造成鐵氧化物晶體開(kāi)裂及鐵晶須異常發(fā)展的根本原因。

漆光瑯^［28］等針對(duì)白云鄂博鐵礦的實(shí)際礦物組成特點(diǎn)，在普通鐵精礦中配加天然礦物鉀板巖和鈉輝石巖( 主要成分為鉀長(zhǎng)石KAlSi₃O₈，鈉輝石NaFeSi₂O₆) ，進(jìn)行了球團(tuán)礦還原膨脹性能的研究，他認(rèn)為K，Na 可以賦存于鐵氧化物晶格點(diǎn)陣之中，形成固溶體。這使得含堿金屬鐵氧化物反應(yīng)界面上的活性點(diǎn)較純鐵氧化物大大增加。高能活性中心的形成相當(dāng)于發(fā)生反應(yīng)所需活化能的減小，所以加快了反應(yīng)速度，且反應(yīng)所需的能量減少。

沈茂森^［29］等在對(duì)不同白云鄂博巴潤(rùn)精礦配比球團(tuán)礦的還原膨脹影響研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，巴潤(rùn)精礦配比提高到30% 以上后，球團(tuán)礦中較大的氣孔明顯增加，需要特別指出的是互相連通的大氣孔增加明顯。分析其原因認(rèn)為，由于白云鄂博鐵礦含有較高的易揮發(fā)的元素或是組分，在焙燒過(guò)程中，由揮發(fā)份產(chǎn)生的一部分氣孔由于氣體壓力而破裂和外界連通，形成開(kāi)氣孔，揮發(fā)份由此被排出外界; 當(dāng)然也有部分氣孔在氣體壓力下沒(méi)有發(fā)生破裂，將揮發(fā)份保留其中，形成了所謂的閉氣孔，從而使白云鄂博鐵礦球團(tuán)氣孔率明顯提高。閉氣孔中的揮發(fā)份在球團(tuán)礦高溫還原時(shí)，會(huì)再次產(chǎn)生較高的膨脹壓力，氣孔壁在遭到還原氣體的破壞時(shí)破裂，其中的揮發(fā)份膨脹釋放，引起球團(tuán)礦的還原膨脹。

郭春泰^［30］等采用TGA 方法研究了堿金屬對(duì)鐵氧化物還原化學(xué)動(dòng)力學(xué)的影響。實(shí)驗(yàn)表明，堿金屬( K，Na) 可加快鐵氧化物界面還原反應(yīng)速度，降低反應(yīng)活化能，同時(shí)減少還原反應(yīng)所吸收的熱量。

劉建華^［31］在氧化物雜質(zhì)對(duì)鐵氧化物還原動(dòng)力學(xué)的影響中指出，用CO/CO₂體積比為2 /98的CO － CO₂混合氣體進(jìn)行還原實(shí)驗(yàn)，與相應(yīng)的純Fe2O3晶體相比，摻入堿金屬鉀后溫度升至700 ℃時(shí)，F(xiàn)e₂O₃被還原為Fe₃O₄的反應(yīng)速率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，1000 ℃時(shí)則提高了2 個(gè)數(shù)量級(jí)，形成KFe11O17，促進(jìn)了Fe₃O₄的形成與長(zhǎng)大，同時(shí)形成多孔而不致密的條狀Fe₃O₄。

白云鄂博鐵礦和其他鐵礦石區(qū)別在于含有氟元素，其中氟元素94． 26% ～ 97． 84% 存在于螢石中，有少量存在于氟碳鈰礦中，因此白云鄂博鐵精礦有時(shí)也成為含氟精礦，此外白云鄂博礦中還含有較多的堿金屬。由于同時(shí)含有氟和堿金屬，白云鄂博礦表現(xiàn)出特殊的冶煉特點(diǎn)，因此在沒(méi)有搞清楚白云鄂博礦冶煉的特殊性時(shí)，冶煉初期給包鋼煉鐵生產(chǎn)帶來(lái)極大的困難^{［32，33］}。但是，同時(shí)也促發(fā)了人們對(duì)白云鄂博礦的研究熱情。

3． 2 脈石組分對(duì)球團(tuán)還原膨脹性的影響

不同地區(qū)的鐵精礦具有不同的化學(xué)成分、礦物組成和物質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而體現(xiàn)出不同的冶金特性。一般在鐵精礦中，脈石的主要成分為SiO₂、CaO、Al₂O₃、MgO 等。為了深入了解這些脈石成分對(duì)球團(tuán)礦冶金性能的影響，特別是對(duì)還原膨脹性的影響規(guī)律，人們做了大量研究^{［4 ～ 7］}。研究結(jié)果表明，在MgO 和SiO₂對(duì)球團(tuán)礦還原膨脹性的影響規(guī)律上研究者們獲得了比較一致的效果。

無(wú)論是對(duì)于磁鐵礦還是赤鐵礦，無(wú)論是以天然鐵礦粉還是純化學(xué)試劑為原料，研究者們?cè)赟iO₂對(duì)球團(tuán)礦還原膨脹性影響規(guī)律方面得出相同的結(jié)論: 隨著球團(tuán)礦中SiO₂含量的增加，球團(tuán)礦的還原膨脹性得到改善。崔智鑫等人^［34］通過(guò)改變巴西卡拉加斯赤鐵礦與金山店、程潮2種磁鐵精礦的配加量來(lái)改變球團(tuán)礦中的SiO₂的含量，以研究SiO₂對(duì)球團(tuán)礦還原膨脹性的影響。

研究發(fā)現(xiàn)隨著球團(tuán)礦中SiO₂含量的增加，球團(tuán)礦還原膨脹率基本上表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，但由于各種礦石之間本身存在著一定差異，所以所測(cè)球團(tuán)礦的還原膨脹率有些許起伏屬于正常現(xiàn)象。孫宗毅^［18］在對(duì)國(guó)內(nèi)外包括赤鐵礦、磁鐵礦、鏡鐵礦和褐鐵礦四大類，共計(jì)10 個(gè)鐵礦球團(tuán)研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，鐵礦原料的脈石含量和組成，對(duì)球團(tuán)膨脹特性有顯著的影響，SiO₂含量增加可降低球團(tuán)膨脹率。王兆才^［35］等人認(rèn)為球團(tuán)中含有適量的SiO₂有利于焙燒時(shí)產(chǎn)生渣相連接，提高球團(tuán)的強(qiáng)度，降低還原膨脹率。

在MgO 對(duì)球團(tuán)礦還原膨脹性方面，研究者們得出一致的結(jié)論: 隨著球團(tuán)中MgO 含量的增加，球團(tuán)礦的還原膨脹性得到明顯改善。將MgO 加入到球團(tuán)生產(chǎn)的原料中，在焙燒過(guò)程中會(huì)形成穩(wěn)定的鐵酸鎂( 熔點(diǎn)1713 ℃) ，在還原時(shí)不會(huì)發(fā)生Fe₂O₃到Fe₃O₄的相變而引起體積膨脹，而是生成MgO 和FeO 的固溶體。而且Mg^{2 +}的半徑( 0． 6 × 10 ^{－ 10} m) 小于Fe^{2 +} 的半徑( 0． 74× 10 ^{－ 10}m) ，Mg^{2 +} 能均勻分布在浮士體內(nèi)，不至于引起局部化學(xué)還原反應(yīng)。此外，加入的MgO在焙燒過(guò)程中可以形成高熔點(diǎn)的渣相，在還原過(guò)程中提高了球團(tuán)礦抵抗膨脹的能力，從而使得球團(tuán)礦還原膨脹性降低^{［36，37］}。

姜濤^［4］等人以純鐵礦物為原料采用壓塊－焙燒－ 還原的方法，研究CaO、SiO₂、MgO、Al₂O₃對(duì)鐵礦球團(tuán)還原膨脹性的影響。研究表明: 相同條件下純赤鐵礦團(tuán)塊的還原膨脹率比純磁鐵礦團(tuán)塊明顯要大; 同時(shí)CaO、SiO₂、MgO、Al₂O₃對(duì)降低赤鐵礦團(tuán)塊的還原膨脹率有非常顯著的作用; 而SiO₂、MgO 也有在一定程度上降低磁鐵礦團(tuán)塊還原膨脹率的作用，相反CaO、Al₂O₃則使磁鐵礦團(tuán)塊的還原膨脹率增大。并認(rèn)為在浮氏體還原成金屬鐵的過(guò)程中，固溶于鐵氧化物晶格中的Ca^{2 +} 促進(jìn)了“鐵晶須”的生成與長(zhǎng)大，是CaO 導(dǎo)致球團(tuán)產(chǎn)生異常膨脹的直接原因^［36］。

H． T． Wang 和H． Y． Sohn^［14］在1 000 ℃的焙燒溫度下制備球團(tuán)礦以研究CaO 和SiO₂對(duì)還原過(guò)程的鐵氧化物的膨脹性和鐵晶須形成的影響。

I． 研究表明，SiO₂對(duì)團(tuán)礦的膨脹影響比較復(fù)雜，在CaO 含量( 0． 68%) 低的情況下，SiO₂含量的增加可以抑制膨脹和鐵晶須的生長(zhǎng)，但在CaO 含量( 5%) 高的情況下，SiO₂的作用正好相反。CaO含量的增加可提高還原反應(yīng)速度，有效抑制團(tuán)礦膨脹和鐵晶須的生長(zhǎng)。并利用SEM 觀察了鐵晶須的生長(zhǎng)情況，認(rèn)為SiO₂含量的增加使得鐵晶須生長(zhǎng)的核心由分散狀態(tài)逐步變得增加聚集到一起，而CaO 含量的增加形成了更多的鐵晶核，導(dǎo)致鐵晶須長(zhǎng)度變短，從而抑制了膨脹。

3． 3 含鎂添加劑對(duì)于球團(tuán)還原膨脹性的影響

有研究表明隨著氧化鎂含量的提高可以引起球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度下降。周明順^［38］等研究了MgO 添加方式對(duì)改善球團(tuán)礦冶金性能的影響，其結(jié)果表明對(duì)于球團(tuán)礦的還原膨脹性而言，高、低MgO 精礦搭配和添加菱鎂石兩種方法，都能使球團(tuán)礦還原膨脹指數(shù)降低，添加白云石時(shí)，由于鈣元素的影響，RSI 反而由23% 增加到32%。

研究認(rèn)為MgO 的添加方式應(yīng)當(dāng)是菱鎂石或含MgO 精礦粉，應(yīng)該避免通過(guò)白云石添加。張亞平^［39］等認(rèn)為球團(tuán)礦強(qiáng)度隨MgO 增加而降低的原因是液相量減少，液相粘度增大，使得球團(tuán)孔隙率增大，體積收縮變差，再加上大氣孔的存在，氣孔形狀也不規(guī)則，應(yīng)力相對(duì)集中，導(dǎo)致了球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的下降。為了改善含鎂球團(tuán)礦的強(qiáng)度，范曉慧^［40］等發(fā)現(xiàn)，通過(guò)添加含鈣和含硼物質(zhì)可促進(jìn)低熔點(diǎn)物質(zhì)的形成，使球團(tuán)產(chǎn)生適宜的液相量，加快Mg^{2 +} 和Fe^{3 +} 的擴(kuò)散，促進(jìn)含鎂熔劑的礦化和Fe₂O₃再結(jié)晶，從而改善含鎂球團(tuán)的固結(jié)強(qiáng)度。周國(guó)凡^［41］等的研究表明，可以通過(guò)適當(dāng)提高焙燒溫度及延長(zhǎng)焙燒時(shí)間來(lái)提高球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度。

在氧化鎂球團(tuán)生產(chǎn)時(shí)，還必須注意含鎂添加劑的選擇。有研究表明并非所有含鎂添加劑都可以降低球團(tuán)礦的還原膨脹率。

高強(qiáng)健^［42］等的研究表明了球團(tuán)礦中MgO 含量的增加，抗壓強(qiáng)度逐漸下降的主要原因?yàn)? 一方面球團(tuán)MgO 含量的增加使得球團(tuán)中Fe₃O₄氧化成Fe₂O₃再結(jié)晶過(guò)程減弱，連晶不完全，且分布不均，不利于球團(tuán)礦的固結(jié); 另一方面隨著球團(tuán)礦中MgO 含量的增加，球團(tuán)礦的孔徑及孔隙度逐漸增大，導(dǎo)致球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度不斷下降。

王筱留^［43］等對(duì)Mg^{2 +} 在鎂磁鐵礦中的占據(jù)情況進(jìn)行了研究，其結(jié)果表明，進(jìn)入球團(tuán)礦鐵相中的Mg^{2 +} 基本上占據(jù)磁鐵礦晶格中八面體B晶位，取代一部分Fe^{2 +} ，含鎂磁鐵礦的化學(xué)式可用: Fe( Fe^{2 －} x － y，Mgx) O₄，( x，y ＞ 0) 表示。并認(rèn)為球團(tuán)礦中的MgO 可穩(wěn)定更多的磁鐵礦相，使球團(tuán)磁鐵礦含量明顯增加、赤鐵礦含量減少，因而，還原膨脹得到有效抑制。

為了解釋MgO 改善球團(tuán)礦冶金性能的原因，人們?cè)鴮?duì)MgO 在球團(tuán)礦中的賦存形式進(jìn)行了研究，其結(jié)果表明，MgO 大多賦存于鐵相中，少量賦存在渣相中。而對(duì)鐵相的影響主要表現(xiàn)為促成鐵酸鎂( MgO·Fe₂O₃) 和鎂磁鐵礦( Mg，F(xiàn)e) O·Fe₂O₃的形成，或鎂磁鐵礦與鐵酸鎂近似理想固溶體( Mg1 － x，F(xiàn)ex) O·Fe₂O₃的形成。

G． H． Li^［44］等研究了添加白云石、生石灰、蛇紋石對(duì)球團(tuán)礦還原膨脹性的影響，其研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，只有蛇紋石可以降低球團(tuán)礦還原膨脹性指數(shù)，白云石、生石灰卻導(dǎo)致了球團(tuán)礦的異常膨脹。并認(rèn)為這是由于氧化鈣的加入促進(jìn)了鐵晶須的形成和長(zhǎng)大，而氧化鎂固溶于浮氏體中，卻降低了Fe^{2 +} 的遷移能力。Srinivas Dwarapudi^［45］認(rèn)為球團(tuán)在還原過(guò)程中，如果形成的渣相熔點(diǎn)比較低，就可以有足夠的空間容納體積膨脹，從而導(dǎo)致比較高的還原膨脹率。而MgO 的加入，使得形成的熔渣熔點(diǎn)提高，這樣就提供了較高的聯(lián)結(jié)力限制還原過(guò)程中的膨脹應(yīng)力，從而降低球團(tuán)礦的還原膨脹性指數(shù)。但是，到目前為止，有關(guān)MgO 對(duì)球團(tuán)礦還原膨脹性能影響的研究還十分有限。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，與普通鐵精礦粉相比，白云鄂博鐵精礦中由于含有F、K、Na 等堿金屬，使其球團(tuán)礦還原膨脹甚為嚴(yán)重，從而使MgO 對(duì)白云鄂博球團(tuán)礦還原膨脹性能的影響機(jī)理變得更為復(fù)雜。可見(jiàn)，從球團(tuán)礦還原全過(guò)程出發(fā)，就MgO、F、K 和Na 等因素對(duì)球團(tuán)還原膨脹性能的交互影響進(jìn)行系統(tǒng)的研究，以探明MgO 對(duì)白云鄂博鐵精礦球團(tuán)還原膨脹性能的影響機(jī)理。不僅可為改善普通鐵精礦球團(tuán)還原膨脹性能提供理論依據(jù)，而且對(duì)于抑制白云鄂博特殊鐵精礦球團(tuán)異常還原膨脹、建立我國(guó)特殊礦球團(tuán)生產(chǎn)新理論以及更加有效、高質(zhì)量、高產(chǎn)量地綜合利用白云鄂博鐵礦資源具有重要的科學(xué)意義。

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