劉青1, 張慶軍2, 張玉柱1, 馬雪剛2, 桑蓉櫟2

( 11 河北聯合大學 冶金與能源學院, 河北 唐山 063000; 21 河北聯合大學 分析測試中心, 河北 唐山 063009)

摘 要: 全仿真微型燒結法具有能精確模擬燒結各階段溫度和氣氛的特點, 同時可避免冷料階段和取樣不均等問題; 其燒結產物與燒結杯實驗產物對比, 二者的微觀結構基本一致, 主要礦物相和主要粘結相也相同。因此, 可用其代替燒結杯實驗進行燒結研究。

關鍵詞: 燒結研究; 燒結杯實驗; 全仿真微型燒結法

1 前 言

隨著燒結技術的發展, 對燒結機理的研究越來越深入, 采用傳統的燒結杯實驗方法不僅所需時間長、消耗材料多而且費用高, 已經不能滿足煉鐵工作者的需求[ 1]。因此, 一些研究人員開始探索適合于燒結機理研究的試驗方法。小型微型燒結實驗因具備快速模擬燒結過程及彌補了布料偏析等特點, 更適合于燒結機理的研究, 而被廣泛應用[ 2~ 4]。目前, 微型燒結實驗的方法有許多, 但都因溫度和氣氛無法精準控制,很難對實際生產進行真實模擬。研究發現[ 5],日本 LASERTEC 公司發明研制的高溫共聚焦激光掃描顯微鏡, 不僅可以對燒結過程的溫度和氣氛進行精確控制, 而且可以對燒結過程進行實時錄像, 非常適合燒結機理研究。利用此顯微鏡來進行燒結研究的方法稱為全仿真微型燒結法。本文在介紹該方法的基礎上, 將其與燒結杯實驗進行了對比。

2 全仿真微型燒結法

全仿真微型燒結法是根據解剖燒結過程中溫度、氣氛和生成物而設計的一種燒結固結機理的研究方法。該方法能在設定速度的前提下控制加熱、恒溫和冷卻時間, 故能模擬燒結機上的溫度制度, 同時可以通過隨時切換不同的通入氣體來控制氣氛。它與燒結杯實驗相比, 因避開了混料、制粒、布料、燃料及操作等因素的影響, 所以能夠對燒結礦進行有針對性的單一因素分析, 因此更適合于燒結機理的研究[6]。

全仿真微型燒結法的主要實驗裝置是高溫激光共焦掃描顯微鏡, 它包括高溫加熱爐和激光共焦顯微鏡兩大部分。高溫爐采用獨特的紅外集光加熱( Image heating) 方式, 升降溫速度快、試樣受熱區域溫度均衡, 同時升降溫過程可由程序控制, 任意設定, 而且對爐內氣氛沒有任何要求。此系統還配備有功能強大的軟件系統, 可滿足操作、分析的各種需求, 加熱爐內部結構如圖 1 所示。激光共焦顯微鏡具有超越一般顯微鏡的景深, 采用紫色激光器掃描照明成像, 掃描速度快、分辨率高, 可在- 185~ 1 750e 的溫度范圍內進行試驗, 且不需對試樣進行預處理。

實際上, 燒結過程是分層進行的, 在最上層點火, 同時在爐底抽風。對于最上層來說, 只存在兩個階段, 即燃燒階段和成礦階段; 但對于下部的料層來說則存在四個階段: 冷料、預熱、燃燒及成礦。成礦階段主要發生液相凝結、礦物析晶等反應, 由于上部抽入冷空氣, 被預熱的同時燒結礦被快速冷卻, 所以此階段溫度快速下降, 屬氧化性氣氛; 燃燒階段, 隨著焦炭的逐漸燃燒, 溫度達到最高點, 燃料周圍發生液相熔融及高溫物理化學反應, 隨著燃料的逐漸減少, 氣氛會由還原性氣氛逐步變為中性、氧化性氣氛( 分界點為溫度最高點) ; 干燥預熱階段溫度緩慢上升, 主要發生水分蒸發、結晶水分解及石灰石分解等反應, 由于產生了 CO2, 故屬還原性氣氛; 冷料階段, 由于上層廢氣中帶入較多的水分,故又稱過濕層, 在此階段不發生物理化學反應。

由以上分析可知, 燒結過程溫度和氣氛的分布狀況明顯地影響著燒結礦的形態及其物理特性與還原特性。因此, 全仿真微型燒結法的模擬重點是如何控制燒結過程溫度與氣氛對礦物組織結構的影響。

由于全仿真微型燒結法所用氣體均為干燥氣體, 且樣品為壓成的柱狀小餅, 不存在冷料階段, 所以, 可避免其對燒結透氣性的影響。全仿真微型燒結法利用激光代替碳粉作為熱源, 雖然避免了混料不均的問題, 但由于激光加熱只能照射到樣品的表面, 為了解決這一問題, 我們增設了恒溫階段, 這樣升溫曲線分為升溫、恒溫、降溫三個階段。為了對燒結實驗進行完全模擬, 針對以上三個階段做如下設定[ 7]:據資料表明, 燒結實驗的最高溫度以 1 250e 為宜, 大于 1 250 e 時, 主要粘結相鐵酸鈣會分解, 對成礦強度有較大影響[8, 9], 故實驗的最高溫度設為 1 250 e 。氣氛設置如前文所分析,1 250 e 之前通入 N2( 代替還原氣氛) , 溫度達到1 250 e 最高點后改通壓縮空氣( 用此代替氧化性氣氛)。對于溫度設置, 預熱階段: 首先以 50e / min 升至 200 e , 恒溫 2 min( 預熱機器) , 然后以 150 e / min 升至 900 e , 恒溫 2 min(為了減小樣品內外溫差); 燃燒階段: 首先以 70 e /min 升至 1 250 e , 恒溫 3 min; 成礦階段: 首先以- 70 e / min 降至 1 000 e , 恒溫 2 min, 然后以- 200 e / min 降至室溫。

全仿真微型燒結不僅可以避免冷料階段,對燒結各個階段的溫度和氣氛進行精確模擬,而且可以避免取樣不均的問題。因為理想狀態時焦粉幾乎是均勻分布于燒結杯料層中, 故可近似地認為, 燒結過程是無數個局部小單元的組合。但實際操作時, 可能存在焦粉不均勻的現象, 故多次所取的樣品可能存在不一致現象。

而本實驗所用試樣是直徑 7 mm, 厚不大于 315mm 的柱狀小餅, 每個柱狀小餅就相當于燒結料中被焦粉包圍的一個小單元, 由于小餅粒度非常靠近焦粉顆粒間的平均距離, 故避免了上述問題。基于以上分析可知, 全仿真微型燒結法不僅可以完全模擬燒結杯實驗, 而且可以避免一些燒結杯實驗無法避免的問題, 故可用其代替燒結杯實驗對實際生產進行研究。

3 實驗過程

根據現場條件及實驗實際情況計算原料、熔劑的配比; 將所用的物料均磨至 200 目以下,然后按照配比進行混料; 利用壓片機將混合料壓成直徑 7 mm, 厚不大于 315 mm 的柱狀小餅。將試樣放入特制的鉑金坩堝中, 再將坩堝放入加熱爐進行燒結。

通過上述原理分析可知, 實際燒結料層中溫度的分布是一個由低溫逐漸到高溫, 再由高溫迅速下降的過程, 而最高溫度出現在燃燒層,具體控溫曲線如圖 2 所示。燒結過程宏觀上是氧化性氣氛, 但微觀上還存在有還原性氣氛。

本實驗中, 用壓縮空氣代替 CO2作氧化性氣體;因為 N2在高溫下具有還原性, 故用其代替 CO作還原性氣體。燒結過程中氣氛和溫度緊密相連, 由廢氣成分變化可知, 燒結過程是先氧化后還原的過程, 燃燒終點即溫度最高點是氧化與還原的分界點, 故在溫度達到最高點( 1 250 e恒溫過程的中點)以前通 N2, 之后通壓縮空氣。

4 燒結產物與燒結杯實驗產物對比

在相同配料方案下, 通過全仿真微型燒結法和燒結杯實驗法制備出燒結產物, 經處理后用掃描電鏡觀察其微觀形貌。由圖 3 可知, 由燒結杯得到的燒結礦微觀結構為共晶結構, 主要礦物組織為粒度較小但邊界清晰的致密型殘存赤鐵礦、晶粒細小棱角融成渾圓狀的熔融型磁鐵礦及針狀鐵酸鈣等; 微型燒結法的燒結礦微觀結構同樣為共晶結構, 由圖 4 可看出, 其礦物組織同樣是晶粒細小棱角融成渾圓狀的熔融型磁鐵礦、針狀鐵酸鈣和粒度較小但邊界清晰的致密型殘存赤鐵礦[ 10~ 12]。

為了準確判斷兩種燒結法產物的具體礦物組成, 進行了 X 射線衍射(XRD) 實驗, 其結果經處理后示于圖 5、圖 6。由圖可以看出, 二者燒結產物的微觀結構基本一致, 且主要礦物相都為磁鐵礦(Fe3O4) 、赤鐵礦( Fe2O3) ; 主要粘結相都為鈣鐵橄欖石(CaO#FeO#SiO2) 、鐵酸鈣 ( CaO#Fe2O3) 。

5 結 論

通過對比全仿真微型燒結法和燒結杯實驗可以得出, 二者燒結產物的微觀結構基本一致,且其主要礦物相和主要粘結相也相同。因此,全仿真微型燒結法可以替代燒結杯實驗進行燒結研究。

參考文獻

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