铁矿石溶解与烧结熔体流动行为机理
翟晓波1，郑军1，王刚1，邹忠平1，周恒2
(1. 中冶赛迪工程技术股份有限公司低碳技术研究院， 重庆 401122；2. 北京科技大学冶金与生态工程学院， 北京 100083)
摘要：在铁矿石烧结过程中，铁矿石部分溶解于烧结熔体，直接影响熔体的性质，进而影响烧结矿的黏结。为了明晰铁矿石与烧结熔体的相互作用，采用化学纯试剂煅烧法制备以Ca3.6Fe14.4O25.2和CaFe2O4矿物为主的铁酸钙系黏附粉。以7种核心铁矿石-铁酸钙系(w(CaO)=15%)黏附粉构成烧结偶为主要研究对象，采用实验室烧结方法，研究了核矿石溶解与烧结熔体流动行为。在此基础上，使用化学纯试剂模拟核矿石的化学组成，考察了核矿石SiO2、Al2O3含量对熔体横向流动面积和核矿石溶解指数的影响规律及机理。结果表明，在核矿石溶解于CaO-Fe2O3液相后，形成了交互层区域。核矿石中矿物，尤其是石英，溶解进入熔体，在靠近熔体一侧促使生成复杂CaO-Fe2O3系液相，而在靠近核矿石一侧促使简单CaO-Fe2O3系液相转变为CaO-Fe2O3-SiO2系液相。靠近熔体一侧析出以铁酸钙系和赤铁矿为主的矿物，而靠近核矿石一侧析出以硅酸盐和赤铁矿为主的矿物。随着核矿石SiO2含量的增加，一方面，使得溶解进入熔体中的SiO2数量增加，溶解指数得到提升；另一方面，提升了简单CaO-Fe2O3系液相的黏度，从而使得熔体横向流动面积减小。随着核矿石Al2O3含量的增加，溶解进入熔体中的Al2O3数量增加，进而熔体横向流动面积降低，而核矿石溶解指数升高。Al2O3相较于SiO2对核矿石溶解与熔体流动行为的影响更大。
关键词：铁矿石； 烧结； 熔体； 溶解； 流动
1 引言
在铁矿粉烧结过程中，随着料层温度的升高，黏附粉层中产生的熔体与其近邻的核心铁矿石(核矿石)不可避免地发生化学反应，即核矿石溶解于烧结熔体，使得熔体原有的性质发生了变化，即熔体中液相比例减少、熔体黏度增加，进而大大降低了熔体的流动能力，导致熔体对其他准颗粒的黏结作用随之大幅减弱。
Okazaki J等率先以铁酸钙系为黏附粉、粉矿压块为核，将黏附粉置于核矿石上表面进行了熔体与核矿石反应的研究，并考察了核矿石的表观形貌和化学成分对渗透深度的影响。后续研究者发现了豆状矿和高磷矿等褐铁矿对熔体流动行为的抑制影响。Okazaki J等基于真实矿石试验认为SiO2和Al2O3与熔体的渗透深度存在较好的线性负相关关系，而WU S等未在真实矿石试验中发现该现象，反而通过纯试剂简化模拟矿石试验(Fe2O3混合SiO2或Al2O3)发现了SiO2与熔体渗透深度的二元曲线局部负相关关系、Al2O3与熔体渗透深度的线性负相关关系。然而，上述研究中，熔体均位于核矿石上方，熔体本身的重力影响了熔体的渗透和流动。此外，上述研究者使用的真实核矿石的脉石含量同时变化，掩盖了单因素对烧结熔体流动和渗透的作用，抑或使用纯试剂而未能考虑铁矿石中的其他主要成分。
研究者采用制粒的方法研究核矿石溶解对烧结熔体行为的影响。Otomo T等研究发现，核矿石的同化速率是其脱水后气孔率和保温时间的函数，核矿石的直径和密度影响了熔体中的固相比。Wang Z等研究了氧化性气氛和还原性气氛下含钛新西兰铁矿砂颗粒与烧结熔体的反应机理。Ware N等研究发现颗粒尺寸、温度、核矿石中矿物是影响核矿石与熔体反应的主要因素。
研究者还将核矿石简化为纯物质或单一物质，以减少试验复杂性。文献从铁酸钙液相在赤铁矿核和磁铁矿核上的润湿行为入手研究烧结熔体与核的反应；文献研究了铁酸钙液相在脉石Al2O3、MgO、SiO2、TiO2基底上的渗透和润湿行为。此外，文献研究了以烧结返矿为核的熔体渗透行为。
综上所述，尽管核矿石与烧结熔体的交互作用得到了诸多研究者的关注，但是核矿石与黏附粉的相对位置、核矿石中脉石成分单因素等的影响仍未见报道。
从实际烧结生产中抽象出核矿石与烧结熔体交互作用的物理模型，核矿石与黏附粉的相对位置分为两种，即黏附粉位于核矿石上方和核矿石位于黏附粉上方。当黏附粉位于核矿石上表面时，不但高温下产生的熔体向四周流动，而且核矿石向熔体中溶解。因此，烧结熔体的纵向渗透深度，不但受到熔体与核矿石交互作用的影响，而且不可避免地受到熔体自身重力的影响。反之，当黏附粉位于核矿石下表面时，核矿石向熔体中的溶解，即熔体与核矿石间的交互作用，并未受到熔体本身重力的影响。
因此，在本文中，以不同种类核矿石柱状体和铁酸钙系(w(CaO)=15%)黏附粉柱状体组成的烧结偶(黏附粉柱状体置于下方)为研究对象，采用烧结试验方法，研究核心铁矿石溶解与烧结熔体流动行为。在此基础上，使用化学分析纯试剂模拟核矿石化学组成，研究核矿石脉石成分对上述行为的影响规律及其机理。根据文献研究结果，烧结熔体中的主要液相为CaO-Fe2O3系，因此本文将仅含CaO和Fe2O3两种成分于高温下生成的液相称为简单CaO-Fe2O3系液相，而将溶解有少量SiO2、Al2O3等脉石成分的CaO-Fe2O3系液相称为复杂CaO-Fe2O3系液相。
2 精选图表
3 结论
(1)在核矿石溶解于CaO-Fe2O3液相后，形成了交互层区域。在靠近熔体一侧促使生成复杂CaO-Fe2O3系液相，而在靠近核矿石一侧促使简单CaO-Fe2O3系液相转变为CaO-Fe2O3-SiO2系液相。
(2)随着核矿石SiO2含量的增加，一方面，使得溶解进入熔体中的SiO2含量增加，溶解指数得到提升；另一方面，提升了简单CaO-Fe2O3系液相的黏度，从而使得熔体横向流动面积减小。
(3)随着核矿石Al2O3含量的增加，使得溶解进入熔体中的Al2O3含量增加，进而熔体横向流动面积降低，而核矿石溶解指数升高。Al2O3含量对核矿石溶解与熔体流动行为的影响大于SiO2含量的影响。
