劉青1, 張慶軍2, 張玉柱1, 馬雪剛2, 桑蓉櫟2
( 11 河北聯(lián)合大學(xué) 冶金與能源學(xué)院, 河北 唐山 063000; 21 河北聯(lián)合大學(xué) 分析測(cè)試中心, 河北 唐山 063009)
摘 要: 全仿真微型燒結(jié)法具有能精確模擬燒結(jié)各階段溫度和氣氛的特點(diǎn), 同時(shí)可避免冷料階段和取樣不均等問題; 其燒結(jié)產(chǎn)物與燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物對(duì)比, 二者的微觀結(jié)構(gòu)基本一致, 主要礦物相和主要粘結(jié)相也相同。因此, 可用其代替燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)進(jìn)行燒結(jié)研究。
關(guān)鍵詞: 燒結(jié)研究; 燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn); 全仿真微型燒結(jié)法
1 前 言
隨著燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展, 對(duì)燒結(jié)機(jī)理的研究越來越深入, 采用傳統(tǒng)的燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)方法不僅所需時(shí)間長、消耗材料多而且費(fèi)用高, 已經(jīng)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(jié)機(jī)理研究的試驗(yàn)方法。小型微型燒結(jié)實(shí)驗(yàn)因具備快速模擬燒結(jié)過程及彌補(bǔ)了布料偏析等特點(diǎn), 更適合于燒結(jié)機(jī)理的研究, 而被廣泛應(yīng)用[ 2~ 4]。目前, 微型燒結(jié)實(shí)驗(yàn)的方法有許多, 但都因溫度和氣氛無法精準(zhǔn)控制,很難對(duì)實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行真實(shí)模擬。研究發(fā)現(xiàn)[ 5],日本 LASERTEC 公司發(fā)明研制的高溫共聚焦激光掃描顯微鏡, 不僅可以對(duì)燒結(jié)過程的溫度和氣氛進(jìn)行精確控制, 而且可以對(duì)燒結(jié)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)錄像, 非常適合燒結(jié)機(jī)理研究。利用此顯微鏡來進(jìn)行燒結(jié)研究的方法稱為全仿真微型燒結(jié)法。本文在介紹該方法的基礎(chǔ)上, 將其與燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比。
2 全仿真微型燒結(jié)法
全仿真微型燒結(jié)法是根據(jù)解剖燒結(jié)過程中溫度、氣氛和生成物而設(shè)計(jì)的一種燒結(jié)固結(jié)機(jī)理的研究方法。該方法能在設(shè)定速度的前提下控制加熱、恒溫和冷卻時(shí)間, 故能模擬燒結(jié)機(jī)上的溫度制度, 同時(shí)可以通過隨時(shí)切換不同的通入氣體來控制氣氛。它與燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)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?qū)Y(jié)礦進(jìn)行有針對(duì)性的單一因素分析, 因此更適合于燒結(jié)機(jī)理的研究[6]。
全仿真微型燒結(jié)法的主要實(shí)驗(yàn)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(dú)特的紅外集光加熱( Image heating) 方式, 升降溫速度快、試樣受熱區(qū)域溫度均衡, 同時(shí)升降溫過程可由程序控制, 任意設(shè)定, 而且對(duì)爐內(nèi)氣氛沒有任何要求。此系統(tǒng)還配備有功能強(qiáng)大的軟件系統(tǒng), 可滿足操作、分析的各種需求, 加熱爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)進(jìn)行試驗(yàn), 且不需對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)處理。
實(shí)際上, 燒結(jié)過程是分層進(jìn)行的, 在最上層點(diǎn)火, 同時(shí)在爐底抽風(fēng)。對(duì)于最上層來說, 只存在兩個(gè)階段, 即燃燒階段和成礦階段; 但對(duì)于下部的料層來說則存在四個(gè)階段: 冷料、預(yù)熱、燃燒及成礦。成礦階段主要發(fā)生液相凝結(jié)、礦物析晶等反應(yīng), 由于上部抽入冷空氣, 被預(yù)熱的同時(shí)燒結(jié)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(dá)到最高點(diǎn), 燃料周圍發(fā)生液相熔融及高溫物理化學(xué)反應(yīng), 隨著燃料的逐漸減少, 氣氛會(huì)由還原性氣氛逐步變?yōu)橹行浴⒀趸詺夥?/font>( 分界點(diǎn)為溫度最高點(diǎn)) ; 干燥預(yù)熱階段溫度緩慢上升, 主要發(fā)生水分蒸發(fā)、結(jié)晶水分解及石灰石分解等反應(yīng), 由于產(chǎn)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(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)。
由以上分析可知, 燒結(jié)過程溫度和氣氛的分布狀況明顯地影響著燒結(jié)礦的形態(tài)及其物理特性與還原特性。因此, 全仿真微型燒結(jié)法的模擬重點(diǎn)是如何控制燒結(jié)過程溫度與氣氛對(duì)礦物組織結(jié)構(gòu)的影響。
由于全仿真微型燒結(jié)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(duì)燒結(jié)透氣性的影響。全仿真微型燒結(jié)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?cè)鲈O(shè)了恒溫階段, 這樣升溫曲線分為升溫、恒溫、降溫三個(gè)階段。為了對(duì)燒結(jié)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行完全模擬, 針對(duì)以上三個(gè)階段做如下設(shè)定[ 7]:據(jù)資料表明, 燒結(jié)實(shí)驗(yàn)的最高溫度以 1 250e 為宜, 大于 1 250 e 時(shí), 主要粘結(jié)相鐵酸鈣會(huì)分解, 對(duì)成礦強(qiáng)度有較大影響[8, 9], 故實(shí)驗(yàn)的最高溫度設(shè)為 1 250 e 。氣氛設(shè)置如前文所分析,1 250 e 之前通入 N2( 代替還原氣氛) , 溫度達(dá)到1 250 e 最高點(diǎn)后改通壓縮空氣( 用此代替氧化性氣氛)。對(duì)于溫度設(shè)置, 預(yù)熱階段: 首先以 50e / min 升至 200 e , 恒溫 2 min( 預(yù)熱機(jī)器) , 然后以 150 e / min 升至 900 e , 恒溫 2 min(為了減小樣品內(nèi)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(jié)不僅可以避免冷料階段,對(duì)燒結(jié)各個(gè)階段的溫度和氣氛進(jìn)行精確模擬,而且可以避免取樣不均的問題。因?yàn)槔硐霠顟B(tài)時(shí)焦粉幾乎是均勻分布于燒結(jié)杯料層中, 故可近似地認(rèn)為, 燒結(jié)過程是無數(shù)個(gè)局部小單元的組合。但實(shí)際操作時(shí), 可能存在焦粉不均勻的現(xiàn)象, 故多次所取的樣品可能存在不一致現(xiàn)象。
而本實(shí)驗(yàn)所用試樣是直徑 7 mm, 厚不大于 315mm 的柱狀小餅, 每個(gè)柱狀小餅就相當(dāng)于燒結(jié)料中被焦粉包圍的一個(gè)小單元, 由于小餅粒度非?？拷狗垲w粒間的平均距離, 故避免了上述問題?；谝陨戏治隹芍?/font>, 全仿真微型燒結(jié)法不僅可以完全模擬燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn), 而且可以避免一些燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)無法避免的問題, 故可用其代替燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行研究。
3 實(shí)驗(yàn)過程
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件及實(shí)驗(yàn)實(shí)際情況計(jì)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(jìn)行混料; 利用壓片機(jī)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(jìn)行燒結(jié)。
通過上述原理分析可知, 實(shí)際燒結(jié)料層中溫度的分布是一個(gè)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(xiàn)在燃燒層,具體控溫曲線如圖 2 所示。燒結(jié)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(shí)驗(yàn)中, 用壓縮空氣代替 CO2作氧化性氣體;因?yàn)?nbsp;N2在高溫下具有還原性, 故用其代替 CO作還原性氣體。燒結(jié)過程中氣氛和溫度緊密相連, 由廢氣成分變化可知, 燒結(jié)過程是先氧化后還原的過程, 燃燒終點(diǎn)即溫度最高點(diǎn)是氧化與還原的分界點(diǎn), 故在溫度達(dá)到最高點(diǎn)( 1 250 e恒溫過程的中點(diǎn))以前通 N2, 之后通壓縮空氣。
4 燒結(jié)產(chǎn)物與燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物對(duì)比
在相同配料方案下, 通過全仿真微型燒結(jié)法和燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)法制備出燒結(jié)產(chǎn)物, 經(jīng)處理后用掃描電鏡觀察其微觀形貌。由圖 3 可知, 由燒結(jié)杯得到的燒結(jié)礦微觀結(jié)構(gòu)為共晶結(jié)構(gòu), 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(xì)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(jié)法的燒結(jié)礦微觀結(jié)構(gòu)同樣為共晶結(jié)構(gòu), 由圖 4 可看出, 其礦物組織同樣是晶粒細(xì)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(zhǔn)確判斷兩種燒結(jié)法產(chǎn)物的具體礦物組成, 進(jìn)行了 X 射線衍射(XRD) 實(shí)驗(yàn), 其結(jié)果經(jīng)處理后示于圖 5、圖 6。由圖可以看出, 二者燒結(jié)產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)基本一致, 且主要礦物相都為磁鐵礦(Fe3O4) 、赤鐵礦( Fe2O3) ; 主要粘結(jié)相都為鈣鐵橄欖石(CaO#FeO#SiO2) 、鐵酸鈣 ( CaO#Fe2O3) 。
5 結(jié) 論
通過對(duì)比全仿真微型燒結(jié)法和燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)可以得出, 二者燒結(jié)產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)基本一致,且其主要礦物相和主要粘結(jié)相也相同。因此,全仿真微型燒結(jié)法可以替代燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)進(jìn)行燒結(jié)研究。
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