球团矿矿相结构特征及其对冶金性能的影响

赵喆，韩秀丽，刘磊，张玓，白冬冬，周祥

(1.华北理工大学 冶金与能源学院，河北 唐山 063210；2.华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063210)

就球团矿而言，其本身具有粒度均匀、含铁品位高、堆密度大及还原性良好等优点，诸多优点促使其成为了我国炼铁生产的主要入炉原料之一[1]。球团矿作为一种人造岩矿，其内部的矿物种类、晶粒大小、分布特征及显微结构与冶金性能之间关系密切[2，3]。目前现有的研究大部分是从原料的化学成分、配料比例来衡量球团矿的质量[4]，对球团矿的矿相结构与其冶金性能之间的定量分析较少。因此，本实验针对普通球团矿的矿物特点，深入分析其显微结构，进而探讨球团矿的矿相结构对其冶金性能的影响规律[5]。旨在为提高球团矿质量和改善相关工艺条件，提出有效措施的理论依据。

1 样品理化性能及实验方法

实验所用2种球团矿由国内某钢铁公司提供，均为磁铁矿型球团矿，2种球团矿化学成分相似、碱度相近(见表1)，并取典型试样进行矿相结构鉴定与冶金性能实验[6，7]。2种球团矿的手标本(见图1)，物理性质差异较大：1#球团矿粒度相对较大，平均粒径1.6 cm，样品铁黑色(稍带红色)，不污手。2#球团矿粒径相对较小，平均粒径1.2 cm，样品棕红色，表面含有大量粉末状赤铁矿，污手。从手标本来看，2#球团矿较1#球团焙烧氧化更为彻底，外观显示为赤铁矿的棕红色。

表1 球团矿化学成分/(质量分数，%)

图1 球团矿手标本

矿相结构鉴定：对2种球团矿试样分别采用环氧树脂进行铸型、研磨、抛光制成光薄片，并利用德国蔡司透/反两用Axioskop 40A pol研究型偏光显微镜进行矿相结构观测。

冶金性能测试：球团矿抗压强度根据国家标准GB/T14201-93测定；还原性参照国家标准GB/T13241-91测定。

2 研究结果及分析

2.1 矿物组成分析

在偏光显微镜下采用目估法对球团矿矿物组成进行定量分析[8，9]，可以看出，2种球团矿矿物具有组成简单、种类相似、含量不同的特点(见表2)。1#球团矿的内外两带矿物组成出现了规律性变化，外部带以赤铁矿和石英为主，内部带磁铁矿大量出现，并有少量玻璃质出现。2#球团矿的矿物组成类似于1#球团矿的外部带，仅见大量赤铁矿、石英及少量磁铁矿。1#球团矿的气孔率高，多呈较大浑圆状；2#球团矿气孔率较低，气孔多微小，且连通性差。

表2 普通球团矿的矿物组成及含量/%

XRD分析图谱表明(见图2)，1#球团矿的组成矿物主要为赤铁矿和磁铁矿，含量差别较大，赤铁矿矿物的峰强较高，峰形较尖锐，磁铁矿矿物的峰强较弱，说明了赤铁矿矿物的相对含量高于磁铁矿矿物，且赤铁矿矿物的结晶程度比较好。

衍射图谱进一步表明两者赤铁矿含量相差不大，但2#球团矿石英矿物峰强略高于前者，在成矿时还原性气体的反应程度低于1#球团矿，阻碍还原反应的进行。且2#球团矿衍射谱图杂质峰较多，时效处理后的试样同样具有杂质峰的趋势，即相对于1#球团矿，2#球团矿的结晶程度较弱。检测分析结果与镜下鉴定具有一致性，主要的组成矿物均能一一对应。

图2 球团矿X射线衍射谱图

2.2 显微结构特征分析

为更加具体描述2种球团矿的显微结构差异特征，特从结构均匀度、矿物晶形、胶结方式等方面进行了细致的分析(见图3)。

图3 球团矿差异特征影响对比

(1)结构均匀度：1#球团矿具有内带-外带双层分带结构，其中外部带直径1.8 cm，内部带直径为0.8 cm。如图4(c)内外带分界处均可见同心裂纹，这是由于加热较快或样品粒度较大所致。2#球团矿分带现象不明显，虽然其分带现象不明显，但相对1#球团矿结构较疏松，推测在1100 ℃温度以上焙烧时，局部区域的板状Fe2O3表面收缩不明显，出现的渣相无法充填于这些颗粒之间，使得球团中板状Fe2O3生长胶结不充分，最终无法形成一个牢固的骨架见图4(d)。

(2)矿物结晶状态：1#球团矿整体的矿物粒径较大，外部带中多为粗大的再结晶赤铁矿，粒径，50～100 μm。内部带中的赤铁矿多呈不规则状出现与磁铁矿中，表现为磁铁矿的不完全氧化。2#球团矿整体的矿物粒径较小，赤铁矿多为细小状出现，粒径30～70 μm。两者石英晶形、含量差别较大，1#球团矿石英含量较低，且粒度较小，为30～60 μm；2#球团矿石英含量较高，粒度粗大，为50～100 μm。两者都出现大颗粒石英，为150～300 μm。

(3)胶结方式及晶键发育度：2种球团矿均以赤铁矿再结晶晶键为主要胶结方式，1#球团矿的内部带出现了少量的玻璃相胶结。1#再结晶晶键比2#发育更加完全，外部带的晶键要比内部带的键桥发育明显。1#球团在高温焙烧过程中Fe2O3部分分解形成Fe3O4，当生球中含有CaO时，产生化合物，其熔点低，是一种良好的固结形式；但2#球团由于混料结构问题，Fe2O3受到SiO2的作用产生2FeO·SiO2难于结晶，最终固结形式差于1#球团矿。

(4)形成过程对比：1#磁铁矿生球在氧化气氛中焙烧时，磁铁矿晶粒的表面被氧化，生成Fe2O3微晶，氧化成的Fe2O3微晶再结晶，使相互隔开的微晶长大，随后生成紧密连成一片的赤铁矿晶体。内带氧化不充分，形成磁铁矿和赤铁矿共存的现象；2#球团矿相较1#来讲，粒度较小，焙烧氧化也就更加彻底，因此主要以赤铁矿再结晶反应为主(仅在核部见少量残余磁铁矿)见图4(e)，也就无分带结构，由于其生球尺寸小于1#球团矿，可认为球团的先天质量在一定程度上影响到还原膨胀性能，可能成为涉及到影响质量原因的主导因素，导致球团结构疏松，因此应严格控制球团配料混料阶段。

图4 显微结构

综上所述，1#球团矿晶键发育良好，矿物晶形完整粗大，结构致密，说明在成球过程中，其原料精粉相较于2#可以有效改善并提高颗粒间的毛细力，提高母球的长大速度，因此配加1#球团精粉可以优化球团矿的成球特性；而2#球团矿晶键发育不全，矿物粒度细小，结构相对疏松，并且从矿相图可以看出，没有被氧化的磁铁矿和氧化生成的赤铁矿有明显的界限，说明氧化比较彻底，内外氧化均充分，但形成颗粒较小，在母球滚动过程中对物料的吸附力较弱，因此需改善其混料结构，使颗粒相吸附、靠近，结构致密化，有利于球团矿抗压强度的提高。

2.3 不同球团矿矿相结构对其冶金性能的影响

球团矿冶金性能的好坏是其矿相结构差异的外在表征[10，11]，给出了2种球团矿的各项冶金性能指标(见表3)，1#球团矿优于2#球团矿。分析认为：

球团矿的还原性主要是由气孔率和矿物自身的还原性所决定，1#球团矿以大气孔为主，气孔率达20%～25%，各气孔间多连通；2#球团矿气孔较小，气孔率为10%～20%，气孔分布较为封闭。气孔率越高，连通性越大，则还原性越好。同时，2#球团矿石英颗粒较大，且多充填于孔隙之中，阻碍了还原性气体的通入，两者赤铁矿含量相差不大。1#球团虽有分带结构，但在大部分区域都保持着生球的不规则气孔形状，透气性高；2#球团生球尺寸较小，球团的先天质量在一定程度上影响其还原膨胀性能，再加上混料结构问题，使气孔更加封闭，说明在生球处理及混料结构上的影响比在热制度上的影响更加明显，这也许会成为球团矿在还原性对比中的关键影响因素。

抗压强度2#球团矿略差于1#球团矿，究其原因，有以下两点：(1)晶键的发育度，1#球团矿中晶键的发育度远远大于2#球团矿晶键的发育度；(2)赤铁矿的晶形，1#球团矿相较2#球团矿晶形粗大，同时1#球团矿中各矿物的分布更为致密。2种抗压强度的对比，验证了精矿中的脉石矿物成分、生球尺寸这些使颗粒相吸附、靠近，结构致密化的因素，相较于热制度的影响，更不利于球团矿抗压强度的提高，且可能会成为影响最终球团质量的主导条件。

表3 不同球团矿还原性和抗压强度对比

3 结论

(1)2种球团矿矿物组成相同，均主要为赤铁矿，少部分由石英、磁铁矿所组成。显微结构差异性明显，1#球团矿分为内外两带双层结构，2#球团矿无分带、结构较疏松，在热制度上对1#影响较大。

(2)1#球团矿晶键发育更加完全，各矿物晶型较大。相较之下，2#球团矿晶键发育不完全，各矿物晶形较小，在生球尺寸及混料上1#球团矿控制更加严格。因此，1#球团矿抗压强度优于2#球团矿。

(3)2#球团矿的还原性略差于1#球团矿，这是由于1#球团矿以大气孔为主，气孔率达20%～25%，各气孔间多连通。2#球团矿气孔较小，气孔率为10%～20%，气孔分布较为封闭。气孔率越高，连通性越大，则还原性越好。

(4)在焙烧时，应适当减小1#球团矿的粒度，增加焙烧时间，以避免双层分带结构的出现。对于2#球团矿，应改善混料结构，以促进赤铁矿再结晶晶键的发育，并减少大颗粒石英的存在，保证球团矿结构的致密性和具有一定的抗压强度。两种球团矿在生球处理及混料结构上的影响比在热制度上的影响更加明显，这可能会成为球团矿在还原性及抗压强度对比中的关键影响因素。