MgO在烧结矿中分布规律的研究

邓 涛 胡长庆

( 河北联合大学，河北省现代冶金技术重点实验室)

0 引言

随着烧结原料的变化和烧结技术的发展，MgO对烧结矿的质量和冶金性能的影响也越发受到重视。在传统的烧结理论和烧结实验中，烧结矿中的MgO 都给予了积极评价。即对于烧结而言，可以减轻烧结矿自然粉化现象，改善烧结矿低温还原粉化性能，提高烧结矿软熔温度等;同时在高炉冶炼过程中，可以改善炉渣冶金性能，有利于低硫低硅生铁冶炼等［1］。

但是随着烧结技术的发展和高炉精料冶炼技术的进步，以前烧结矿的软熔性能差，易粉化的情况，随着烧结碱度的提高，而得到改善，所以烧结矿中添加过多的MgO 会对烧结矿冶金性能产生负面影响。因此，在烧结矿中寻求合理的MgO 含量是现在钢铁企业迫切需要解决的问题。

1 研究方法

针对烧结矿中合理MgO 含量的问题，已经有很多人在从事这方面的研究，然而大多数是从烧结工艺层面和烧结矿冶金性能来探讨的，对于MgO 是如何影响烧结矿冶金性能内在机理探讨比较少，特别是MgO 在不同的条件下在烧结矿中的赋存状态不是很详细。

通过烧结试验探讨不同的烧结条件下MgO 在烧结试样中的赋存状态，分析MgO 在整个烧结过程中的成矿机理，为以后的烧结配矿提供理论依据。通过化学纯试剂代替烧结矿来配制不同的碱度，不同Al2O3含量，不同烧结温度的烧结试样，然后通过烧结杯进行烧结，在达到烧结要求后进行试样的性能检测，得出不同烧结条件下MgO 烧结试样中的分布规律。

2 烧结试验

2．1 试验原料

通过对现场取样进行化学全分析，本实验采用化学纯试剂按实际比例配制相同组成的烧结原料，选用化学的纯试剂，包括Fe3O4，CaCO3，MgO，SiO2，Al2O3等，由于CaO 在空气中极易吸水影响称量精度，因此试样选择CaCO3。试样配置方案见表1。

2．2 试样制备

实验采用加热设备为高温电阻炉，发热体为二硅化钼，最高使用温度为1700 ℃，可通保护气。将按试验要求配置好的试剂称量后放入研钵，加酒精研磨30 min，待酒精挥发完毕后，装入密封袋内备用。取30 g 混合好的原料加入到刚玉坩埚内，连同坩埚一起放入管式电阻炉的恒温区，按照设定的温度加热制度进行保温。实验结束后，迅速将坩埚取出放入水中急冷，然后取出并破碎至200 目以下，进行X 衍射分析。

表1 试样配置方案

2．3 性能检测

将破碎至－200 目的试样粉末取1．8 g 放到D/MAX2500PC 衍射仪上进行X 射线衍射实验。衍射条件为CuKA 辐射，以2 °/min 进行扫描，扫描范围15 ° ～65 °，把衍射结果输入计算机。根据XRD 内标法，标准矿物数据库和XRD －QAMS 定量分析软件，计算出烧结试样中铁酸钙的含量。

2．4 试验结果

通过烧结试验和X 射线衍射分析，得出了MgO在不同的碱度，不同Al2O3含量，不同烧结温度下分布机理。碱度的变化对MgO 在烧结试样中分布影响较大，而温度的变化使得MgO 在烧结过程中发生不同的反应，形成不同的化合物，Al2O3含量变化将影响MgO 在复合铁酸钙中含量的变化。

3 分析讨论

3．1 MgO 随碱度的变化在烧结矿中的分布规律

当烧结矿碱度低于1．4 以下时，镁进入橄榄石形成铁硅酸盐粘合剂，取代铁，形成Ca( Mg，Fe) SiO4固溶体，橄榄石相组织中FeO 被MgO 代替，渣熔体的铁含量减少，而使其Fe2O3含量增加，从而促进烧结矿还原性提高［2］。

当烧结矿碱度达到1．4 以上时，其矿物成分较为复杂，通过矿相分析，烧结矿矿物组成由磁铁矿、铝硅铁酸钙、硅酸二钙及玻璃相等组成。

通过1#、2#、3#、4#实验方案研究碱度变化对烧结试样中MgO 分布规律的影响，运用X 射线能谱分析，得出MgO 在烧结矿中的分布随着碱度变化的规律［3］。MgO 在不同碱度烧结试样中的体积分数见表2。

由表2 可以看出，在低碱度烧结试样中，MgO主要分布在磁铁矿中，在高碱度烧结矿中MgO 在磁铁矿分布减少，在复合铁酸钙中的含量增加，正硅酸钙含量有微量变化，而玻璃相含量逐步减少。

表2 MgO 在不同碱度烧结试样中的体积分数

造成这一变化规律的原因是，在高碱度烧结矿中，大部分镁存在于磁铁矿的晶格里，二价铁被镁所代替，使部分磁铁矿变成( Fe，Mg) O·Fe2O3，这是一种含铁量很少且熔点很高的矿物相。所以在高碱度烧结矿中，磁铁矿的含量会下降。同时高碱度烧结矿中含有较多的CaO 会大量固溶于磁铁矿中，与SiO2和Al2O3等形成硅酸盐液相，在高温和氧化气氛条件下，大量磁铁矿被氧化形成赤铁矿后与硅酸二钙形成铁酸钙，在铁酸钙液相形成的过程会大量固溶MgO 使得镁离子进入到铁酸钙晶格。

铁酸钙和正硅酸钙的形成机理表明，这两种混合物生成是在争夺CaO 的过程，由于MgO 的存在可以明显降低烧结矿粘结相的粘度，使其流动性变好，有利于液相中的Ca2+向Fe3O4氧化成的Fe2O3扩散，增加了铁氧化物与CaO 的接触几率，使得铁酸钙易于生成，因此，铁酸钙的含量增多，而正硅酸钙含量必定减少，在这过程中Mg2+同时也会取代正硅酸钙中的Ca2+形成钙镁橄榄石，所以碱度的变化使得MgO 在正硅酸钙中的含量没有多大变化。

按照玻璃相的结构来说，SiO2是其结构的形成体，CaO 在玻璃体中起修改作用，MgO 为其结构的中间体，所以碱度提高，烧结矿中玻璃体将减少，同样MgO 在玻璃体中溶解也会减少，因此随着碱度的提高玻璃体中MgO 含量将逐渐减少。

研究表明:低碱度时MgO 进入橄榄石形成铁硅酸盐粘合剂，主要赋存在磁铁矿晶格中，而在高碱度条件下，部分进入到磁铁矿晶格内，部分进入到复合铁酸钙中。

3．2 MgO 随温度变化在烧结试样中的分布规律

烧结试样中的CaO 是以石灰石的形式加入的，而石灰石将在加热过程中发生吸热分解反应［4］，经过热分解使石灰石转化为CaO 并放出CO2气体。CaO 产生以后，为烧结试样中有一定量的溶剂，随着温度的变化烧结试样中各成分将发生反应。本实验通过选择5#方案分别在950 ℃，1250 ℃，1350 ℃实验条件下进行烧结试验，根据XRD 射线能谱分析，表明烧结过程中试样存在固相反应、固液反应、液相反应等几个步骤。不同烧结试样中MgO 分布规律见表3。

表3 不同温度条件下MgO 在烧结试样中分布规律

由表3 可以看出，950 ℃的反应条件下主要是固相反应，固相反应由离子的扩散作用引起的，反应的温度范围较大。但在烧结过程中固相反应占据着重要的作用，固相反应形成的低熔点物质对液相的形成非常重要［5］。可以看出MgO 主要分布在SiO2，Al2O3，Fe2O3中并形成化合物。

随着温度升高到1250 ℃时出现固液反应，理论上最初的液相在CaO． Fe2O3( CF) 和CaO． 2Fe2O3( CF2) 共晶点1205 ℃。液相的出现使得CaO、MgO和Fe2O3的固固反应转变成固液反应。因为固液间的扩散反应速度远大于固固反应，这促使了CaO、MgO 和Fe2O3间反应的进一步进行。

在烧结液相生成同时，MgO 也与烧结矿中CaO，SiO2，等发生反应生成钙镁橄榄石、镁黄长石、镁蔷薇辉石等一些混合物，这些物质的生成在一定程度上影响烧结矿的冶金性能。

可以看出MgO 烧结过程中，有固相反应、固液反应、液相反应。这几大反应基本可以表明MgO 在烧结矿中存在的状态。为以后的烧结工艺提供理论依据。

3．3 MgO 随烧结矿中Al2O3 含量变化的分布规律

Al2O3含量的提高将引起烧结矿低温还原粉化性能的恶化，为了改善烧结矿冶金性能，通过加入一定量的MgO 熔剂可以改善Al2O3带来的不利影响［6］。选择6#、7#、8#试验方案在1300 ℃进行烧结试验，通过X 射线能谱分析，其结果见表4。

表4 不同Al2O3 含量条件下MgO 在烧结试样中分布体积分数

目前烧结理论认为，烧结矿中主要的的成分是钙铝硅铁酸盐( SFCA) ，这是由于在烧结液相形成过程中，首先CaO 与赤铁矿反应生成铁酸钙，铁酸钙超过1250 ℃形成最初的液相，这时铁酸钙和少量的SiO2、Al2O3形成一种固溶体即( SFCA) 。在液相形成过程中，由于Si4+、Al3+的半径比Fe3+的半径要小，所以可以置换半径较大的Fe3+形成稳定的结构。但在Al2O3含量增多的情况下，会导致烧结矿的低温还原粉化性能恶化，这是因为Al2O3会导致铁酸钙部分分解为铁酸一钙和赤铁矿，赤铁矿还原性与铁酸钙相近，而铁酸一钙的还原性比铁酸钙差许多，所以会使低温还原粉化性能恶化。但是通过实验发现加入一定量的MgO 可以改变烧结矿的这种现象，主要由于Al2O3本身会使烧结液相粘度降低，生成较多的铁酸钙，这样Mg2+更容易与铁酸钙中的的磁铁矿形成一种含镁磁铁矿的稳定化合物，使得Fe3O4难以氧化，则铁酸钙不易分解，进而消除了Al2O3给烧结矿带来的负面影响［7］。研究表明:Al2O3的存在增加了铁酸钙( SFCA) 的含量，同时也增加了MgO 在铁酸钙中的含量。

4 结论

通过试验分析了MgO 在不同的碱度、温度、Al2O3含量条件的分布规律，得出如下结论:

1) 碱度变化使MgO 在烧结试样中的分布发生变化，在低碱度烧结试样中MgO 主要存在磁铁矿中，当碱度进一步提高后，烧结矿粘结相中复合铁酸钙MgO 的含量呈逐渐提高趋势。

2) MgO 随温度变化在烧结试样中的分布规律较为明显，在固相反应阶段MgO 与SiO2，Al2O3，Fe2O3形成化合物，而在固液阶段MgO 存在与铁镁尖晶石和复合铁酸钙中，而在液相阶段除了铁镁尖晶石和复合铁酸钙中外还形成其他复杂的化合物。

3) 对于Al2O3含量变化，主要是影响MgO 在铁酸钙中的体积分数，随着Al2O3含量的增加，MgO 在铁酸钙中的体积分数逐渐增加，且复合铁酸钙的含量也逐渐增加。

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