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全仿真微型烧结实验研究

刘青¹，张庆军²，张玉柱¹，马雪刚²，桑蓉栎²

(1．河北联合大学冶金与能源学院，河北唐山063000；2．河北联合大学分析测试中心，河北唐山063009)

摘 要：全仿真微型烧结法具有能精确模拟烧结各阶段温度和气氛的特点，同时可避免冷料阶段和取样不均等问题；其烧结产物与烧结杯实验产物对比，二者的微观结构基本一致，主要矿物相和主要粘结相也相同。因此，可用其代替烧结杯实验进行烧结研究。

关 键 词：烧结研究；烧结杯实验；全仿真微型烧结法

1 前言

随着烧结技术的发展，对烧结机理的研究越来越深入，采用传统的烧结杯实验方法不仅所需时间长、消耗材料多而且费用高，已经不能满足炼铁工作者的需求^[1]。因此，一些研究人员开始探索适合于烧结机理研究的试验方法。小型微型烧结实验因具备快速模拟烧结过程及弥补了布料偏析等特点，更适合于烧结机理的研究，而被广泛应用^[2-4]。目前，微型烧结实验的方法有许多，但都因温度和气氛无法精准控制，很难对实际生产进行真实模拟。研究发现^[5]，日本LASERTEC公司发明研制的高温共聚焦激光扫描显微镜，不仅可以对烧结过程的温度和气氛进行精确控制，而且可以对烧结过程进行实时录像，非常适合烧结机理研究。利用此显微镜来进行烧结研究的方法称为全仿真微型烧结法。本文在介绍该方法的基础上，将其与烧结杯实验进行了对比。

2 全仿真微型烧结法

全仿真微型烧结法是根据解剖烧结过程中温度、气氛和生成物而设计的一种烧结固结机理的研究方法。该方法能在设定速度的前提下控制加热、恒温和冷却时间，故能模拟烧结机上的温度制度，同时可以通过随时切换不同的通入气体来控制气氛。它与烧结杯实验相比，因避开了混料、制粒、布料、燃料及操作等因素的影响，所以能够对烧结矿进行有针对性的单一因素分析，因此更适合于烧结机理的研究^[6]。

全仿真微型烧结法的主要实验装置是高温激光共焦扫描显微镜，它包括高温加热炉和激光共焦显微镜两大部分。高温炉采用独特的红外集光加热(Image heating)方式，升降温速度快、试样受热区域温度均衡，同时升降温过程可由程序控制，任意设定，而且对炉内气氛没有任何要求。此系统还配备有功能强大的软件系统，可满足操作、分析的各种需求，加热炉内部结构如图1所示。激光共焦显微镜具有超越一般显微镜的景深，采用紫色激光器扫描照明成像，扫描速度快、分辨率高，可在﹣185～1750℃的温度范围内进行试验，且不需对试样进行预处理。

实际上，烧结过程是分层进行的，在最上层点火，同时在炉底抽风。对于最上层来说，只存在两个阶段，即燃烧阶段和成矿阶段；但对于下部的料层来说则存在四个阶段：冷料、预热、燃烧及成矿。成矿阶段主要发生液相凝结、矿物析晶等反应，由于上部抽入冷空气，被预热的同时烧结矿被快速冷却，所以此阶段温度快速下降，属氧化性气氛；燃烧阶段，随着焦炭的逐渐燃烧，温度达到最高点，燃料周围发生液相熔融及高温物理化学反应，随着燃料的逐渐减少，气氛会由还原性气氛逐步变为中性、氧化性气氛(分界点为温度最高点)；干燥预热阶段温度缓慢上升，主要发生水分蒸发、结晶水分解及石灰石分解等反应，由于产生了CO₂，故属还原性气氛；冷料阶段，由于上层废气中带入较多的水分，故又称过湿层，在此阶段不发生物理化学反应。

由以上分析可知，烧结过程温度和气氛的分布状况明显地影响着烧结矿的形态及其物理特性与还原特性。因此，全仿真微型烧结法的模拟重点是如何控制烧结过程温度与气氛对矿物组织结构的影响。

由于全仿真微型烧结法所用气体均为干燥气体，且样品为压成的柱状小饼，不存在冷料阶段，所以，可避免其对烧结透气性的影响。全仿真微型烧结法利用激光代替碳粉作为热源，虽然避免了混料不均的问题，但由于激光加热只能照射到样品的表面，为了解决这一问题，我们增设了恒温阶段，这样升温曲线分为升温、恒温、降温三个阶段。为了对烧结实验进行完全模拟，针对以上三个阶段做如下设定^[7]：

据资料表明，烧结实验的最高温度以1250℃为宜，大于1250℃时，主要粘结相铁酸钙会分解，对成矿强度有较大影响^[8，9]，故实验的最高温度设为1250℃。气氛设置如前文所分析，1250℃之前通入N₂(代替还原气氛)，温度达到1250℃最高点后改通压缩空气(用此代替氧化性气氛)。对于温度设置，预热阶段：首先以50℃／min升至200℃，恒温2min(预热机器)，然后以150℃／min升至900℃，恒温2min(为了减小样品内外温差)；燃烧阶段：首先以70℃／min升至1250℃，恒温3min；成矿阶段：首先以﹣70℃／min降至1000℃，恒温2min，然后以﹣200℃／min降至室温。

全仿真微型烧结不仅可以避免冷料阶段，对烧结各个阶段的温度和气氛进行精确模拟，而且可以避免取样不均的问题。因为理想状态时焦粉几乎是均匀分布于烧结杯料层中，故可近似地认为，烧结过程是无数个局部小单元的组合。但实际操作时，可能存在焦粉不均匀的现象，故多次所取的样品可能存在不一致现象。而本实验所用试样是直径7mm，厚不大于3．5mm的柱状小饼，每个柱状小饼就相当于烧结料中被焦粉包围的一个小单元，由于小饼粒度非常靠近焦粉颗粒间的平均距离，故避免了上述问题。基于以上分析可知，全仿真微型烧结法不仅可以完全模拟烧结杯实验，而且可以避免一些烧结杯实验无法避免的问题，故可用其代替烧结杯实验对实际生产进行研究。

3 实验过程

根据现场条件及实验实际情况计算原料、熔剂的配比；将所用的物料均磨至200目以下，然后按照配比进行混料；利用压片机将混合料压成直径7mm，厚不大于3．5mm的柱状小饼。将试样放入特制的铂金坩埚中，再将坩埚放入加热炉进行烧结。

通过上述原理分析可知，实际烧结料层中温度的分布是一个由低温逐渐到高温，再由高温迅速下降的过程，而最高温度出现在燃烧层，具体控温曲线如图2所示。烧结过程宏观上是氧化性气氛，但微观上还存在有还原性气氛。本实验中，用压缩空气代替CO₂作氧化性气体；因为N₂在高温下具有还原性，故用其代替CO作还原性气体。烧结过程中气氛和温度紧密相连，由废气成分变化可知，烧结过程是先氧化后还原的过程，燃烧终点即温度最高点是氧化与还原的分界点，故在温度达到最高点(1250℃恒温过程的中点)以前通N₂，之后通压缩空气。

4 烧结产物与烧结杯实验产物对比

在相同配料方案下，通过全仿真微型烧结法和烧结杯实验法制备出烧结产物，经处理后用扫描电镜观察其微观形貌。由图3可知，由烧结杯得到的烧结矿微观结构为共晶结构，主要矿物组织为粒度较小但边界清晰的致密型残存赤铁矿、晶粒细小棱角融成浑圆状的熔融型磁铁矿及针状铁酸钙等；微型烧结法的烧结矿微观结构同样为共晶结构，由图4可看出，其矿物组织同样是晶粒细小棱角融成浑圆状的熔融型磁铁矿、针状铁酸钙和粒度较小但边界清晰的致密型残存赤铁矿^[10～12]。

为了准确判断两种烧结法产物的具体矿物组成，进行了X射线衍射(XRD)实验，其结果经处理后示于图5、图6。由图可以看出，二者烧结产物的微观结构基本一致，且主要矿物相都为磁铁矿(Fe₃O₄)、赤铁矿(Fe₂O₃)；主要粘结相都为钙铁橄榄石(CaO·FeO·SiO₂)、铁酸钙(CaO·Fe₂O₃)。

5 结论

通过对比全仿真微型烧结法和烧结杯实验可以得出，二者烧结产物的微观结构基本一致，且其主要矿物相和主要粘结相也相同。因此，全仿真微型烧结法可以替代烧结杯实验进行烧结研究。

参 考 文 献：

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