摘要 调节烧结矿内MgO含量，是目前解决Al₂O₃含量高导致高炉炉渣粘度大问题的方法之一。本文通过模拟高碱度烧结矿成分配料在空气气氛、1220℃准化学平衡条件下进行烧结实验，利用XRD—QAMS法进行矿物定量、显微镜下观察矿相结构和微区能谱分析等方法，对不同碱度、不同SiO₂与Al₂O₃含量条件下MgO对铁酸钙生成的影响探讨，尝试弄清Fe₂O₃一SiO₂一CaO－A1₂O₃一MgO五元系中MgO在烧结矿成矿过程中的作用。

    实验结果表明，不含Al₂O₃时SiO₂含量对铁酸钙生成量的影响不大，但MgO含量增加铁酸钙生成量明显增多；加入2．5％Al₂O₃后，SiO₂含量增加铁酸钙生成量增加，但MgO含量使铁酸钙生成量增加的幅度减弱，主要原因是A1₂O₃对铁酸钙生成的促进作用较大。可以认为，A1₂O₃在SiO₂和MgO对铁酸钙生成影响规律上起着重要的作用。其次，随着碱度从1．8增加到2．3，铁酸钙生成量呈增加趋势；随着碱度增加，MgO对铁酸钙生成量的促进作用也减弱。另外，实验还发现，不含Al₂O₃时，随着MgO含量增加，铁酸钙晶形由“柱状”向“针状”变化；加入2．5％A1₂O₃后，MgO含量增加对铁酸钙晶形影响甚微，可以认为Al₂O₃促进铁酸钙晶形变细的作用比MgO大。

关键词 铁矿粉 烧结 MgO 铁酸钙

 随着进口铁矿石使用量增多，导致高炉炉渣内Al₂O₃含量偏高，为了解决由此而产生的炉渣粘度大的问题，调节烧结矿或球团矿内MgO配比来增加高炉炉渣内MgO含量，是常用的方法之一。球团内配入MgO含量过多，球团强度下降，限制了高MgO球团在高炉上的应用，致使我国炼铁过程所需的MgO主要通过烧结矿的形式进人高炉。

  MgO进入烧结矿，对烧结矿质量的影响，褒贬不一。现在，比较一致的看法是：高SiO₂含量烧结矿内存在的MgO，有助于促进铁橄榄石相向镁橄榄石相转变，减少玻璃相存在，改善烧结矿质量门；低SiO₂含量烧结矿内存在的MgO，有抑制磁铁矿向赤铁矿转变，降低铁酸钙相生成量，不利于烧结矿的成矿过程。但是，这些现象表现的强弱程度，常常因烧结条件而异，还没有见到解释相关机理的报道。

  本文，模拟高碱度烧结矿成分配料，在空气气氛、准化学平衡条件下进行烧结实验，对不同碱度、不同SiO₂与Al₂O₃含量条件下MgO对铁酸钙生成的影响探讨，尝试弄清Fe₂O₃一SiO₂一CaO—Al₂O₃一MgO五元系中MgO在烧结矿成矿过程中的作用。

1    实验方法

    实验主要原料采用分析纯氧化铁(Fe₂O₃)、二氧化硅(SiO₂)、碳酸钙(CaCO₃)、氧化铝(Al₂O₃)、氧化镁(MgO)化学试剂，其中用CaCO₃代替CaO，是考虑CaO化学试剂在大气中容易吸水。首先，按4．0％SiO₂、5．5％SiO₂和6．5％SiO₂三个水平含量和0％A1₂O₃和2．5%Al₂O₃两个水平含量下改变MgO含量进行配料；其次，按5．5％SiO₂和碱度R=1．5、R=1．8、R=2．0和R=2．3四个水平下改变MgO含量进行配料。

    配料在玛瑙研钵内经均匀混料后，取4g装入915mm的压模内，以30MPa的压力，压制成直径15mm的圆柱型试样。然后，取2个圆柱型试样放人电炉内，在铁酸钙稳定温度1220℃下烧结8小时。达到反应时间后，取出空气中冷却。

    取其一，磨碎至粒度小于48μm(300网目)以下，取2g试样配入10％金红石参比物质，充分混匀后在日本MAC 21KW X射线衍射仪进行X射线衍射实验。X射线衍射条件为CuKα辐射，以2⁰／min进行扫描，扫描范围15—65⁰。把X射线衍射结果输入计算机，利用我们自己开发的标准矿物数据库和XRD—QAMS定量分析软件，计算出烧结试样中铁酸钙含量。

    取其二，把烧结后的圆柱型试样，在自动磨抛机上沿径向研磨、抛光，制成显微镜光片，在矿相显微镜下观察矿物的形态和结构特征。选择局部区域，进行扫描电镜观察和能谱分析，考察固溶体矿物的元素组成。

2   实验结果及讨论

    碱度2．0、不同SiO₂含量条件下铁酸钙生成量随MgO含量的变化，如图1所示。可以看出，在空气气氛下烧结，含2．5％Al₂O₃与不含Al₂O₃的试样相比铁酸钙生成量明显增多，同时铁酸钙随着MgO含量增加有上升趋势；但是，加入2．5％A1₂O₃后，铁酸钙随MgO含量增加的上升趋势减弱，3．5 %MgO时含2．5％Al₂O₃与不含Al₂O₃的试样内铁酸钙含量基本趋于相同，表明Al₂O₃和MgO都有促进铁酸钙生成的作用，但是两者的作用不具有叠加性。可以认为，前者促进了多元铁酸钙形成，后者MgO含量增加提高了液相中CaO活度，促进了铁酸钙生成，即

    CaO+2Fe₂O₃=CaO·2Fe₂O₃    (1)

但是，Al₂O₃和MgO分别属于中性氧化物和强碱性氧化物，两者同时存在会减小各自的作用。另外，铁酸钙生成量随着SiO₂含量而增加，而且加入2．5％Al₂O₃后这种趋势增强。进一步说明Al₂O₃存在的条件下有助于SiO₂溶人粘结相形成多元铁酸钙，这与前人的研究结果是一致。从另一方面看，CaO与SiO₂的反应产物是2CaO·SiO₂，相当于两者的摩尔比2．0，而实验配料碱度w(CaO)／w(SiO₂)一2．0，其中两者的摩尔比2．14大于2．0，可见即便SiO₂生成2CaO·SiO₂，碱度相同提高SiO₂含量也有助于促进反应(I)形成铁酸钙，这是碱度大于2．0烧结矿生产中SiO₂含量对铁酸钙生成量影响的  一主要特点之一。

    5．5 %SiO₂、不同碱度下铁酸钙生成量随MgO含量的变化，如图2所示。可以看出，MgO和Al₂O₃对铁酸钙生成的影响规律，与图1是一致的，同时也发现碱度增加铁酸钙生成量明显增多，而随着碱度增加后MgO含量促进铁酸钙生成作用减弱。可以  认为，碱度增加促进了反应(1)进行，铁酸钙  生成量增加；但是，随着液相中CaO含量增加，MgO提高CaO活度系数作用减小，导致MgO含量促进铁酸钙生成作用减弱。

    图3和图4分别给出碱度2．0时不同MgO含量烧结试样的矿相结构。从生成铁酸钙形态看,4.0%SiO₂和6.5%SiO₂的烧结试样差别不大；但是，不含Al₂O₃和含2．5％Al₂O₃烧结试样差别很大。含2．5％Al₂O₃烧结试样内铁酸钙晶形明显变细，像水结晶的“冰须”，与硅酸钙交织产物明显增多，可以认为是“针状铁酸钙”，这时的铁酸钙晶形受MgO含量影响不大；但是，不含AI₂O₃烧结试样内铁酸钙晶形呈柱状，随着MgO含量增加，柱状铁酸钙变细，与硅酸盐呈交织状，可以认为有向“针状铁酸钙”发展的趋势.

    图5和图6分别给出不同碱度、5．5%SiO₂试样烧结后铁酸钙生成形态的显微结构。可以看出，不同碱度下A1₂O₃和MgO对铁酸钙晶形的影响，与图3和图4的有类似的规律。不含Al₂O₃的烧结试样内柱状铁酸钙晶形，随着碱度增大明显变粗，如图5所示。与图2对比分析，可以认为是由于碱度增加，铁酸钙生成量增多，液相促进了铁酸钙结晶与长大，其柱状晶径向长大就导致晶形变粗。含有2．5％A1₂O₃烧结试样内铁酸钙晶形，随碱度增大变化不大，如图6所示。

    另外，随着碱度升高，在含2．5%Al₂O₃试样内出现“生核”现象增多，如图6(c)和图6(f)所示。对“生核”进行扫描电镜能谱分析发现，其内核是Al₂O₃芯(A)，外面包裹一层铝酸钙(B)，最外面是多元铁酸钙  (C)，如图7所示。可以认为，随着配料碱度增高，CaO与Al₂O₃接触的几率增大；同时，根据式(2)和式(3)的热力学可知，与Fe₂O₃相比CaO更容易与Al₂O₃反应。因此，随着配料碱度增高，容易形成致密的CaO·Al₂O₃层，由于CaO·Al₂O₃熔点很高，在烧结温度下保持固态，这样就阻止了A1₂O₃进入铁酸钙液相，而且“生核”存在也不利于提高烧结矿强度。因此，对于高碱度烧结矿的成矿过程中，A1₂O₃含量也不宜于过高，或者采取措施减少CaO·Al₂O₃形成，否则会影响烧结矿的质量。

    CaO+Fe₂O₃=CaO·Fe₂O₃

    △Gθ=－29710一4．81T                                           (2)

    CaO+A1₂O₃=CaO·A1₂O₃ 

3  结论

    以上通过1220℃、准化学平衡实验及其烧结后矿物定量和显微结构分析，研究了空气气氛下MgO对多元铁酸钙生成量及生成形态的影响，可以得到如下结论：

    (1)碱度为2．0的烧结实验表明，不含Al₂O₃时SiO₂含量对铁酸钙生成量的影响不明显；加入2．5％Al₂O₃后，SiO₂含量增加铁酸钙生成量增加，A1₂O₃对SiO₂进入铁酸钙有明显促进作用。不含Al₂O₃时，MgO含量增加铁酸钙生成量明显增多；但加入2．5％Al₂O₃后，MgO含量使铁酸钙生成量增加的幅度明显减弱，主要原因是Al₂O₃对铁酸钙生成的促进作用较大。Al₂O₃在SiO₂和MgO对铁酸钙生成影响规律上起着重要的作用。

    (2)随着碱度从1．8增加到2．3，铁酸钙生成量呈增加趋势。而且，可以明显看出，随着碱度增加，MgO对铁酸钙生成量的影响减弱。

    (3)不含Al₂O₃时，随着MgO含量增加，铁酸钙晶形由“柱状”向“针状”变化；但是，含2．5％Al₂O₃时，MgO含量增加对铁酸钙晶形影响甚微，主要原因是Al₂O₃促进铁酸钙晶形变细的作用比MgO大。