1、試驗準(zhǔn)備

1.1試驗原料

試驗原料主要來自某鋼鐵廠，其主要化學(xué)成分和燒損如表1所示。基于FactSage 6.4軟件的計算要求，對混勻料配加CaO來調(diào)節(jié)其堿度，再折成相應(yīng)的氧化物形式，設(shè)定Fe?O?、Fe?O?、SiO?、MgO、CaO以及Al?O?等氧化物的總和為100 g，用于FactSage熱力學(xué)計算的試樣化學(xué)成分如表2所示。燒結(jié)驗證試驗配料方案如表3所示。

表1原料主要化學(xué)成分及燒損（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

表2用于FactSage計算的試樣化學(xué)成分和堿度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

表3燒結(jié)杯試驗配料方案（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

1.2試驗方法

在燒結(jié)過程中，熔體的形成十分復(fù)雜，不可能直接測量熔體的物理性能，因此可以通過熔體成分來預(yù)測熔體的性能。液相聚結(jié)使得燒結(jié)礦孔表面積減少，通常認(rèn)為聚結(jié)行為受表面力、黏性力、慣性力和重力的綜合結(jié)果。因此，評估燒結(jié)礦聚結(jié)行為的致密化因子可以表示為：

式中：F_{Den}為致密化因子，其值越大，表示燒結(jié)過程中的聚結(jié)過程越充分，致密化程度越好；We為韋伯?dāng)?shù)；Ca為毛細(xì)管數(shù)；Bo為邦德數(shù)；A,B,C,D為常數(shù)；v為特征速度，m/s；rho為密度，kg/m3；mu_{App}為表觀黏度，Pa·s；L為與界面張力作用的(氣-液-固)界面曲率半徑相關(guān)的特征長度，m；sigma_{M}為熔體表面張力，N/m（原文單位kg/s2有誤，應(yīng)為N/m或等效的kg/s2）。其中，sigma_{M}可以通過相關(guān)文獻(xiàn)獲得，rho可以通過FactSage計算得到，v和L是未知項。

采用假設(shè)Ca和Bo指數(shù)的方法來消除未知項v和L，最終得到式（5）:

對表面張力sigma_{M}的計算方程見式（6）：

式中：x_{i}為熔體中組分i的摩爾分?jǐn)?shù)；sigma_{i}是熔體中組分i的偏摩爾表面張力，N/m；T為熔體溫度，K；frac{dsigma_{i}}{dT}為熔體組分i的偏摩爾表面張力溫度系數(shù)；E為常數(shù)。熔體組分的sigma_{i}和frac{dsigma_{i}}{dT}取值如表4所示。

表4熔體組分的偏摩爾表面張力和溫度系數(shù)

表觀黏度可以使用兩相（液-固）系統(tǒng)的Vand方程來確定，對于表觀黏度的計算，Vand模型基于理論和試樣輸入，并且已被證明對低固體濃度和高固體濃度都有效。因此比較適合用于燒結(jié)熔體表觀黏度的計算。方程見式（7）：

式中：mu_{M}為熔體黏度，Pa·s；S為熔體中固體顆粒的體積分?jǐn)?shù)，%。

對于一般的氧化物體系，可以采用求和原則來確定體系的摩爾體積。但是含有SiO?、Al?O?和P?O?的礦渣由鏈、環(huán)和配合物組成，它們?nèi)Q于現(xiàn)有陽離子的數(shù)量和性質(zhì)，該部分摩爾體積取決于該類型的氧化物的組成。MILLS等概述的BOS數(shù)學(xué)模型考慮了這些影響，在大量試樣數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立了渣系成分中二氧化硅和氧化鋁的偏摩爾體積計算式，該模型對礦渣的密度預(yù)測誤差約為2%，具有較高的準(zhǔn)確度，因而得到了廣泛的應(yīng)用。而燒結(jié)熔體也屬于渣相體系，因此BOS數(shù)學(xué)模型可以合理應(yīng)用在鐵礦石燒結(jié)熔體中，方程見式（8）：

式中：V為熔體的摩爾體積，cm3/mol；x_{i}為熔體中組分i的摩爾分?jǐn)?shù)，無量綱；V_{i}為熔體組分i偏摩爾體積，cm3/mol（表5）。

表5熔體組分的偏摩爾體積

1.3試驗步驟

試驗分為FactSage熱力學(xué)計算和燒結(jié)杯試驗兩部分。表3中為用于FactSage計算的5組試樣成分，首先通過“Equilib”模塊對5組試樣的液相生成溫度和液相成分進(jìn)行計算，然后通過“Phase Diagram”模塊計算SiO?-CaO-Fe?O?體系的液相投影，最后通過“Viscosity”模塊計算渣相體系的黏度。

燒結(jié)杯試驗中，點(diǎn)火溫度為(1050±50)℃，點(diǎn)火負(fù)壓為4 kPa，持續(xù)120 s。在燒結(jié)過程中，將燒結(jié)負(fù)壓控制在10 kPa。燒結(jié)結(jié)束，直到燒結(jié)終點(diǎn)，煙氣溫度達(dá)到峰值。再利用環(huán)境空氣冷卻10 min，然后除去燒渣。燒結(jié)試驗參數(shù)保持固定，列于表6。冷卻后，使用CSIRO聯(lián)合滴塔/顎破碎機(jī)對燒結(jié)礦進(jìn)行處理，然后對燒結(jié)顆粒進(jìn)行進(jìn)一步取樣，以測定燒結(jié)礦成分和質(zhì)量指標(biāo)，包括轉(zhuǎn)鼓和耐磨指數(shù)的測定（根據(jù)GB/T24531—2009/ISO3271:2007國家標(biāo)準(zhǔn)測量）和孔隙率（采用AutoPore IV 9510型壓汞儀測量）。

表6燒結(jié)杯試驗工藝參數(shù)

2、結(jié)果與分析

2.1堿度對液相生成的影響

采用Factsage 6.4中“Equilib”模塊對不同堿度條件下的理論液相生成溫度以及不同溫度下的液相生成量進(jìn)行計算，結(jié)果如表7所示。在不同堿度條件下，燒結(jié)礦的液相生成量隨溫度的變化如圖1所示。通過“Phase Diagram”模塊計算SiO?-CaO-Fe?O?體系：氧分壓固定為21278 Pa，Al?O?組元固定為1.47%，MgO組元固定為0.73%情況下的液相投影，溫度區(qū)間設(shè)置為1100~1600℃，升溫梯度為50℃，計算結(jié)果如圖2所示（圖中s、s2、s4、s6代表同種物質(zhì)的不同晶體結(jié)構(gòu)）。

表7不同堿度條件下液相形成溫度

由圖1可知，液相生成量隨溫度升高而增大，當(dāng)溫度高于1250℃時，液相形成加快。試驗中，堿度主要由改變CaO的含量來調(diào)節(jié)，其它各組分基本不變。圖2中，當(dāng)燒結(jié)溫度從1100℃升高到1600℃時，液相區(qū)域迅速增大，向Fe?O?角移動，此時有更多的Fe?O?熔化在液相中，有利于高強(qiáng)度鐵酸鈣的生成。隨著堿度提高（如圖中箭頭所示），在1500℃左右時，硅酸二鈣(Ca?SiO?)發(fā)生由α-Ca?SiO?向α’-Ca?SiO?的晶型轉(zhuǎn)變，晶型轉(zhuǎn)變引起體積膨脹，會影響燒結(jié)礦的強(qiáng)度。

圖1不同堿度條件下液相生成量與溫度的關(guān)系

圖2不同溫度條件下液相投影