CN101666762B - 一种烧结铁矿石液相生成特性的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种烧结铁矿石液相生成特性的检测方法，本发明根据物料变形与液相生成存在密切关系这一原理提出了采用锥形法检测铁矿石液相生成特性。液相生成特性包括液相形成的温度、速度和数量，液相形成的特征温度具体表现为液相开始生成温度Ts、液相完全生成温度Te和液相自由流动温度Tf，特征温度根据摄像头拍下的锥形变化特征由图像处理软件自动识别获得。液相生成平均速度用公式v＝1000/(Te-Ts)计算得到；液相生成量是以1280℃下锥形面积相比1000℃下锥形面积的收缩比例来表征。该法具有检测速度快、测量方法简单、检测结果准确的特点，并能与烧结矿产质量指标建立起对应的关系。

Description

一种烧结铁矿石液相生成特性的检测方法

技术领域

本发明涉及一种烧结铁矿石液相生成特性的检测方法，通过检测铁矿石在成矿过程中的液相生成特性指标，用来评价应用于烧结的铁矿石质量和性能。

背景技术

现有的铁矿石评价方法，大部分都是根据铁矿石的化学成分以及物理性能来衡量铁矿石的质量。但从烧结精料技术的角度，仅从化学成分、粒度组成、制粒性能等常温特性来评价铁矿石是远远不够的，高温下铁矿石的成矿性能也是重要的衡量指标，因为成矿过程影响着烧结矿的结构和矿物组成，与烧结矿的质量有极密切的联系，因此烧结矿的产量、质量和烧结能耗更大程度上取决于高温状态下铁矿石的成矿性能。

但目前人们对铁矿石在烧结过程中的成矿行为认识不足，因而无法充分和正确把握铁矿石种类与烧结效果之间的内在联系。导致现有的配矿方法基本上都是根据铁矿石的化学成分以及物理性能来选择铁矿石，然后通过烧结杯试验来进行配矿。由于对烧结成矿过程的认识缺乏深度，不利于烧结生产的高效化管理以及烧结矿质量的正确预测，因而配矿具有盲目性，导致浪费了大量的人力和物力。

如果铁矿石在烧结过程中所反映出来的高温物理化学特性能够通过成矿性能指标反映出来，并建立其与烧结矿产质量、能耗之间的关系，就能有目的地对各种铁矿石进行合理的选择和使用，实现真正意义上的优化配矿。同时这些指标可为了解和掌握铁矿石的基本性能、判断其烧结性能、选择工艺参数以及为钢铁企业采购铁矿石、进行优化配矿和指导烧结生产提供有力的理论根据。

目前还没有一个比较标准的、科学的体系来评价烧结含铁原料的成矿性能，甚至没有明确地提出烧结成矿性能的检测内容。从烧结机理出发，烧结成矿过程包括烧结过程中的固相反应、液相生成并粘结未熔矿石、以及冷凝结晶三个主要的过程。通过试验研究，结果表明液相是烧结矿成型固结的基础，是成矿性能中最重要的内容。液相是烧结矿的粘结相，将未熔的固体颗粒粘结成块，保证烧结矿具有一定的强度，因此液相的数量和性质是烧结矿强度的重要影响因素。同时液相的数量与烧结过程透气性密切相关，从而影响着烧结矿产率。而液相生成温度、生成速度与烧结能耗具有强相关性，如果能够在低温下快速的形成烧结所需的液相，则能降低烧结温度，从而降低烧结能耗。

将上述烧结液相归纳成两类特性，分别为液相生成特性和液相粘结特性。液相生成特性包括液相生成温度、生成速度、生成数量，本发明涉及的是液相生成特性的检测方法。

液相生成特性检测方法的现状及存在的问题：

以往的检测技术多以同化性能表征铁矿石在烧结过程中生成液相的难易程度。同化性能是指铁矿石在烧结过程中与CaO的反应能力。一般而言，铁矿石同化性能越高，则在烧结过程中越易生成液相。对于同化性的研究有以下代表性的方法：

1.北京科技大学吴胜利等的检测方法，是将铁矿粉和分析纯CaO试剂制成细粉状(～100目)，在一定的压力下分别压制成直径8mm的矿粉小饼和直径25mm的CaO小饼，然后将铁矿粉小饼试样置于CaO小饼试样上，放人微型烧结实验装置中按一定的烧结制度进行焙烧。以矿粉小饼与CaO小饼接触面上生成略大于铁矿粉小饼一圈的反应物为同化特征，测定达到这一同化特征的温度和时间，以此评价不同铁矿粉与CaO的同化能力。该方法能检测铁矿石与CaO开始反应的温度，但不能在连续的温度下观察铁矿石的反应情况，只能在间断的温度点观察其同化特征，导致试验的工作量大；同时由于只能检测开始反应的温度，对烧结过程液相的生成特征指导性不强。

2.另外一种普通的方法是将原料压成团块，在一定的温度和气氛下烧结，通过检测烧结块中的矿相组成来反映铁矿石的同化性能，不同的研究者操作条件或使用的设备会有所不同，但基本的原理大同小异。日本的FumioMATSLJNO和Takeo HARA-DA是将各种原料粉碎至0.125mm以下，混合后把混合料压制成Φ15mm×10mm的小饼，然后放到电炉中加热到所需温度，最后通过显微镜，X-衍射、EPMA观察小饼中的矿相结构。台湾的Li-Heng和Sheffield大学的J.A.Whiteman是将各种原料粉碎至0.125mm以下，混合后压制成Φ6mm×6mm的团块，然后放到电炉中加热到所需温度，焙烧过程中通入N₂、Air、CO、CO₂混合气体来模拟烧结气氛。BHP公司的C.E.Loo的研究方法，各种原料粉碎至0.125mm以下，混合后压团，然后放到红外加热炉中加热到所需温度，焙烧过程中通入N₂、Air、CO、CO₂混合气体来模拟烧结气氛，然后检测烧结块中铁酸钙的形成情况。这类方法需要将烧结团块磨成光片观察显微结构，并统计烧结块的矿物组成；或者将烧结块磨碎，用X-衍射检测烧结块中的矿相，因此不能实现快速检测。而且团块在烧结后冷却，液相在冷却过程中不断析出晶体，成分会不断发生变化，因此检测烧结块的矿相并不能真实的反应烧结过程中液相的生成情况。

述检测方法所测的同化性都未能全面的体现烧结过程液相的生成行为，而且存在检测过程复杂的问题，与烧结效果的对应关系也不甚明显。因此，开发一种全面地、科学地衡量烧结过程液相生成特性的方法，并实现快速、准确的检测，显得尤为重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供了一种烧结铁矿石液相生成特性的检测方法，该方法采用锥形烧结法检测铁矿石液相生成特性。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种烧结铁矿石液相生成特性的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)配料：选用铁矿石和氧化钙，氧化钙占铁矿石和氧化钙总量的质量比例为10％～20％，使铁矿石干燥而且粒度小于0.074mm；将氧化钙消化后捣碎，添加到铁矿石粉末中混合均匀；再加入水混合，水分质量占7-10％；得混合料；

2)烧结和检测：将混合料压制成三角锥，将三角锥在空气气氛下焙烧，升温速度为(10±2)℃/min；在升温焙烧过程中根据三角锥的外形变化情况获取铁矿石液相生成特性参数，具体方法如下：

液相开始生成温度Ts为三角锥尖端开始变圆或弯曲时对应的温度；

液相完全生成温度Te指三角锥锥体弯曲至锥尖触及托板时或锥体收缩成冠球形时对应的温度；

液相自由流动温度Tf是指三角锥融化成一体或展开成高度在1.5mm以下薄层时的温度；

液相生成平均速度为v＝1000/(Te-Ts)；

液相生成量η是以1280℃下三角锥的侧面面积的收缩比例来表征；具体为η＝(S₁₀₀₀-S₁₂₈₀)/S₁₀₀₀×100％；其中S₁₂₈₀为1280℃时摄像头摄取的三角锥的一个侧面的面积，S₁₀₀₀为1000℃时摄像头摄取的三角锥的一个的面积。

当三角锥初高/终高为(123±3)％时的温度为液相开始生成温度Ts；当冠球体的宽/高为(145±5)％时的温度为液相完全生成温度Te；当三角锥融化成宽/高为(1100±20)％时的温度为液相自由流动温度Tf。

通过CCD摄像头实时监测三角锥的形态特征变化。

所述的三角锥的尺寸特征是底为边长7mm的正三角形，三角锥高度为20mm，其中一条棱垂直于底面。

本发明具有的有益效果是：

本发明根据物料变形与液相生成存在密切关系这一原理提出了采用锥形法检测铁矿石液相生成特性。液相生成特性包括液相形成的温度、速度和数量，液相形成的特征温度具体表现为液相开始生成温度(Ts)、液相完全生成温度(Te)和液相自由流动温度(Tf)，特征温度根据摄像头拍下的锥形变化特征由图像处理软件自动识别获得。液相生成平均速度用公式v＝1000/(Te-Ts)计算得到；液相生成量是以1280℃下锥形面积相比1000℃下锥形面积的收缩比例来表征。

该方法同时考虑了液相的生成温度、速度和生成量三个特性，相比同化性的检测更为全面，且能够反映铁矿石在整个烧结过程中液相生成的变化情况。

该方法在同一设备、同一次试验中就可检测液相生成的三个特性，因此具有测量方法简单、检测速度快、检测结果准确的特点。

该方法检测的液相生成特性能与烧结矿产质量指标建立起对应的关系，因此具有科学性和实用性。

因此，本方法为一种全面地、科学地衡量烧结过程液相生成特性的方法，并实现快速、准确的检测。

附图说明

图1为制作三角锥的模型和示意图及安装托板；其中a图为制作三角锥的模具；b图为三角锥示意图，其中CB＝BD＝CD＝7mm，AD⊥ΔBCD，AD＝20mm；c图为安装三角锥的托板，可同时安装5个三角锥，安装方法是将侧面ΔABC正对摄像头。

图2为加热炉示意图；其中：1-热电偶；2-硅碳管；3-三角锥；4-刚玉舟；5-炉壳；6-刚玉外套管；7-刚玉内套管；8-泡沫氧化铝保温砖；9-电板片；10-观察孔。

图3为锥形法测液相生成特性流程图；

图4为锥形法测液相生成特征温度示意图；【其中从左至右的4组图像分别表示未反应、液相开始生成、液相完全生成和液相自由流动时的三角锥形形态特征】；

图5为三角锥收缩示意图【其中图左右图像分别为1000度和1280度时的三角锥形侧面形状】。

具体实施方式

检测内容

检测烧结铁矿石的生成特性，主要是获得铁矿石生成液相的温度高低、形成液相的速度以及在烧结温度下液相的生成量，通过这些特征的检测反映铁矿石生成液相的难易程度。因此，液相的生成特性包括液相开始生成温度、液相完全生成温度、液相自由流动温度、液相生成平均速度、液相生成量。

检测方法

(1)锥形法测量液相生成特性的原理。当物料在逐渐升温的过程中，物料由于熔化而产生变形，变形的程度可反应物料的熔化程度。对于棱角分明的物料，更容易观察其变形的现象，因此将物料做成三角锥形。通过测量三角锥在升温过程中的变形程度，来检测铁矿石的液相生成特性。

(2)锥形法模拟烧结的方法。

1)模拟烧结配料。铁矿石烧结过程发生复杂的物理化学反应，由于接触条件的因素，铁矿石首先与CaO发生固相反应，这些固相反应生成的低熔点物质是液相生成的先导，且最终烧结矿中铁酸钙是最重要的粘结相体系。铁矿石与CaO的反应最能反映烧结过程液相体系的生成，因此配料选择铁矿石和CaO两种物料模拟烧结液相的生成过程。

2)模拟烧结过程。主要包括温度和气氛的过程控制两个方面。升温速度为(10±2)℃/min，焙烧气氛为氧化性气氛，即在空气的气氛下加热。

检测设备

(1)锥形制作及安装设备(见图1)

(2)加热器件(见图2)

(3)图像实时检测设备及处理软件

采用CCD摄像头实时记录整个实验过程中三角锥的变化情况，并利用先进的图像识别技术判断三角锥变化的特征，记录特征温度和三角锥形态，实现自动识别。并自动储存实验中的重要图像，以便进一步检验和分析。

采用测控软件对高温炉的升温过程进行控制。

操作过程

锥形法的试验流程见图3。

锥形法测液相特性的操作方法：

(1)原料准备。将待测的铁矿石在烘干箱中干燥2h以上，使铁矿充分脱水干燥；将铁矿石细磨至粒度小于0.074mm。

(2)配料。称取50g铁矿，生石灰添加量按照配比计算得到。将生石灰消化后充分捣碎，添加到矿中充分混匀。然后配加一定量的水，使混合料水分适宜压制三角锥，一般水分为7~10％。

(3)三角锥的制备及安装：在模型中压制三角锥，并将其安装在托板上。

试验现象及特征

(1)液相形成特征温度的试验现象及其特征的判断(示意图见图4)：

1)液相开始生成温度(Ts)：指三角锥尖端开始变圆或弯曲的温度，判断准则是三角锥初高/终高为(123±3)％；

2)液相完全生成温度(Te)：指三角锥锥体弯曲至锥尖触及托板时或锥体收缩成冠球形时的温度，判断准则是冠球形宽/高为(145±5)％；

3)液相自由流动温度(Tf)：是当三角锥融化成一体或展开成高度在1.5mm以下薄层时的温度，判断准则是薄层宽/高为(1100±20)％。

(2)液相生成量及液相生成平均速度的表征

1)液相生成量的表征

当物料中形成液相，物料会在毛细力、重力等力的作用下发生收缩现象，见图5。液相产生的越多，收缩的比例越大。因此以三角锥在烧结温度下(一般为1280℃)的收缩比例表征液相生成的数量。为排除矿中结晶水的脱出造成三角锥收缩，以1000℃下三角锥的面积为基准。收缩比例的计算公式如下：

η＝(S₁₀₀₀-S₁₂₈₀)/S₁₀₀₀×100％；

S₁₂₈₀--1280℃的温度下摄像头摄取的锥形侧面ΔABC(见图1中b图)的面积；

S₁₀₀₀--S₁₀₀₀为1000℃时摄像头摄取的锥形侧面ΔABC的面积。

2)液相生成平均速度的表征

液相从开始生成到完全生成耗时越长，说明形成速度越慢，定义液相生成平均速度为：

v＝1000/(Te-Ts)％/min。

实施例：

以下两组实验，一组为澳矿，一组为印度矿。每组试验有两种矿，来自相同的国家，而且它们的化学成分和粒度组成相近。研究液相生成特性对烧结矿产质量指标的影响。

(1)以两种澳粉为例，由表1可以看出，澳粉-1和澳粉-2在化学成分以及粒度组成上大体相近的。两种澳矿液相生成特性对烧结矿产量、质量、能耗指标的影响见表2，可知，澳粉-2的液相开始生成温度、液相完全生成温度、液相自由流动温度均比澳粉-1更低，且形成速度比澳粉快，而最佳焦粉配比澳粉-1高；澳粉-2在1280℃的温度下液相形成量比澳粉-1更多，而烧结矿转鼓强度、成品率比澳粉-1高。

(2)以两种印度粉为例，由表1可以看出，印度粉-1和印度粉-2在化学成分以及粒度组成上大体相近的。两种印度矿液相生成特性对烧结矿产量、质量、能耗指标的影响见表2，可知，印度粉-2的液相开始生成温度、液相完全生成温度、液相自由流动温度均比印度粉-1更低，且形成速度比印度粉快，而最佳焦粉配比印度粉-1高；印度粉-2在1280℃的温度下液相形成量比印度粉-1更多，而烧结矿转鼓强度、成品率比印度粉-1高。

表1铁矿石的物化性能

表2进口矿的液相生成特性及烧结矿产质量

Claims (4)

1.一种烧结铁矿石液相生成特性的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)配料：选用铁矿石和氧化钙，氧化钙占铁矿石和氧化钙总量的质量比例为10％～20％，使铁矿石干燥而且粒度小于0.074mm；将氧化钙消化后捣碎，添加到铁矿石粉末中混合均匀；再加入水混合，水分质量占7-10％；得混合料；

2)烧结和检测：将混合料压制成三角锥，将三角锥在空气气氛下焙烧，升温速度为(10±2)℃/min；在升温焙烧过程中根据三角锥的外形变化情况获取铁矿石液相生成特性参数，具体方法如下：

液相开始生成温度Ts为三角锥尖端开始变圆或弯曲时对应的温度；

液相完全生成温度Te指三角锥锥体弯曲至锥尖触及托板时或锥体收缩成冠球形时对应的温度；

液相自由流动温度Tf是指三角锥融化成一体或展开成高度在1.5mm以下薄层时的温度；

液相生成平均速度为v＝1000/(Te-Ts)；

液相生成量η是以1280℃下三角锥的侧面面积的收缩比例来表征；具体为η＝(S₁₀₀₀-S₁₂₈₀)/S₁₀₀₀×100％；其中S₁₂₈₀为1280℃时摄像头摄取的三角锥的锥形侧面的面积，S₁₀₀₀为1000℃时摄像头摄取的三角锥的同一个锥形侧面的面积。

2.根据权利要求1所述的烧结铁矿石液相生成特性的检测方法，其特征在于，当三角锥初高/终高为(123±3)％时的温度为液相开始生成温度Ts；当冠球体的宽/高为(145±5)％时的温度为液相完全生成温度Te；当三角锥融化成宽/高为(1100±20)％时的温度为液相自由流动温度Tf。

3.根据权利要求1所述的烧结铁矿石液相生成特性的检测方法，其特征在于，通过CCD摄像头实时监测三角锥的形态特征变化。

4.根据权利要求1所述的烧结铁矿石液相生成特性的检测方法，其特征在于，所述的三角锥的尺寸特征是底为边长7mm的正三角形，三角锥高度为20mm，其中一条棱垂直于底面。

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