CN1945298A - 一种高碱度烧结矿主要矿物自动识别与定量方法 - Google Patents

Abstract

一种高碱度烧结矿主要矿物自动识别与定量方法，属于冶金中铁矿石烧结领域，主要适用于高碱度烧结矿中主要矿物组成的定量分析。本发明包含烧结矿检测样制备方法(I)、X射线衍射定量分析条件(II)、高碱度烧结矿内矿物标准衍射曲线的数据库(III)和分段优选拟合与计算软件(IV)四个部分。其特征在于实验获得适宜的烧结矿检测样制备方法(I)和X射线衍射定量分析条件(II)，建立了高碱度烧结矿内矿物标准衍射曲线的数据库(III)，采用提出的分段优选拟合法与计算软件(IV)，能快速、自动地识辨出烧结矿内矿物种类和含量。它与传统的显微矿相法相比，它通过研磨和混匀解决了烧结矿内矿物分布不均带来的取样误差，通过多晶粉末衍射解决了观察视觉上的误差，一个试样的检测时间由十几个小时缩短到30分钟。

Description

一种高碱度烧结矿主要矿物自动识别与定量方法

技术领域：

本发明属于冶金中铁矿石烧结领域，主要适用于高碱度烧结矿中主要矿物组成的定量分析。

技术背景：

烧结矿中矿物组成，特别是粘结相含量多少直接影响烧结矿的强度和冶金性能。因此，对烧结矿内矿物组成进行定量分析，对改进烧结配矿方案、优化烧结条件是十分必要的。但是，这种定量分析至今仍未被引入常规生产之中。

以前烧结矿内矿物的定量分析，主要采用显微矿相法，通过显微镜下铁酸钙矿物占总体面积的百分比进行估算。烧结过程中料层内气氛和温度不均匀性，导致形成的矿物不均一，少量取样缺乏代表性；另外，烧结时间短、冷却速度快，导致矿物晶粒细和结晶不完善，也造成视域选择和计量上的困难。以上两者，致使分析精度一直也无法提高。另外，从铸型、磨样、抛光到观察，需要的时间较长，远不能满足烧结过程控制的需要。

从上世纪三十年代人们发现X射线衍射现象后一直倍受关注，到四、五十年代基本确立了X射线衍射原理、方法和相关应用，今天通过PDF卡片进行物相分析已经成为鉴定矿物必不可少的一种手段。与此同时，人们也尝试利用X射线衍射法进行矿物组成定量分析，提出内标法(Alexander，1948年)、K值法(Chung，1974年)、无标样法(Zevin，1977年)等研究，这种方法得以逐渐完善。在矿物的衍射峰强度计算上，从单峰到多峰(储刚，2004)，乃至于全谱线拟合(洪汉烈，2001)以及重叠峰分解(孙文华，1995)等，获得了令人满意的结果。特别是，随着X射线衍射仪的改进，使强度测量变得既方便又准确，配有单色器的情况下定量相分析的敏感度可达1％，为定量相分析奠定了良好基础。

但是，以上X射线衍射定量法仅限于已知矿物晶体结构参数或已知存在的矿物种类的测定，应用于合成材料和水泥等矿物组成简单体系。从衍射峰强度计算上，无论按单峰还是多峰处理都有随机性，也解决不了晶体择优取向的问题；当有未知相存在时，全谱线拟合就会出现较大的误差；另外，重叠峰分解也是各种方法中提高测量精度的难点之一。利用X射线衍射法进行烧结矿内矿物组成定量研究还未见报道，主要难点是烧结矿内矿物组成复杂，而且像粘结相矿物-铁酸钙还属于元素组成范围变化大的多元固溶体，矿物晶体结构参数具有不确定性。

发明内容：

本发明是发明一种高碱度烧结矿主要矿物自动识别与定量方法，采用分段优选拟合解决以前X射线衍射定量中的选峰随机性和晶体择优取向的问题，建立高碱度烧结矿内主要矿物标准衍射曲线数据库，解决固溶体矿物晶体结构参数不确定性问题，从而能较准确、较快地测定出高碱度烧结矿中矿物种类和矿物组成。

检测步骤为

(1)烧结矿检测样制备方法。把转鼓试验后的高碱度烧结矿分成大、中、小三个粒级，每种取1-6克进行混合并一起研磨，制成粒度大于0.2μm小于0.054mm粒级的粉末，作为检测样。(2)X射线衍射定量分析条件。根据实验确定X射线衍射条件为：扫描速度小于或等于2°/min，扫描范围15-65°，获得X射线衍射强度和衍射角度(或d值)关系的文本文件等，如*.txt或*.usr。(3)高碱度烧结矿内矿物标准衍射曲线的数据库。制备高碱度烧结矿中主要标准矿物：赤铁矿、磁铁矿、铁酸钙和硅酸钙，其中铁酸钙从二元到多元铁酸钙固溶体，获得相应标准矿物的X射线衍射曲线；同时，选取二氧化钛(金红石型)作为参比物质，根据关系式(1)选取不同质量分数的参比物质和标准矿物，实验测得对应不同矿物的K_i-s。(4)分段优选拟合与计算软件。它分定性和定量两个部分，整个过程通过VC⁺⁺可视化软件来完成，当计算机接收到X射线衍射结果(*.txt或*.usr)后，首先搜索出烧结矿检测样X射线衍射曲线的全部衍射峰，与标准矿物曲线的衍射峰相比较确定出矿物种类，然后根据矿物种类同时把烧结矿检测样和相关标准矿物的X射线衍射曲线分成n段，通过对应段联立方程求解各种矿物含量，根据拟合曲线误差分析择优筛选出误差小的为实际的矿物组成(强度比率)。最后，根据结合数据库内K_i-s值，计算机自动给出烧结矿内各种矿物含量。

本发明检测步骤归纳为4个部分：(I)烧结矿检测样制备方法；(II)X射线衍射定量分析条件；(III)高碱度烧结矿内矿物标准衍射曲线的数据库；(IV)分段优选拟合与计算软件。其特征是：烧结矿检测样制备方法(I)中，通过选别、研磨和混合，保证烧结矿的检测样具有代表性和满足X射线衍射时重现性好的粒度组成。X射线衍射定量分析条件(II)中，确定适宜的X射线衍射条件，保证X射线衍射过程在较短时间内获得稳定的衍射峰形状和峰下面积。高碱度烧结矿内矿物标准衍射曲线的数据库(III)中，通过矿物合成，制备出高碱度烧结矿内主要矿物及其固溶体作为数据库内的标准矿

物，测定出相应的标准晶体结构参数、标准X射线衍射曲线和K_i-s值，构成定量计算的基础。分段优选拟合与计算软件(IV)中，分定性和定量两个部分，首先搜索出烧结矿检测样(被测样)X射线衍射曲线的全部衍射峰，把获得的衍射峰与标准矿物曲线的衍射峰的d值进行比较，初步确定出矿物种类，然后根据矿物种类同时把烧结矿检测样和多种标准矿物的X射线衍射曲线分成n段，通过对应段联立方程求解各种矿物含量，根据拟合曲线误差分析筛选出误差小的为实际的矿物组成，即实际的矿物组成产生于没有择优取向和不出现未知矿物衍射峰的分段中，整个过程通过VC⁺⁺可视化软件来完成，消除人为主观因素。最后，根据前人确立的X射线衍射内标法定量关系式(1)计算出各种矿物含量。

其中，ω_i，ω_s分别是被测烧结矿中第i种矿物的质量分数和掺入参比物质的质量分数，I_i’，I_s分别是加入参比物质后的第i种矿物和参比物质的X射线衍射峰强度，K_i-s是第i种矿物与参比物质s间的K值。

本法与显微矿相法相比，克服了后者因烧结矿矿相不均带来的取样误差和结晶颗粒小带来的视觉误差，整个过程由检测仪器和计算机自动处理，消除了人为主观判断带来的误差，同时也提高了烧结矿内主要矿物定量速度，有利于实现烧结过程的自动化控制。它与以前的X射线衍射定量方法相比，在原理上消除了选峰随机性和晶体择优取向问题，解决固溶体矿物晶体结构参数不确定性问题，从而能准确、快速地测定出高碱度烧结矿中矿物种类和矿物组成。

附图说明：

图1是本发明实施流程示意图。

具体实施方式：

实例1：把制备出的与烧结矿内相一致的赤铁矿、磁铁矿和四元铁酸钙(Ca₅Si₂Fe₁₆Al₂O₃₆，简化成cf(4))矿物，研磨成粒度小于0.050mm，加入10％TiO₂作为参比物质，不同配比如表1所示，充分混匀。然后，在M21X型X射线衍射仪上，以2°/min扫描速度，在15-65°范围内对混匀后试样进行X射线衍射。打开X射线衍射定量分析软件，然后，选择定性分析，给出可能存在的矿物种类和相对应的误差指数，以及每个衍射峰对应的矿物，最后，确定参比物质种类，进行定量计算并给出计算结果，绝对误差在±1.80％内。

表1

实验序号	理论配比/％			实际检测/％
							Fe2O3	Fe3O4	Cf(4)	Fe2O3	Fe3O4	Cf(4)
	No.1No.2No.3No.4No.5	50.0050.0050.0039.0028.00	50.0039.0028.0028.0028.00	011.0022.0033.0044.00	51.6547.6151.7938.4326.84	48.3439.4228.1628.1927.55							012.9520.0433.3745.59

实例2：

取2005年5月宝钢高碱度烧结矿进行X射线衍射定量分析，其化学成分如表2所示，通过峰值对比和衍射分析，可以看出烧结矿内存在的矿物有赤铁矿、磁铁矿和铁酸钙。利用本法进行矿物定量分析结果，三者含量分别为54.91％，19.24％和25.83％。

表2

时间	TFe	FeO	SiO2	CaO	MgO	Al2O3	R
								2005年5月	59.47	7.55	4.25	8.20	1.27	1.29	1.93

以上每个试样的矿物检测，从开始在X射线衍射仪上进行衍射实验到在计算机上进行定性和定量过程，均在30分钟内完成。

Claims (3)

1.一种高碱度烧结矿主要矿物自动识别与定量方法，其特征是包含了烧结矿检测样制备方法、X射线衍射定量分析条件、高碱度烧结矿内矿物标准衍射曲线的数据库和分段优选拟合与计算软件四个部分检测步骤：

(1)烧结矿检测样制备方法，把转鼓试验后的高碱度烧结矿分成大、中、小三个粒级，每种取1-6克进行混合并一起研磨，制成粒度大于0.2μm小于0.054mm粒级的粉末，作为检测样；

(2)X射线衍射定量分析条件，根据实验确定X射线衍射条件为：扫描速度小于或等于2°/min，扫描范围15-65°，获得X射线衍射强度和衍射角度或d值关系的文本文件，如*.txt或*.usr；

(3)高碱度烧结矿内矿物标准衍射曲线的数据库，制备高碱度烧结矿中主要标准矿物：赤铁矿、磁铁矿、铁酸钙和硅酸钙，其中铁酸钙从二元到多元铁酸钙固溶体，获得相应标准矿物的X射线衍射曲线；同时，选取二氧化钛(金红石型)作为参比物质，根据关

${\mathrm{\ω}}_i=\frac{1}{K_{i-s}}\·\frac{{\mathrm{\ω}}_s}{1-{\mathrm{\ω}}_s}\·\frac{I_s^{\′}}{I_s}...\left(1\right)$

系式(1)选取不同质量分数的参比物质和标准矿物，实验测得对应不同矿物的K_i-s；式中，ω_i，ω_s分别是被测烧结矿中第i种矿物的质量分数和掺入参比物质的质量分数，I_i′，I_s分别是加入参比物质后的第i种矿物和参比物质的X射线衍射峰强度，K_i-s是第i种矿物与参比物质s间的K值；

(4)分段优选拟合与计算软件，整个过程通过VC⁺⁺可视化软件来完成，当计算机接收到X射线衍射结果*.txt或*.usr后，首先搜索出烧结矿检测样X射线衍射曲线的全部衍射峰，与标准矿物曲线的衍射峰相比较确定出矿物种类，然后根据矿物种类同时把烧结矿检测样和相关标准矿物的X射线衍射曲线分成n段，通过对应段联立方程求解各种矿物含量，根据拟合曲线误差分析择优筛选出误差小的为实际的矿物组成强度比率；最后，根据结合数据库内K_i-s值，计算机自动给出烧结矿内各种矿物含量。

2.如权利要求1所述的一种高碱度烧结矿主要矿物自动识别与定量方法，其特征被定量矿物的对象为高碱度烧结矿ω(CaO)/ω(SiO₂)＞1.5中赤铁矿、磁铁矿、铁酸钙和β-硅酸二钙，铁酸钙包括从二元到多元系铁酸钙固溶体。

3.如权利要求1所述的一种高碱度烧结矿主要矿物自动识别与定量方法，其特征包括定性与定量两部分，定性根据合成矿物的标准XRD曲线中提取d值，通过误差指数筛选，确定烧结矿内矿物种类；定量采用有限分段优选拟合，排除晶体择优取向性和定性中没有收索到矿物衍射峰带来的误差，来提高计算精度。