1、试验准备

1.1试验原料

试验原料主要来自某钢铁厂，其主要化学成分和烧损如表1所示。基于FactSage 6.4软件的计算要求，对混匀料配加CaO来调节其碱度，再折成相应的氧化物形式，设定Fe?O?、Fe?O?、SiO?、MgO、CaO以及Al?O?等氧化物的总和为100 g，用于FactSage热力学计算的试样化学成分如表2所示。烧结验证试验配料方案如表3所示。

表1原料主要化学成分及烧损（质量分数）%

表2用于FactSage计算的试样化学成分和碱度（质量分数）%

表3烧结杯试验配料方案（质量分数）%

1.2试验方法

在烧结过程中，熔体的形成十分复杂，不可能直接测量熔体的物理性能，因此可以通过熔体成分来预测熔体的性能。液相聚结使得烧结矿孔表面积减少，通常认为聚结行为受表面力、黏性力、惯性力和重力的综合结果。因此，评估烧结矿聚结行为的致密化因子可以表示为：

式中：F_{Den}为致密化因子，其值越大，表示烧结过程中的聚结过程越充分，致密化程度越好；We为韦伯数；Ca为毛细管数；Bo为邦德数；A,B,C,D为常数；v为特征速度，m/s；rho为密度，kg/m3；mu_{App}为表观黏度，Pa·s；L为与界面张力作用的(气-液-固)界面曲率半径相关的特征长度，m；sigma_{M}为熔体表面张力，N/m（原文单位kg/s2有误，应为N/m或等效的kg/s2）。其中，sigma_{M}可以通过相关文献获得，rho可以通过FactSage计算得到，v和L是未知项。

采用假设Ca和Bo指数的方法来消除未知项v和L，最终得到式（5）:

对表面张力sigma_{M}的计算方程见式（6）：

式中：x_{i}为熔体中组分i的摩尔分数；sigma_{i}是熔体中组分i的偏摩尔表面张力，N/m；T为熔体温度，K；frac{dsigma_{i}}{dT}为熔体组分i的偏摩尔表面张力温度系数；E为常数。熔体组分的sigma_{i}和frac{dsigma_{i}}{dT}取值如表4所示。

表4熔体组分的偏摩尔表面张力和温度系数

表观黏度可以使用两相（液-固）系统的Vand方程来确定，对于表观黏度的计算，Vand模型基于理论和试样输入，并且已被证明对低固体浓度和高固体浓度都有效。因此比较适合用于烧结熔体表观黏度的计算。方程见式（7）：

式中：mu_{M}为熔体黏度，Pa·s；S为熔体中固体颗粒的体积分数，%。

对于一般的氧化物体系，可以采用求和原则来确定体系的摩尔体积。但是含有SiO?、Al?O?和P?O?的矿渣由链、环和配合物组成，它们取决于现有阳离子的数量和性质，该部分摩尔体积取决于该类型的氧化物的组成。MILLS等概述的BOS数学模型考虑了这些影响，在大量试样数据的基础上建立了渣系成分中二氧化硅和氧化铝的偏摩尔体积计算式，该模型对矿渣的密度预测误差约为2%，具有较高的准确度，因而得到了广泛的应用。而烧结熔体也属于渣相体系，因此BOS数学模型可以合理应用在铁矿石烧结熔体中，方程见式（8）：

式中：V为熔体的摩尔体积，cm3/mol；x_{i}为熔体中组分i的摩尔分数，无量纲；V_{i}为熔体组分i偏摩尔体积，cm3/mol（表5）。

表5熔体组分的偏摩尔体积

1.3试验步骤

试验分为FactSage热力学计算和烧结杯试验两部分。表3中为用于FactSage计算的5组试样成分，首先通过“Equilib”模块对5组试样的液相生成温度和液相成分进行计算，然后通过“Phase Diagram”模块计算SiO?-CaO-Fe?O?体系的液相投影，最后通过“Viscosity”模块计算渣相体系的黏度。

烧结杯试验中，点火温度为(1050±50)℃，点火负压为4 kPa，持续120 s。在烧结过程中，将烧结负压控制在10 kPa。烧结结束，直到烧结终点，烟气温度达到峰值。再利用环境空气冷却10 min，然后除去烧渣。烧结试验参数保持固定，列于表6。冷却后，使用CSIRO联合滴塔/颚破碎机对烧结矿进行处理，然后对烧结颗粒进行进一步取样，以测定烧结矿成分和质量指标，包括转鼓和耐磨指数的测定（根据GB/T24531—2009/ISO3271:2007国家标准测量）和孔隙率（采用AutoPore IV 9510型压汞仪测量）。

表6烧结杯试验工艺参数

2、结果与分析

2.1碱度对液相生成的影响

采用Factsage 6.4中“Equilib”?？槎圆煌疃忍跫碌睦砺垡合嗌晌露纫约安煌露认碌囊合嗌闪拷屑扑悖峁绫?所示。在不同碱度条件下，烧结矿的液相生成量随温度的变化如图1所示。通过“Phase Diagram”?？榧扑鉙iO?-CaO-Fe?O?体系：氧分压固定为21278 Pa，Al?O?组元固定为1.47%，MgO组元固定为0.73%情况下的液相投影，温度区间设置为1100~1600℃，升温梯度为50℃，计算结果如图2所示（图中s、s2、s4、s6代表同种物质的不同晶体结构）。

表7不同碱度条件下液相形成温度

由图1可知，液相生成量随温度升高而增大，当温度高于1250℃时，液相形成加快。试验中，碱度主要由改变CaO的含量来调节，其它各组分基本不变。图2中，当烧结温度从1100℃升高到1600℃时，液相区域迅速增大，向Fe?O?角移动，此时有更多的Fe?O?熔化在液相中，有利于高强度铁酸钙的生成。随着碱度提高（如图中箭头所示），在1500℃左右时，硅酸二钙(Ca?SiO?)发生由α-Ca?SiO?向α’-Ca?SiO?的晶型转变，晶型转变引起体积膨胀，会影响烧结矿的强度。

图1不同碱度条件下液相生成量与温度的关系

图2不同温度条件下液相投影