1 前言

烧结矿是高炉的主要铁源之一，提高烧结矿的还原性，对降低还原剂比和提高铁水产量都具有重要意义。

烧结矿主要由赤铁矿、磁铁矿、熔渣以及复合铁酸钙构成。复合铁酸钙主要含有SiO₂、Fe₂O₃、CaO及 少量Al₂O₃，占烧结矿矿物相的30%-50%。因此，对其还原性进行评价十分重要。按照晶体结构，复合铁酸钙可分为SFCA和SFCA-Ⅰ两大类别，有研究指出还有SFCA-Ⅲ。

有报告称，用试剂合成的同等铁含量的SFCA和SFCA-Ⅰ的粉末样品，后者表现出更高的还原率。此外，有研究称试剂合成SFCA中的Al₂O₃浓度对还原性有影响。但迄今为止，尚无以实际烧结矿中存在的复合铁酸钙为对象进行的研究。因为烧结矿中复合铁酸钙与其他矿物相复杂地交织在一起，并强烈地受到该矿物相的孔隙结构影响。实际烧结矿中存在的复合铁酸钙的化学成分范围很大，目前不能将烧结矿中的复合铁酸钙的晶体结构与组织和成分联系起来。为此，本文通过对实际烧结矿进行预热还原和湿法磁选来提取以复合铁酸钙为主的粉末样品。基于等温还原和升温还原试验对实际烧结矿中复合铁酸钙的还原性进行了研究。

2 试验过程和方法

将粒径为6.7-9.5mm的5种实际生产烧结矿，每种100±1g装入竖式电炉，在13NL/min的N₂流通条件下，升温至500℃，此后切换为N₂-12.8%CO-22.9 %CO₂-3.2%H₂-1.1%H₂O的还原性气体，进行预还原，时间3h。

还原后，将烧结矿粉碎为粒径10μm以下的颗粒，并与乙醇混合制成悬浊液。对悬浊液进行湿法磁选分离。将磁选后的残渣干燥，制成粉末用于等温还原试验和升温还原试验。对粉末试样利用X射线衍射仪（XRD）进行相鉴定。利用Rietveld解析法求得复合铁酸钙相的比例（SFCA、SFCA-Ⅰ、SFCA-Ⅲ）。

等温还原试验是将约5mg的各粉末样品装入氧化铝坩埚，达到指定温度（700℃、750℃、800℃）后保温10min，通入还原气体N₂-48%（CO+CO₂）。根据还原前后样品重量变化，计算样品还原率。

升温还原试验同样在N₂-48%（CO+CO₂）的还原性气氛中进行，其中 CO 与 CO₂的比例见图 1。使用XRD测量高温还原过程中的相变（原位测量），以评估还原性能。根据XRD的试验结果，计算各温度下的峰值强度比I_r，评价试样的还原性如公式（1）所示。其中，I₀为还原前的峰值强度，I_x为特定温度下的峰值强度。

                       I_x 

I_r（%）=  ——×100 （1）

                       I₀

3 试验结果及结论

磁选前样品的Fe₃O₄比率在50%以上，磁选后的残渣降至7%-16%。各样品中含有约22%-32%的SFCA-Ⅲ，如表1所示。此外，磁选后的残渣平均粒径略小于磁选前试样的平均粒径。表明复合铁酸钙比磁铁矿更易于粉碎。

在等温还原试验中，同一温度下的还原率呈抛物线上升，斜率因样品而异。对还原率曲线进行微分得到的还原速度随还原温度升高而增大。

通过整理各时刻还原速度受各铁矿物相影响的情况发现，在还原初期，还原速度与磁铁矿含量成正比例增大，并受SFCA-Ⅲ和SFCA-Ⅰ的影响。此外，各矿物相的还原速度的阿仑尼乌斯图显示，各矿物相的活化能为200-250kJ/mol。表明在此条件下还原过程受化学反应控制。

为了评估复合铁酸钙对还原速度的影响，重点对700℃保温1min、750℃保温40s、800℃保温20s时的还原速度进行了多元回归分析。结果显示，在700℃时，SFCAIII的偏回归系数略大，但基本相同；而在更高温度下，SFCA-III的偏回归系数明显更大。即在复合铁酸钙中，SFCA-III对还原速度有显著影响。

图2展示了复合铁酸钙以及方铁矿的峰值强度比变化，复合铁酸钙的峰值强度比约从550℃开始下降，800℃时，峰值强度比下降到20%。方铁矿的XRD谱线的峰值强度比约从620℃开始升高。表明复合铁酸钙还原为方铁矿过程中存在过渡阶段。

根据SFCA-Ⅰ、SFCA-Ⅲ的固有峰值计算峰值强度比。结果显示，SFCA-Ⅰ约从600℃开始下降，而SFCA-Ⅲ约从550℃开始下降。表明SFCA-Ⅲ比SFCA-Ⅰ、SFCA具有更强的还原性。