低硅烧结矿分形结构和性能的研究

烧结矿对高炉冶炼各项指标的改善起着至关重要的作用，低硅烧结是进一步提高高炉生产率、降低焦比的有效途径之一。低硅烧结矿的烧结性能与其矿相组成及显微结构密切相关，由于其矿相组成及显微结构的复杂性，对烧结矿研究一直停留在反复实验和定性描述的基础上。本项目将采用分形理论对低硅烧结矿的矿相组成和内部的显微结构进行定量解析，在原有研究基础和成果上进行深入探索，重点研究低硅烧结矿的显微结构如孔隙、破碎、微观组元的分形特征和形成机制，揭示其分形特征与烧结过程及性能之间的关系，初步建立显微结构的定量表征关系，为烧结矿性能的优化设计提供理论依据，以实现烧结机理与现代控制技术的有机连接。

很多矿石类材料从显微组元的形态、微观损伤到宏观粉化的几何特征和物理演变，均具有不连续性和较好的统计自相似性，而分形理论是研究这一特性的有效方法。烧结矿显微组织具有不规则性和较好的统计自相似性，且大小尺度很宽。结合烧结矿显微结构的这些特点，本项目采用分形理论对低硅烧结矿的显微结构进行定量解析，重点研究低硅烧结矿的显微结构中三维分形孔隙、破碎粒子以及二维显微组织的分形特征和形成机制，揭示其分形特征与烧结过程及性能之间的关系，初步建立显微结构的定量表征关系。.烧结矿在成矿过程中表面形貌发生不可逆演化，晶粒晶界分形维数介于1.1~1.6之间，1300℃是晶粒晶界分形研究的分界点，在该点两侧抗压强度均随分维值的增加而增加，并且1300℃是分形维数和抗压强度的极大值点，此时分形维数值和抗压值分别为1.59和2400N。低硅烧结矿的筛分粒度分形维数均介于2.1~2.7之间，线性相关系数均大于0.97，具有良好的线性相关性和分形特征。晶界粒度分布的多重分形结果表明，随着碱度的增大，Fe2O3与CaO•Fe2O3分布越来越均匀，当碱度为2.0时， Fe2O3与CaO•Fe2O3生成数量最多；MgO含量为2.4%时，多重分形谱谱宽△α达到最小值、多重分形谱值最大，Fe3O4的数量最多且分布最均匀；当SiO2=4.8%时，△α值最小、f（α）max的值最大，低硅烧结矿中的铁酸钙分布较均匀而且生成量最大，孔隙分布的多重分形结果发现，当碱度、MgO含量和配碳量分别为2.0、2.6%和3.7%时，孔隙分布的△f（α）< 0，多重分形谱宽△α达到最小，表明此时低硅烧结矿中最小概率分布数目较多，压汞仪实验所需压力较小，气孔较大，气孔分布较均匀，气孔率较好，有利于冶金性能的能改善。但△α值随着SiO2含量的增加逐渐减小，冶金性能将逐步提高，与晶界粒度多重分形所得结果有所不同，这正好表明了低硅烧结矿微观结构的复杂性和非均匀性。冶金性能测试表明，随着碱度由1.8升高到2.2，低硅烧结矿的低温还原粉化和还原性得以改善，荷重软化性能变差。适量的MgO含量（2.4%~2.6%）可提高低硅烧结矿的冶金性能，进而改善炉渣的稳定性、流动性，有利于高炉顺行。配碳量为3.7%时，低温还原粉化性能最好，还原性略有下降。随SiO2含量的增加，低温还原粉化性得以改善。