低品位烧结矿的三维微观重建及成矿与还原机理研究

In order to reduce cost, improve competitiveness, most of the iron and steel enterprises increase the low grade ore consumption. This depresses the grade and quality of sinter. To analyze the mineral phase of low grade sinter, panoramic microscopic image mosaic method and microscopic image reconstruction will be studied. The panoramic microscopic image represent the whole information of sinter. And the 3D microscopic image represent the 3D mineral information of sinter. To study mechanism of the formation of low grade sinter, the three-dimensional reconstruction and other analysis methods will be used. The relationship between sintering parameters (such as iron ore properties, composition, the quantity of liquid phase, fuel ratio, particle size, sintering temperature) and low grade sinter mineral composition will also be studied.The change rules of calcium ferrite and other mineral composition in reduction process of low grade sinter will be researched. And the interaction mechanism between those mineral composition will also be discussed. The relationship between the structure of low grade sinter mineralogical and RDI, reducibility, softening and melting properties will also be investigated.This project will provide a theoretical basis to improve metallurgical properties of low grade of sinter.

为了降低成本，提高竞争力，大部分钢铁企业增加了低品位、低价格的矿石用量，导致烧结矿品位降低，质量变差。本项目针对低品位烧结矿矿物结构复杂的特点，开展低品位烧结矿断层全景显微图像拼接方法和低品位烧结矿显微图像的三维重建及分析方法研究，并利用序列切片-三维重建法获取烧结矿的三维显微图像，全面、直观、准确地反映低品位烧结矿的微观结构；本项目还将针对低品位烧结矿低温还原粉化率高，冶金性能差的特点，结合烧结矿显微图像的三维重建及分析方法与其它研究手段，研究低品位烧结矿成矿机理，探明铁矿性能、化学成分、燃料配比、烧结温度和冷却速度等因素与低品位烧结矿矿物组成的关系，同时还研究低品位烧结矿中铁酸钙等矿物组分在还原过程中的矿相变化及各矿物之间的相互作用机理，探明低品位烧结矿低温还原粉化机理，分析低品位烧结矿矿相结构与其低温还原粉化率、还原性能、软熔性能的关系，为改善低品位烧结矿质量提供理论依据。

本项目研究主要成果如下：.（1）针对低品位烧结矿矿物结构复杂的特征，提出采用邻域平均法和中值滤波法相结合来对显微图片预处理，并基于人机交互的配准算法进行图像配准与拼接，获得烧结矿显微组织全景图。采用基于计算机图像处理技术将不同矿物进行分割，实现了低品位普通烧结矿和钒钛烧结矿的矿物分布定量分析。.（2）将典型区域的多层序列烧结矿显微图进行配准，基于线性插值法，采用体绘制和面绘制获取烧结矿的三维显微结构图，通过阈值分割提取各矿物的三维结构。结果表明，低品位普通烧结矿中铁酸钙以树枝状或针状向三维空间延展，部分板块状铁酸钙与板块状磁铁矿形成交织熔蚀结构，少量颗粒状赤铁矿分布在三维空间；钒钛烧结矿中钛赤铁矿多以骸晶状和菱形存在，钛磁铁矿主要以小柱状在三维空间互联，铁酸钙晶粒细小，连接性较弱。.（3）实验研究和第一性原理计算表明，SiO2和Al2O3在1%~4%时，有利于块状或者颗粒状铁酸钙向板状和针状转变，且w(SiO2)为3%~4%时能够形成机械强度较好的针状铁酸钙。低品位烧结矿的成矿机理研究表明，增加碱度、烧结温度和保温时间均有利于铁矿粉烧结液相数量增加。但随着液相量的增加，铁矿粉粘结相强度先增后降。铁矿粉与CaO的同化能力与其成分和粒度密切相关。烧结矿的结构主要受液相行为和大颗粒矿粉致密度的影响，同时细粒级矿有利于改善烧矿强度、粗粒级矿有利于提高烧结速度和降低燃耗。.（4）低品位烧结矿的还原机理研究表明，还原反应在500℃时烧结矿中仅有赤铁矿被还原形成磁铁矿，随还原度增加磁铁矿逐渐生长为板状，并产生大量应力，导致该区域内赤铁矿、还原生成的磁铁矿粉化为小颗粒，形成大量裂纹和孔洞；700℃和1000℃时赤铁矿迅速减少，外层区域有大量Fe形成，试样孔隙增多，有少量的裂纹形成。建立了分形未反应核模型分析烧结矿还原动力学，分析表明还原过程中，内扩散和界面化学反应阻力是不断变化的。反应初期，反应为界面化学反应控制；而随着反应的进行，内扩散阻力逐渐增大，反应为界面化学反应和内扩散混合控制。