近年来，对烧结矿还原性的研究受到了广泛的重视，高炉炉料还原性的提高，可使焦比大幅度降低，生产率提高。在保证烧结矿其它性能（如冷强度、还原粉化和软化温度等）的同时，应尽量提高烧结矿的还原性，而铁酸钙是影响烧结矿还原性十分重要的因素，因此，有必要对铁矿石在烧结过程中铁酸钙的生成特性进行研究。
关于铁酸钙的成分与结构，国内外已有许多研究。最早认为是二元系铁酸钙，其成分为CaO.Fe2O3、2CaO.Fe2O3、CaO.2Fe2O3。随着研究的深入，发现烧结矿中铁酸钙主要是三元系、四元系及其固溶体，这是由于原料中存在的SiO2及Al2O3在烧结过程中溶入铁酸钙。因此，人们称其为复合铁酸钙或硅铝铁酸钙，简称SFCA。
道森（Dawson）等人认为SFCA的形成是以下几个反应的结果：
CaO.Fe2O3形成（1050～1150℃）；
Al2O3与CaO反应生成铝酸钙（1100～1150℃）；
铝酸钙熔于CaO.Fe2O3中（1100～1150℃），形成铁铝酸一钙；
铁铝酸一钙熔化并与Fe2O3反应生成铁铝酸半钙（1200～1250℃）；
随后与SiO2反应形成SFCA（1200～1250℃）。
影响铁矿石的铁酸钙生成特性的因素较多，主要包括以下两个方面：（1）烧结工艺参数的影响，包括烧结温度、烧结气氛和配碳量等。较低的烧结温度、较强的氧化性气氛，能够促进铁酸钙的生成。（2）铁矿石的性质，即自身特性，是决定烧结矿中不同矿物组成的内在因素。铁矿粉的种类、粒度组成、致密性、碱度、化学成分（包括CaO、MgO、SiO2和Al2O3）等又直接影响到烧结矿的矿相组成及分布的均匀性。铁矿粉的自身特性是影响SFCA生成能力的重要因素。[next]
2 试验原料与方法
2.1 试样制备
试验用的铁矿粉一部分来自济南钢铁集团总公司（简称济钢）原料厂和第一烧结厂，一部分由铁矿石经销商提供；CaO 为化学纯试剂。铁矿粉的取样采取“四分选取法”，以保证试样的代表性。将试验所用的铁矿粉在 110 ℃的烘箱内干燥2h，冷却后及时放入干燥皿保存。将干燥后的铁矿粉磨制成小于0.15mm的粉状，放入干燥皿保存。将 CaO 试剂磨制成小于0.15mm 的粉状，放入干燥皿保存。小饼试样的秤重采用精度为万分之一的电子天平。采用“干粉压制法”压制，压力为10MPa，保压2min。
2.2 试验设备
试验采用的主要设备有称量装置、压溃强度装置、压样试验装置和微型烧结法试验装置。微型烧结试验装置主要包括RHL-410P型红外线快速高温试验炉（主要由石英保护管和红外线灯管发热元件组成）、TPC－1000型温度程序控制仪、冷却水控制器、试样台自动升降装置、炉体支架及控制系统、试验气体控制系统、温度测定及控制系统。
2.3 试验方法
试验采用微型烧结法、显微矿相试验法。采用微型烧结法将各矿粉制成的小饼试样在一定的烧结制度下焙烧；对烧结后的小饼试样磨样，在显微镜下观察各试样中SFCA的生成情况以及矿相结构等。矿相组成的定量分析采用目测法。
具体方案采用碱度为2.0、试验温度1280℃，试验用原料的化学成分见表1。试验用小饼试样以高度为基准，高5mm，直径8mm。试验温度和气氛控制见表2。[next]
表1 试验用原料的化学成分% | |||||||||
矿石代号 | TFe | FeO | SiO2 | CaO | MgO | Al2O3 | S | P | 烧损 |
A | 67.72 | 0.22 | 0.58 | 0.018 | 0.02 | 0.74 | 0.003 | 0.048 | 1.61 |
B | 68.7 | 0.26 | 1.05 | 0.11 | 0.06 | 0.34 | 0.003 | 0.018 | 0.44 |
C | 67 | 0.26 | 1.4 | 0.32 | 0.073 | 1.3 | 0.018 | 0.046 | 1.18 |
D | 66.02 | 0.29 | 3.36 | 0.31 | 0.043 | 0.71 | 0.01 | 0.026 | 1.18 |
E | 63.46 | 0.15 | 3.03 | 0.031 | 0.04 | 1.97 | 0.005 | 0.078 | 3.79 |
F | 64.9 | 0.77 | 3.15 | 0.04 | 0.06 | 1.83 | 0.008 | 0.07 | 2.55 |
G | 57.95 | 0.9 | 4.15 | 0.011 | 0.08 | 1.12 | 0.008 | 0.04 | 11.61 |
H | 56.9 | 1.16 | 5.34 | 0.41 | 0.19 | 2.36 | 0.006 | 0.039 | 10.32 |
I | 56.9 | 1.16 | 5.34 | 0.41 | 0.19 | 2.36 | 0.006 | 0.039 | 10.32 |
J | 62.46 | 0.22 | 2.44 | 0.031 | 0.034 | 1.7 | 0.002 | 0.072 | 5.51 |
表2 试验温度和气氛控制 | ||
温度/℃ | 时间/min | 气氛 |
室温→600 | 4 | 空气 |
600→1000 | 1 | 氮气 |
1000→1150 | 1.5 | 氮气 |
1150→试验温度 | 1 | 氮气 |
试验温度 | 4 | 氮气 |
试验温度→1150 | 2 | 空气 |
1150→1000 | 1.5 | 空气 |
1000→室温 | 断电自然降温 | 空气 |
注：氮气和空气流量均为3L/min。 | ||
3 试验结果及分析
10种铁矿石的矿物组成及显微结构特征见表3及图1～10。矿石试样中铁酸钙含量由高到低的排：[next]
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3.1 G、H矿中SFCA含量最高
在10种铁矿石中，G和H两种矿试样中的SFCA含量最高，分别达到40％和35％。主要原因：（1）这两种铁矿石皆为褐铁矿，烧损比较高，在一定的温度下，结晶水受热蒸发后，在褐铁矿中留下残余气孔，使铁矿石结构疏松，加快了Ca2+向铁矿石中的扩散，同时铁矿物离子也易于扩散，使反应更易进行，有利于大量低熔点化合物的生成，因而有利于提高SFCA的生成量。（2）这两种铁矿石的Al2O3/SiO2的比值较为适宜，有利于铁酸钙的生成。（3）这两种铁矿石的Al2O3和SiO2含量都比较高,结构比较疏松，非常有利于SFCA的生成。
3.2 E、F、D矿中SFCA含量较高
在10种铁矿石中，E、F、D三种矿试样中SFCA含量都比较高（在29%～31％之间）。主要原因：（1）这三种矿的SiO2含量都比较高，在相同碱度条件下，配入的CaO量较高，而这三种矿皆为赤铁矿，这样CaO与Fe2O3接触的几率增大，SFCA生成量也随之增大。（2）这三种矿结构都比较疏松，利于扩散反应的进行，从而有利于铁酸钙的生成。另外，D矿Al2O3/SiO2比值比较适宜，利于铁酸钙的生成，也是D矿SFCA生成量较高的重要原因。
3.3 J、I、B、C矿中SFCA含量较低
在10种铁矿石中，J、I、B和C矿铁酸钙生成量较低的主要原因为：（1）I矿的品位低、SiO2含量高，达5.34％。烧结料中含有较高的SiO2时，会发生:2Fe3O4+3SiO2=3（2FeO.SiO2）+O2的反应，从而会加速磁铁矿和赤铁矿的分解，不利于铁酸钙的生成。另外，烧结料中含有较高的SiO2，会生成较多的2CaO.SiO2，而大量2CaO.SiO2的生成，也就意味Fe2O3与CaO结合的机会相对减少，不利于铁酸钙的生成。（2）J、B和C三种矿SiO-2含量比较低，在相同碱度的条件下，配入的CaO量也比较少，因而生成SFCA的几率降低。[next]
在10种铁矿石中A矿的SFCA含量最低，只有5％。其原因为：该矿的SiO2含量最低，只有0.58％，这样在相同碱度的条件下，配入的CaO量也最少，因而生成的铁酸钙含量最少。另外该矿结构比较致密，既不利于Fe2O3和CaO的扩散，也不利于低价氧化物氧化过程的进行，从而在一定程度上影响了铁酸钙的生成。
4 结论
4.1 铁矿石的铁酸钙生成特性是多种因素共同作用的结果。除受焙烧温度、焙烧气氛、碱度等因素影响外，还受铁矿石的自身性质，如Fe2O3含量、CaO含量、SiO2含量、MgO含量、Al2O3/SiO2的比值，和致密性等因素的影响，这些影响因素之间是互相影响、互相作用的。
4.2 不同的铁矿石，铁酸钙的生成特性不同。在碱度为2.0及其它条件相同的情况下，结构松散的褐铁矿、赤铁矿及较高含量的Al2O3和SiO2均有利于SFCA的生成。
4.3 铁矿石的铁酸钙生成特性是烧结配矿必须考虑的因素，对优化配矿具有重要的指导作用。在烧结料中适当配加一定比例的G矿和H矿以及结构松散的赤铁矿粉，可以提高烧结矿强度和还原度。
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