烧结矿成矿机理包括烧结过程的固相反应、液相形成及结晶过程。它影响着烧结矿的矿物组成及显微结构，对烧结矿的质量有极密切的关系。研究烧结成矿机理不仅要了解固相反应、液相形成及结晶过程，而且要研究它们生成规律，以便改善烧结矿的质量。
（一）固相反应的现象及类型
在化学领域中已经发现千万个化学反应，其反应物或反应物之一都是液态或气态。例如固体碳的燃烧是固体与气体反应的一个例子，盐酸作用于石灰石发生CO2气体，这是固楣与液体作用的一个例子。固体物质之间能否发生化学反应，过去都持否定态度，直到19世纪当人们发现固相中存在扩散现象，金属与氧化物之间有置换反应，才确认固体物质中的质点是可以运动的，而且固态物质之间也是可以直接进行反应的。
固相反应有以下几种类型，这些反应在远低于反应物的熔点或它们的低共熔点的温度下即开始进行，其一般形式如下：
MeO+C→Me+CO↑ 还原反应
RO+R′→R′O+R 置换反应
RO+ R′2O3→ROR′2O3 化合物或共熔体
mR2O+nSiO2→mR2O•nSiO2 化合物或共熔体
RmOn+(m+n)C→mRC+nCO 还原反应
（二）固相反应理论
为什么固态物质会有这样的反应呢？这是因为真实的晶体是具有结构上的缺陷的，即在晶格中存在着应该为结构基元(离子)占据而未占据的空位，或者晶格中的结构基元从晶格中的正常位置(结点)移至晶格间隙而出现空位。晶体中的缺陷或空位是可以移动的，空位的移动反映着晶体结构基元的反向运动。
结构基元的移动不是任何情况都可以进行的，只有结构基元取得了一定的能量(活化能)之后，才可以克服周围质量的作用，才可以进行相应的移动。
结构基元的总数有多少可以进行移位，这主要决定温度的高低。温度愈高质点愈易于取得进行移位所必需的活化能，因之移位的质点数也愈多。
既然晶格中的质点具有可动性，一旦取得移位所必需的活化能后就克服周围质点的作用，可以在晶格内部进行位置的交换(即内扩散),也可以扩散到晶格的表面并扩散到与之相接触的邻近的其它晶体的晶格内进行化学反应。可以设想这种反应的进行并没有液相的参加。开始时反应产物必然具有极高的分散性。这种高度分散的晶体粉末具有严重的缺陷，具有极大的自由表面能，因而物质处于活化状态。它具有很强的降低其能量的趋向，呈现出强烈的移位作用。其结果是晶格逐渐得到校正，微小的晶体粉末电将聚集成较大的晶体颗粒，反应产物也就具有了比较完整的晶格，从而变成了活性较低的较为稳定的晶体。[next]
以下是固相反应A+B→AB进程示意图，见图1.
1—反应物混合时即已互相接触，随着温度的升高，接触得更趋紧密。
2—随着温度升高，质点的移动性增大，在这一阶段中可能有吸附型反应产物产生，但是反应产物具有严重的缺陷，呈现出极大的活性。
3、4—质点的接触界面上形成一层反应产物层，一种组元已经扩散到另一种组元的晶格内部，形成一些化学计量的化合物AB.晶格内部的反应常伴随着颗粒表面的疏松和活化，反应产物的分散性在此阶段中还非常高。可以认为晶核已经形成并开始成长。
5—晶体已经成长为晶体颗粒.可从X光衍射图看出反应产物的特征线条，随着温度升高，线条的强度愈来愈大。
6—由于形成的晶体尚有结构上的缺陷，因而具有使缺陷校正而达到热力学上稳定状态的趋势。所以温度继续升高将导致缺陷的消除，使反应产物具有正常的晶格结构。[next]
（三）固相反应的特点及反应机理
固相反应的特点是：
1)固相之间可以进行直接反应，而反应的温度远低于反应物的熔点或它们的低共熔点。
2)固相反应开始的温度与其熔点间存在大致一定的规律性。对于金属是(0.3～0.4)×T熔,对于盐类是0.57T熔,对于硅酸盐及有机物是(0.8～0.9)T熔.所谓固相反应开始的温度是指反应物之一开始呈现出显著移位作用的温度。
近年来对于固相反应机理的进一步研究，认为仅仅固相之间的作用不能解析许多固相反应中极快的反应速度。因而有人认为固相反应中必然有非固相反应贯穿整个反应过程中，他们认为固相反应过程的机理应表示如下：
A固→A气,A气+B固→AB固
或A固+X固→(AX)液,(AX)液+B固→AB固+X固
他们认为固相反应中非固相———液相及气相起着重要的甚至决定性的作用。固相物质应当看成与其气相相结合的动平衡状态(例如氧化物及含氧酸的盐类)在加热过程中产生与固相处于平衡的气相，此相虽少，但在反应中的作用则不可低估。又如固相中存在着一些杂质，可能形成液相，其开始温度远低于主要固相物质的低共熔温度，这些少量液相也会在反应中起极大的作用。根据这一固相反应的理论所提出的扩散动力学方程式能比较正确的反映实际的反应过程。
从以上固相反应机理的研究中可以看到：除了温度、压力、保温时间等因素外，凡是能够促进外扩散及内扩散进行的因素都能促进固相之间的反应。例如反应物的细粉碎、多晶转变、脱水、分解等化学反应，固溶体的形成与之伴随着反应物晶格的活化，在一般情况下，也都加速着固态物质之间的反应。
采用矿化剂是促进固相反应的有效措施。因为采用矿化剂，它与反应物或反应物之一形成固熔体，使反应物的晶格活化，或者矿化剂在反应物体系中促使液相产生，从而加速了扩散作用的进行。但应该指出，随着反应的进行，矿化剂的作用可能会逐渐减弱甚至起相反的影响。
（四）烧结过程的固相反应
在烧结过程中由于固体燃料的燃烧产生的废气加热了烧结料，这为固相反应创造了有利条件。在烧结料部分或全部熔化以前，料中每一颗粒相互位置是不变动的。因此每个颗粒仅仅与它直接包围的及接触的颗粒发生反应。图2是烧结料各组成间的固相反应示意图。
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已经证实，在固相中只能进行放热的化学反应，而且两种物质间反应的最初产物只能形成同一种化合物，它的成分经常与反应物浓度比不相符合。在两种物质的接触地区发生带状结构不是一开始就立即形成，而是经过长期的保温后才能发生。与反应物成分相符合的最后产物在大多数情况下需要很长的时间。在抽风烧结过程中，加热烧结料自500℃到1500℃是在很短的时间内一般不大于3分钟实现的。因此对于烧结更有实际意义的是有关固相反应开始阶段的实验数据———反应开始的温度和最初形成的产物。
图3是CaO与SiO2固相反应的图形。尽管其中有过剩的SiO2,但在大气气氛中1000℃的情况下，在接触带第一个反应产物是正硅酸钙(2CaO•SiO2),2CaO•SiO2与CaO接触进一步形成3CaO•SiO2层，而沿着2CaO•SiO2与SiO2接触处形成3CaO•2SiO2,仅仅在过程的最后阶段才出现硅灰石(CaO•SiO2).
在原始组成中,CaO与SiO:的质量比为1:1,在固相反应中头4小时出现的反应产物仍只是正硅酸钙(2CaO•SiO2),只有经过长时间的保温，根据反应物质扩散能力以及浓度的比例出现不同的接触带。在CaO:SiO2=3:1的混合物中固相反应也出现类似的关系。
现在还没有关于固相反应中反应产物出现的顺序的满意的说明，看来在接触带第一个形成的化合物，其品格结构是最简单的。在CaO与SiO2,MgO与SiO2反应巾最先的反应产物仅是正硅酸盐，它的结构(独立SiO-44四面体)比偏硅酸盐结构(链式接合四面体)简单得多。很明显的在接触带形成化合物的自由能大小起了一定的作用。[next]
第一个反应产物不决定于反应物质的比例数，例如CaO与SiO2的固相反应中第一个反应产物几乎都是2CaO•SiO2,而2CaO+Fe2O3及CaO+Fe2O3的固相反应仅有CaO•Fe2O3.
如上所述，固相化学反应的机理是这种或那种离子在品格中的扩散作用。在晶格结点上波动的离子，在克服晶格中的结合力获得一定的自由前，离子的扩散作用是不会发生的。而这个作用对于一定的物质仅仅在一定的温度水平下才有可能。这说明温度对于反应产物的出现要比反应物相互作用的时间有较大的影响。因此了解固相之间化学作用的开始温度是很重要的,固相中出现反应产物的开始温度的实验数据,这些数据大部分是从对反应带物质的显微镜测定及X光衍射而获得的。
(1)Fe2O3不能与SiO2组成化合物，在575℃开始，这个系统仅仅形成有限Fe2O3溶于SiO2中的固溶体。最初石英的表面微弱染色，而到950℃这个反应生成所谓“玫瑰石英”.因此在配碳量少烧结赤铁矿非自熔性烧结料时,Fe2O3与SiO2不发生相互作用。要产生铁橄榄石(2Fe2O3•SiO2),必须预先还原Fe2O3或使Fe2O3分解为Fe3O4.这时需要配碳量较高。
(2)在石英与石灰石接触处,在500℃～600℃时开始形成硅酸钙，但在非自熔性烧结料中这种接触的机会是不大的.CaO可以代替固相偏硅酸盐中的MgO及MnO,甚至在MgCO3分解开始前，可以从它的固相化合物中局部的排挤MgO.
(3)到目前为止有关固相反应形成铁橄榄石的开始温度实验数据还很少。有人使用磁铁矿与石英砂在热风(990℃)烧结得到少量的铁橄榄石，有人使用磁铁矿、氧化亚铁及石英的混合物获得铁橄榄石，其开始形成的温度为1150℃.在高炉中，铁橄榄石一般出现在800℃～850℃以前。根据一般规则，即固相中硅酸盐物质形成的温度为0.8～0.9T熔，它的开始形成的温度应为910℃～1057℃.在还原气氛中形成铁橄榄石的反应按下式进行。
在配碳量较高的烧结过程中,SiO2可以与浮士体直接形成铁橄榄石。但是在一般情况下，由于在烧结料中缺乏自由氧化铁，因此几乎不发生这个反应。
(4)铁酸钙在500℃～700℃时在固相中开始形成，在烧结条件下石灰石、石灰与赤铁矿之间接触良好，促使这个反应的发生。铁酸钙同样可以在氧化铁与碳酸钙直接相互作用而产生。
当Fe3O4氧化到Fe2O3的条件不具备时，磁铁矿不能与CaO反应。研究者表明，在中性气氛下加CaO于磁铁矿烧结料中仅仅导致硅酸钙的形成。相反，在氧化气氛下，即Fe3O4氧化到Fe2O3,在同样烧结混合料中形成铁酸盐的反应进行得很迅速。因此只有当正常配碳烧结赤铁矿自熔性烧结料以及低配碳烧结磁铁矿自熔性烧结料时，铁酸钙在固相中才能形成。在后一种情况下磁铁矿剧烈氧化到赤铁矿，这些次生赤铁矿以后与石灰反应的结果形成了铁酸钙。
在配碳量低的情况下，仅有一小部料在烧结过程中熔化，固相反应的产物以后转入到烧结矿的组成中，此时尽管料的碱度不大，可以得到含铁酸钙的烧结矿。特别是在配碳低的条件下促使固相反应中形成铁酸钙。在低配碳及高碱度的条件下，为获得铁酸钙的烧结矿创造有利的条件，因为此时不仅在固相中形成的铁酸钙转入已烧好的烧结矿中，而且从形成铁酸盐的液相中作为单一相结晶出来。
（五）固相反应的作用
固相反应可以形成在原始料中所没有的易熔化的新物质。这些新物质在烧结过程中产生许多液相，最后获得强度高的烧结矿。在烧结固相反应极慢的含鳞绿泥石及鲕绿泥石脉石的精矿时(它们径燃烧带去水),改进固相反应过程在一定程度上能够影响液相的质量以及烧结矿的质量。因此有人研究使用预制的铁酸盐混合物配加于烧结料中来为固相中形成铁酸钙创造有利条件，改善烧结料的熔化，增加液桐量，改进烧结矿质量。
应该指出，已烧好的烧结矿粘结相的组成不决定于原料性质或烧结料中附加物的性质，而决定于烧结矿的碱度。当正常的配碳量及碱度CaO:SiO2＞1～1.5时，在烧结料中配加钙铁澉榄石粉末，增加其中铁酸钙粘结相量，改进了烧结矿的质量。在碱度小于1时，铁酸混合物由钙铁橄榄石组成的粘结相来提高烧结矿的质量。仅仅在低配碳的条件下，铁酸混合物以及其它附加物以原始的形态存在于烧结矿中。
国外有的工厂使用由60%返矿及40%石灰石组成的经锤式破碎机破碎的工业铁酸附加剂，在烧结料中配加15%,增加烧结速度10～12%,增加烧结矿强度15～20%.准备铁酸附加剂不需要很多的费用，而且可以作为提高烧结机的生产率及烧结矿的质量的有效措施。
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