[科普中国]-还原膨胀性

还原膨胀性(reduction swellability)是指铁矿石球团在还原过程中产生体积膨胀的性能。它是球团矿的一种重要冶金特性。通常以球团矿在高炉连续铸钢炼铁过程中的高炉中温区还原前后体积变化的百分率作为还原膨胀性的指标。

简介20世纪60年代初期，日本高炉大量使用马尔康纳球团矿、瑞典高炉使用马尔姆贝尔格球团矿冶炼。由于这些球团矿在低中温区还原过程中产生异常体积膨胀与粉化，导致高炉炉况失常，此后，铁矿石球团矿的还原膨胀性就成了冶金界广泛重视的课题，并把它列为铁矿石球团矿冶金性能常规检验项目之一。一般认为膨胀率在20%以内的球团矿，高炉使用没有困难；膨胀率在20%～40%时，球团矿在高炉炉料中的使用比例不得超过65%；当膨胀率超过40%时，即使高炉炉料的使用比例不超过65%，且高炉处于低风量生产，高炉作业仍很不稳定1。

还原机理还原过程可分为3个阶段。

第1阶段Fe2O3还原为Fe3O4，第2阶段Fe3O4还原为FexO，第3阶段FexO还原为Fe。球团矿在还原过程中产生两种不同类型的膨胀，即正常膨胀及异常膨胀。在还原最初阶段，即还原度在20%～25%时，两种类型的膨胀率几乎相等；当还原度继续上升，正常膨胀的球团矿，其膨胀常随还原度的上升而上升，体膨胀率的最高值是20%～25%，随后体积收缩；而异常膨胀的球团矿则随着还原度的上升，体膨胀系数急剧上升，特别是还原度在25%～70%之间时，最高体膨胀系数可达80%以上。球团矿还原的第1阶段，Fe2O3还原为Fe3O4过程中发生晶型转变，三方晶系菱形六面体转变成等轴晶系立方体，体膨胀率达到20%；

第2阶段由于没有晶系的转变所以膨胀很少；

第3阶段FexO还原为Fe时，发生体积收缩，这是属于球团矿的正常还原膨胀过程。球团矿的异常还原膨胀则发生在第2还原阶段及第3还原阶段，其原因有铁矿物的各向异性、铁晶须的生成、某些杂质的存在及生球质量不好或加工过程有缺陷等因素。

球团矿的还原膨胀特性1.铁矿物的各向异性。

赤铁矿晶粒以板状形态存在，由于各方向上的还原速度及膨胀率不同而发生开裂引起异常膨胀。赤铁矿与磁铁矿共生在同一晶体内，或粗粒磁铁矿与片状赤铁矿共生，晶体排列不规则，各向还原速度不一致，在界面上产生推力，使两个晶体开裂。

2.铁晶须的生成。

在还原的第3阶段，即FexO还原为Fe时，还原反应不在FexO表面成层进行，而在边、角、棱位置迅速生长铁晶须。它的生长促使球团结构松动，使球团体积猛增。
3.杂质成分。

球团矿含有少量碱金属、氧化钙及氧化锌等，它们不均匀地固溶于FexO中，在还原过程中易发生异常还原膨胀。高品位低SiO2球团矿中，当碱度(CaO/SiO2)在0.1～0.6时，特别是在0.4～0.5之间时，有最大的体膨胀率，因为在此碱度下，球团在还原过程中，钙铁橄榄石及铁橄榄石形成共晶体，其熔点最低，当其脉石总量超过10%时，则体膨胀率下降。此外，以MgO代替CaO，共晶体的熔点上升，有利于体膨胀率的下降。
4.生球质量不好或加工过程有缺陷。

配料不当、加热和冷却速度不当、化学成分及焙烧温度不当，这些都可能引起异常还原膨胀，有时甚至是最主要的原因2。

防止球团异常膨胀的措施常用措施
(1)加入添加物调整球团矿的脉石成分。通过改变球团矿内CaO、MgO、SiO2及Al2O3的比例来调整球团矿连接键的类型和数量，是抑制球团矿异常膨胀粉化的重要措施。SiO2对提高球团矿热还原强度，抑制还原膨胀及铁晶须长大所引起的异常膨胀有良好作用。但当CaO存在时，CaO与SiO2要有适当比例，以免形成低熔点共晶体，使体膨胀率增大。MgO加入时，可提高渣相的热稳定性，对防止膨胀有利。Al2O3可以形成铝酸盐，促使渣相的发展，使膨胀受到限制。
(2)采用保护性的焙烧气氛。在非氧化气氛下焙烧球团，球团矿以磁铁矿再结晶和被部分渣链所固结，可防止异常膨胀。此法对于含碱金属球团也起同样作用。
(3)适当提高焙烧温度。这可增加球团液相链、减少铁氧化物的再结晶链，此外还可使球团结构更趋均匀，矿物结晶趋向完善并长大，避免多重晶生成。

检验方法检验球团矿还原膨胀的方法有国际标准化组织试行方法、日本工业标准方法和中国国家标准方法。
1.国际标准化组织试行方法(ISO/I-P4698)。

采用内径75mm、长800mm的双壁还原反应管，还原气体在双壁中间加热后进入反应管内。每次试验将18个球团矿置于钢丝篮或专用支架的3个水平面上，互不依靠，让其自由膨胀。反应管的顶端吊挂在天平上，反应管的下端置于高温炉内。试样的粒度为10.0～12.5mm，18个球团矿的质量为60g±1g。试样先在110℃下干燥至恒重，然后放入反应管内，通入惰性气体，升温到900℃±10℃，加热15min，然后在恒温下通入还原气体还原60min，连续记录还原过程的失重。还原后把反应管自高温炉中提出，以5L/min的流量通入惰性气体进行冷却至室温。还原气体的成分为CO 30%±0.5%、N270%±0.5%，杂质含量要求O2≤0.1%，H2、CO2和H2O均≤0.2%，气体流量为15L/min±1L/min。使用水银体积计测定试样在还原前后的体积。
2.日本工业标准方法(JIS M8715-1977)。

使用内径为50mm的卧式电炉，还原反应管为内径30mm、长300mm的石英管。以3个5mm以上的球团矿作试样，放到长70mm、宽20mm、深5mm的石英舟内，再将石英舟放入反应管内。还原气体的成分为CO 30%、N2 70%(H2