地学前缘 ›› 2020, Vol. 27 ›› Issue (5): 280-290.DOI: 10.13745/j.esf.sf.2020.5.44
• 宝玉石、矿产综合利用、工艺及生命矿物研究中的成因矿物学 • 上一篇 下一篇
韩秀丽1(), 司天航1, 李鸣铎1, 周祥1, 刘磊1, 赵凯2
收稿日期:
2020-05-10
修回日期:
2020-05-23
出版日期:
2020-09-25
发布日期:
2020-09-25
作者简介:
韩秀丽(1966—),女,教授,博士生导师,主要研究方向为矿物学。E-mail: hanxl1965@126.com
基金资助:
HAN Xiuli1(), SI Tianhang1, LI Mingduo1, ZHOU Xiang1, LIU Lei1, ZHAO Kai2
Received:
2020-05-10
Revised:
2020-05-23
Online:
2020-09-25
Published:
2020-09-25
摘要:
铁酸钙是高碱度烧结矿中的主要黏结相矿物,它的含量、结晶形态、化学成分及晶体结构等矿物学特性对烧结矿质量起着关键性作用,而烧结原料中各组分的含量直接影响着铁酸钙的生成。以Fe3O4、SiO2、CaO、MgO、Al2O3的化学纯试剂为原料,在实验室进行微型烧结实验,运用XRD、偏光显微镜、电子探针等手段,定量分析研究了原料组分中MgO、Al2O3对烧结矿中铁酸钙的生成及其矿物学特性的影响。原料中MgO含量的增加对铁酸钙的生成有一定抑制作用,尤其在MgO含量为2.0%~3.0%时,烧结矿中铁酸钙含量明显减少,其晶体形态也从以板柱状和针状为主逐渐过渡为它形不规则状;原料中Al2O3的增加,对烧结矿中铁酸钙的形成具有促进作用,即随着Al2O3的增加铁酸钙含量呈明显增加趋势,且铁酸钙的形态也由以柱状和针状为主向板柱状变化。电子探针成分分析及矿物化学式计算结果表明,铁酸钙是由Fe2O3、CaO、SiO2、Al2O3及MgO组成的复杂结晶体,其化学通式为Ca2.60Mg0.44Si1.07Al0.96Fe8.92O20。原料中MgO、Al2O3含量的变化,对铁酸钙的化学成分中Fe2O3/CaO摩尔分数比影响不大,均接近3∶2。上述研究结果对于深刻理解烧结工艺条件下铁酸钙晶相的晶体化学特征及其对烧结矿质量的影响具有重要指导意义。
中图分类号:
韩秀丽, 司天航, 李鸣铎, 周祥, 刘磊, 赵凯. 镁铝对烧结矿中铁酸钙的矿物学特性影响[J]. 地学前缘, 2020, 27(5): 280-290.
HAN Xiuli, SI Tianhang, LI Mingduo, ZHOU Xiang, LIU Lei, ZHAO Kai. Influences of MgO and Al2O3 on the mineralogical properties of calcium ferrite in iron ore sinter[J]. Earth Science Frontiers, 2020, 27(5): 280-290.
编号 | wB/% | 碱度 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
Fe3O4 | SiO2 | CaO | MgO | Al2O3 | ||
M1.0 | 82.5 | 5.0 | 10.0 | 1.0 | 1.5 | 2.0 |
M1.5 | 82.0 | 5.0 | 10.0 | 1.5 | 1.5 | 2.0 |
M2.0 | 81.5 | 5.0 | 10.0 | 2.0 | 1.5 | 2.0 |
M2.5 | 81.0 | 5.0 | 10.0 | 2.5 | 1.5 | 2.0 |
M3.0 | 80.5 | 5.0 | 10.0 | 3.0 | 1.5 | 2.0 |
A1.0 | 82.5 | 5.0 | 10.0 | 1.5 | 1.0 | 2.0 |
A1.5 | 82.0 | 5.0 | 10.0 | 1.5 | 1.5 | 2.0 |
A2.0 | 81.5 | 5.0 | 10.0 | 1.5 | 2.0 | 2.0 |
A2.5 | 81.0 | 5.0 | 10.0 | 1.5 | 2.5 | 2.0 |
A3.0 | 80.5 | 5.0 | 10.0 | 1.5 | 3.0 | 2.0 |
表1 烧结原料化学成分
Table 1 Chemical compositions of sintering raw materials
编号 | wB/% | 碱度 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
Fe3O4 | SiO2 | CaO | MgO | Al2O3 | ||
M1.0 | 82.5 | 5.0 | 10.0 | 1.0 | 1.5 | 2.0 |
M1.5 | 82.0 | 5.0 | 10.0 | 1.5 | 1.5 | 2.0 |
M2.0 | 81.5 | 5.0 | 10.0 | 2.0 | 1.5 | 2.0 |
M2.5 | 81.0 | 5.0 | 10.0 | 2.5 | 1.5 | 2.0 |
M3.0 | 80.5 | 5.0 | 10.0 | 3.0 | 1.5 | 2.0 |
A1.0 | 82.5 | 5.0 | 10.0 | 1.5 | 1.0 | 2.0 |
A1.5 | 82.0 | 5.0 | 10.0 | 1.5 | 1.5 | 2.0 |
A2.0 | 81.5 | 5.0 | 10.0 | 1.5 | 2.0 | 2.0 |
A2.5 | 81.0 | 5.0 | 10.0 | 1.5 | 2.5 | 2.0 |
A3.0 | 80.5 | 5.0 | 10.0 | 1.5 | 3.0 | 2.0 |
样号 | 黏结相含量/% | 金属相含量/% | 其他含量/% | |||
---|---|---|---|---|---|---|
铁酸钙 | 玻璃质 | 硅酸二钙 | 磁铁矿 | 赤铁矿 | 氧化钙 | |
M1.0 | 40~45 | 5~10 | 微量 | 25~30 | 20~25 | 微量 |
M1.5/ A1.5 | 35~40 | 5~10 | 微量 | 35~40 | 15~20 | 微量 |
M2.0 | 35~40 | 5~10 | 1~2 | 40~45 | 10~15 | 微量 |
M2.5 | 30~35 | 5~10 | 1~2 | 45~50 | 10~15 | 微量 |
M3.0 | 25~30 | 5~10 | 2~3 | 55~60 | 5~10 | 微量 |
A1.0 | 25~30 | 10~15 | 微量 | 35~40 | 15~20 | 3~5 |
A2.0 | 40~45 | 5~8 | 微量 | 35~40 | 10~15 | 微量 |
A2.5 | 45~50 | 5~8 | 微量 | 30~35 | 10~15 | 微量 |
A3.0 | 50~55 | 3~5 | 微量 | 25~30 | 10~15 | 3~5 |
表2 不同MgO、Al2O3含量烧结矿的矿物组成
Table 2 Mineral compositions of sintered ores with different MgO and Al2O3 contents
样号 | 黏结相含量/% | 金属相含量/% | 其他含量/% | |||
---|---|---|---|---|---|---|
铁酸钙 | 玻璃质 | 硅酸二钙 | 磁铁矿 | 赤铁矿 | 氧化钙 | |
M1.0 | 40~45 | 5~10 | 微量 | 25~30 | 20~25 | 微量 |
M1.5/ A1.5 | 35~40 | 5~10 | 微量 | 35~40 | 15~20 | 微量 |
M2.0 | 35~40 | 5~10 | 1~2 | 40~45 | 10~15 | 微量 |
M2.5 | 30~35 | 5~10 | 1~2 | 45~50 | 10~15 | 微量 |
M3.0 | 25~30 | 5~10 | 2~3 | 55~60 | 5~10 | 微量 |
A1.0 | 25~30 | 10~15 | 微量 | 35~40 | 15~20 | 3~5 |
A2.0 | 40~45 | 5~8 | 微量 | 35~40 | 10~15 | 微量 |
A2.5 | 45~50 | 5~8 | 微量 | 30~35 | 10~15 | 微量 |
A3.0 | 50~55 | 3~5 | 微量 | 25~30 | 10~15 | 3~5 |
图2 偏光显微镜下不同MgO含量下烧结矿的显微结构 a—MgO 1.0% 斑状结构;b—MgO 1.5% 交织熔蚀结构;c—MgO 2.0% 熔蚀结构;d—MgO 3.0% 熔蚀结构;e—MgO 1.0% 骸晶赤铁矿;f—MgO 2.0% 短柱状铁酸钙;g—MgO 3.0% 板状铁酸钙;h—MgO 1.0% 集中出现的气孔;i—MgO 3.0% 连接成片的磁铁矿。1—磁铁矿;2—赤铁矿;3—柱状铁酸钙;4—针状铁酸钙;5—它形铁酸钙;6—玻璃质;7—气孔。
Fig.2 Polarizing microscope images showing the microstructures of sinters with different MgO contents
图3 偏光显微镜下不同Al2O3含量下烧结矿显微结构 a—Al2O3 1.0% 斑状结构;b—Al2O3 1.5% 熔蚀结构;c—Al2O3 2.0% 熔蚀结构;d—Al2O3 3.0% 熔蚀结构;e—Al2O3 3.0% 骸晶赤铁矿;f—Al2O3 2.0% 柱状铁酸钙;g—Al2O3 3.0% 板柱状铁酸钙;h—Al2O3 2.5% 成片磁铁矿;i—Al2O3 3.0% 连晶磁铁矿周围微裂隙。1—磁铁矿;2—赤铁矿;3—柱状铁酸钙;5—它形铁酸钙;6—玻璃质;7—气孔;8—裂隙。
Fig.3 Polarizing microscope images showing the microstructures of sinter with different Al2O3 contents
样号 | 铁酸钙体积分数/% | |||
---|---|---|---|---|
总量 | 针状 | 柱状 | 不规则状 | |
M1.0 | 40~45 | 15~20 | 10~15 | 10~15 |
M1.5/A1.5 | 35~40 | 15~20 | 10~15 | 5~10 |
M2.0 | 35~40 | 10~15 | 15~20 | 5~10 |
M2.5 | 30~35 | 5~10 | 10~15 | 10~15 |
M3.0 | 25~30 | 5~10 | 10~15 | 5~10 |
A1.0 | 25~30 | 10~15 | 5~10 | 5~10 |
A2.0 | 40~45 | 15~20 | 15~20 | 5~10 |
A2.5 | 45~50 | 10~15 | 10~15 | 20~25 |
A3.0 | 50~55 | 5~10 | 15~20 | 25~30 |
表3 不同形态铁酸钙的体积分数
Table 3 Volume fraction of different forms of calcium ferrite
样号 | 铁酸钙体积分数/% | |||
---|---|---|---|---|
总量 | 针状 | 柱状 | 不规则状 | |
M1.0 | 40~45 | 15~20 | 10~15 | 10~15 |
M1.5/A1.5 | 35~40 | 15~20 | 10~15 | 5~10 |
M2.0 | 35~40 | 10~15 | 15~20 | 5~10 |
M2.5 | 30~35 | 5~10 | 10~15 | 10~15 |
M3.0 | 25~30 | 5~10 | 10~15 | 5~10 |
A1.0 | 25~30 | 10~15 | 5~10 | 5~10 |
A2.0 | 40~45 | 15~20 | 15~20 | 5~10 |
A2.5 | 45~50 | 10~15 | 10~15 | 20~25 |
A3.0 | 50~55 | 5~10 | 15~20 | 25~30 |
图4 铁酸钙含量随烧结矿中MgO变化 a—铁酸钙总量随原料中MgO含量变化趋势;b—针状铁酸钙含量随原料中MgO含量变化趋势。
Fig.4 Changes of total(a) and needle-shaped(b) calcium ferrite contents with MgO in sinter
图5 偏光显微镜下铁酸钙微结构随MgO含量变化 a—MgO 1.5%;b—MgO 2.0%;c—MgO 2.5%;d—MgO 3.0%。1—磁铁矿;2—它形铁酸钙;3—针状铁酸钙;4—短柱状铁酸钙;5—玻璃质;6—裂隙。
Fig.5 Polarizing microscope images showing changes of calcium ferrite microstructures with MgO content
图6 铁酸钙含量随烧结矿中的Al2O3变化 a—铁酸钙总量随原料中Al2O3含量变化趋势;b—针状铁酸钙含量随原料中Al2O3含量变化趋势。
Fig.6 Changes of total(a) and needle-shaped(b) calcium ferrite contents with Al2O3 in sinter
图7 偏光显微镜下铁酸钙微结构随Al2O3含量变化 a—Al2O3 1.0%;b—Al2O3 2.0%;c—Al2O3 2.5%;d—Al2O3 3.0%。1—磁铁矿;2—赤铁矿;3—柱状铁酸钙;4—针状铁酸钙;5—它形铁酸钙;6—玻璃质;7—气孔。
Fig.7 Polarizing microscope images showing the changes of calcium ferrite microstructures with Al2O3 content
图8 不同MgO含量烧结矿中铁酸钙背散射电子图 a—MgO 1.0%;b—MgO 1.5%;c—MgO 2.5%;d—MgO 3.0%。a1—表4序号1;a2—表4序号2;a3—表4序号4;b1—表4序号5;b2—表4序号6;c1—表4序号11;c2—表4序号13;c3—表4序号14;d1—表4序号15;d2—表4序号17;d3—表4序号18。
Fig.8 EBSD images of calcium ferrite in sinters with different MgO contents
图9 不同Al2O3含量烧结矿中铁酸钙背散射电子图 a—Al2O3 1.0%;b—Al2O3 2.0%;c—Al2O3 2.5%;d—Al2O3 3.0%。a1—表5序号1;a2—表5序号2;b1—表5序号8;c1—表5序号14;c2—表5序号15;d1—表5序号16;d2—表5序号17。
Fig.9 EBSD images of calcium ferrite in sinter with different Al2O3 contents
样号 | 序号 | wB/% | 备注 | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Fe2O3 | CaO | MgO | SiO2 | Al2O3 | 合计 | |||
M1.0 | 1 | 82.69 | 9.77 | 3.05 | 1.80 | 3.99 | 101.30 | 柱状 |
2 | 81.66 | 10.08 | 2.91 | 2.01 | 4.19 | 100.85 | 柱状 | |
3 | 77.33 | 12.91 | 1.95 | 3.63 | 4.57 | 100.39 | 针状 | |
4 | 79.72 | 10.37 | 2.77 | 2.44 | 4.79 | 100.09 | 它形 | |
M1.5 | 5 | 67.16 | 16.94 | 2.43 | 8.08 | 4.10 | 98.71 | 柱状 |
6 | 70.61 | 15.09 | 2.45 | 5.66 | 4.65 | 98.46 | 它形 | |
M2.0 | 7 | 72.37 | 15.30 | 1.52 | 7.15 | 3.88 | 100.22 | 针状 |
8 | 72.12 | 15.88 | 1.61 | 7.11 | 3.93 | 100.65 | 柱状 | |
9 | 72.64 | 15.57 | 1.63 | 7.09 | 4.30 | 101.23 | 它形 | |
10 | 69.22 | 18.13 | 1.47 | 8.58 | 3.95 | 101.35 | 它形 | |
M2.5 | 11 | 78.21 | 11.66 | 1.82 | 3.90 | 3.80 | 99.39 | 针状 |
12 | 77.31 | 12.38 | 1.29 | 3.82 | 3.67 | 98.47 | 柱状 | |
13 | 77.65 | 12.60 | 1.22 | 4.09 | 3.87 | 99.43 | 它形 | |
14 | 77.61 | 11.69 | 1.43 | 3.91 | 3.79 | 98.43 | 它形 | |
M3.0 | 15 | 73.78 | 15.59 | 1.20 | 6.74 | 3.72 | 101.03 | 柱状 |
16 | 74.07 | 15.56 | 1.27 | 6.97 | 3.81 | 101.68 | 针状 | |
17 | 73.82 | 15.46 | 1.19 | 6.91 | 3.19 | 100.57 | 它形 | |
18 | 73.24 | 15.79 | 1.30 | 6.99 | 3.43 | 100.75 | 它形 | |
19 | 72.51 | 16.19 | 1.04 | 6.85 | 3.82 | 100.41 | 它形 | |
20 | 72.53 | 16.17 | 1.02 | 6.81 | 4.07 | 100.60 | 它形 |
表4 不同MgO含量烧结矿中铁酸钙电子探针数据
Table 4 Electron microprobe analyses of sinter with different MgO content
样号 | 序号 | wB/% | 备注 | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Fe2O3 | CaO | MgO | SiO2 | Al2O3 | 合计 | |||
M1.0 | 1 | 82.69 | 9.77 | 3.05 | 1.80 | 3.99 | 101.30 | 柱状 |
2 | 81.66 | 10.08 | 2.91 | 2.01 | 4.19 | 100.85 | 柱状 | |
3 | 77.33 | 12.91 | 1.95 | 3.63 | 4.57 | 100.39 | 针状 | |
4 | 79.72 | 10.37 | 2.77 | 2.44 | 4.79 | 100.09 | 它形 | |
M1.5 | 5 | 67.16 | 16.94 | 2.43 | 8.08 | 4.10 | 98.71 | 柱状 |
6 | 70.61 | 15.09 | 2.45 | 5.66 | 4.65 | 98.46 | 它形 | |
M2.0 | 7 | 72.37 | 15.30 | 1.52 | 7.15 | 3.88 | 100.22 | 针状 |
8 | 72.12 | 15.88 | 1.61 | 7.11 | 3.93 | 100.65 | 柱状 | |
9 | 72.64 | 15.57 | 1.63 | 7.09 | 4.30 | 101.23 | 它形 | |
10 | 69.22 | 18.13 | 1.47 | 8.58 | 3.95 | 101.35 | 它形 | |
M2.5 | 11 | 78.21 | 11.66 | 1.82 | 3.90 | 3.80 | 99.39 | 针状 |
12 | 77.31 | 12.38 | 1.29 | 3.82 | 3.67 | 98.47 | 柱状 | |
13 | 77.65 | 12.60 | 1.22 | 4.09 | 3.87 | 99.43 | 它形 | |
14 | 77.61 | 11.69 | 1.43 | 3.91 | 3.79 | 98.43 | 它形 | |
M3.0 | 15 | 73.78 | 15.59 | 1.20 | 6.74 | 3.72 | 101.03 | 柱状 |
16 | 74.07 | 15.56 | 1.27 | 6.97 | 3.81 | 101.68 | 针状 | |
17 | 73.82 | 15.46 | 1.19 | 6.91 | 3.19 | 100.57 | 它形 | |
18 | 73.24 | 15.79 | 1.30 | 6.99 | 3.43 | 100.75 | 它形 | |
19 | 72.51 | 16.19 | 1.04 | 6.85 | 3.82 | 100.41 | 它形 | |
20 | 72.53 | 16.17 | 1.02 | 6.81 | 4.07 | 100.60 | 它形 |
样号 | 序号 | wB/% | 备注 | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Fe2O3 | CaO | MgO | SiO2 | Al2O3 | 合计 | |||
A1.0 | 1 | 70.42 | 15.92 | 1.70 | 6.86 | 3.11 | 98.01 | 柱状 |
2 | 70.48 | 15.5 | 2.32 | 7.37 | 2.46 | 98.13 | 柱状 | |
3 | 70.26 | 15.49 | 2.16 | 7.99 | 2.70 | 98.60 | 针状 | |
4 | 69.57 | 15.77 | 0.96 | 7.63 | 3.01 | 96.94 | 它形 | |
A1.5 | 5 | 67.16 | 16.94 | 2.43 | 8.08 | 4.10 | 98.71 | 柱状 |
6 | 70.61 | 15.09 | 2.45 | 5.66 | 4.65 | 98.46 | 针状 | |
A2.0 | 7 | 69.87 | 15.81 | 1.04 | 7.98 | 6.30 | 101.00 | 针状 |
8 | 69.75 | 16.10 | 0.89 | 8.05 | 6.11 | 100.90 | 柱状 | |
9 | 69.10 | 15.26 | 1.67 | 8.94 | 4.45 | 99.42 | 它形 | |
10 | 69.08 | 15.86 | 1.29 | 8.74 | 6.76 | 101.73 | 它形 | |
A2.5 | 11 | 68.99 | 15.40 | 2.17 | 7.74 | 6.25 | 100.55 | 柱状 |
12 | 68.69 | 15.39 | 1.72 | 7.04 | 8.23 | 101.07 | 柱状 | |
13 | 69.44 | 14.46 | 2.27 | 6.65 | 7.19 | 100.01 | 针状 | |
14 | 70.32 | 14.29 | 2.09 | 6.52 | 7.22 | 100.44 | 它形 | |
15 | 68.13 | 14.78 | 1.89 | 6.84 | 7.82 | 99.46 | 它形 | |
A3.0 | 16 | 61.56 | 15.36 | 1.40 | 9.38 | 10.99 | 98.69 | 柱状 |
17 | 61.15 | 15.27 | 1.51 | 9.46 | 11.15 | 98.54 | 它形 |
表5 不同Al2O3含量烧结矿中铁酸钙电子探针数据
Table 5 Electron microprobe analyses of sinter with different Al2O3 content
样号 | 序号 | wB/% | 备注 | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Fe2O3 | CaO | MgO | SiO2 | Al2O3 | 合计 | |||
A1.0 | 1 | 70.42 | 15.92 | 1.70 | 6.86 | 3.11 | 98.01 | 柱状 |
2 | 70.48 | 15.5 | 2.32 | 7.37 | 2.46 | 98.13 | 柱状 | |
3 | 70.26 | 15.49 | 2.16 | 7.99 | 2.70 | 98.60 | 针状 | |
4 | 69.57 | 15.77 | 0.96 | 7.63 | 3.01 | 96.94 | 它形 | |
A1.5 | 5 | 67.16 | 16.94 | 2.43 | 8.08 | 4.10 | 98.71 | 柱状 |
6 | 70.61 | 15.09 | 2.45 | 5.66 | 4.65 | 98.46 | 针状 | |
A2.0 | 7 | 69.87 | 15.81 | 1.04 | 7.98 | 6.30 | 101.00 | 针状 |
8 | 69.75 | 16.10 | 0.89 | 8.05 | 6.11 | 100.90 | 柱状 | |
9 | 69.10 | 15.26 | 1.67 | 8.94 | 4.45 | 99.42 | 它形 | |
10 | 69.08 | 15.86 | 1.29 | 8.74 | 6.76 | 101.73 | 它形 | |
A2.5 | 11 | 68.99 | 15.40 | 2.17 | 7.74 | 6.25 | 100.55 | 柱状 |
12 | 68.69 | 15.39 | 1.72 | 7.04 | 8.23 | 101.07 | 柱状 | |
13 | 69.44 | 14.46 | 2.27 | 6.65 | 7.19 | 100.01 | 针状 | |
14 | 70.32 | 14.29 | 2.09 | 6.52 | 7.22 | 100.44 | 它形 | |
15 | 68.13 | 14.78 | 1.89 | 6.84 | 7.82 | 99.46 | 它形 | |
A3.0 | 16 | 61.56 | 15.36 | 1.40 | 9.38 | 10.99 | 98.69 | 柱状 |
17 | 61.15 | 15.27 | 1.51 | 9.46 | 11.15 | 98.54 | 它形 |
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