还原膨胀性

还原膨胀机理 球团矿的还原膨胀特性，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。

(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。

防止球团异常膨胀的措施常用措旋有3:

(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(图2)。试样的粒度为10.0~12.5mm，18个球团矿的质量为60g士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CO30%±0.5%、N270%土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士1L/min。使用水银体积计测定试样在还原前后的体积。体积膨胀率按下式计算:

△V=(V1-V0)/V0 ×100%

式中V0、V1，为试样在还原前后的体积。取两次试验的平均值作为试验结果。允许极差小于3%(绝对值)。当差值超过3%时，再做两次试验。如后两次试验的差值在规定范围内，则取4次试验的平均值。否则取两两中间值的平均值。

(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CO30%、N270%(H2<1%)，流量为500mI/min。试样在N2或Ar气(200mL/min)保护下加热至900℃，保温，30min。然后在900℃土10℃的温度下还原60min，再以N2或Ar气冷却至室温。用排汞法测出每个球在还原前后的体积，然后计算出膨胀率。进行两次试验，取6个球的平均值作为试验结果。

(3)中国国家标准方法(GB/T13240一91)采用国际标准化组织试行的方法，反应管为内径75mm、长800mm的双壁不锈钢管。每次试验将18个球团矿置于3层试佯容器中，相互间有格条隔开，让其自由膨胀。试样的粒度为10.0~12.5mm。试样先在105℃±5℃的温度下烘干，然后放入反应管内。将流量为5L/min的惰性气体通入反应管内，再将反应管放入温度不超过200℃的高温炉内。在通惰性气体条件下升温，到达900℃±10℃的温度后恒温30min。然后在恒温条件下通入还原气体连续还原60min。还原后向反应管内通入流量为5L/min的惰性气体，将反应管连同试样一起提出炉外，冷却至l00℃以下。还原气体的成分为CO30%士0.5%、N270%±0.5%，杂质含量要求O2≤0.1%，H2、CO2、H2O均≤0.2%，流量为15L/min±1L/min。使用排汞法或其他测量体积精度能达0.2mI。的方法测定试样在还原前后的体积。按试样在还原前后体积的变化计算出还原膨胀指数(RSI):

RSI=(V1-V0)/V0 ×100%

式中V0、V1分别为还原前后试样的体积，mL。两次试验结果值之差(即极差)绝对值应小于3%。当差值超过3%时，则按规定继续进行试验。还原膨胀率按试验结果的平均值报出。