2.2堿度對混勻料熔體黏度的影響

通過Factsage中“Viscosity”計(jì)算板塊對5組試樣熔體在不同溫度下的黏度進(jìn)行了計(jì)算，并通過公式（7）計(jì)算得出相應(yīng)的表觀黏度值，結(jié)果如表8所示。

表8不同堿度及溫度條件下熔體黏度的變化

由表8可知，當(dāng)堿度從1.85增大到2.25時(shí)，相同溫度下熔體的黏度（mu_M）變化很小，而隨著溫度升高，熔體的黏度顯著減小。當(dāng)溫度從1200℃提高到1250℃時(shí)，表觀黏度顯著減小，而當(dāng)溫度繼續(xù)增加時(shí)，表觀黏度稍有減小。這主要是由于溫度升高導(dǎo)致更多的熔體形成（固體分?jǐn)?shù)S降低），而根據(jù)公式（7）可知，對于兩相（液-固）系統(tǒng)，熔體占比增加，固體顆粒占比（S）減小，會(huì)使得其表觀黏度顯著減小；但當(dāng)S較低時(shí)（如1350℃），其對mu_{App}相對變化的影響減小。表觀黏度也隨著堿度提高而減小，這主要是堿度提高增大了同溫度下液相的生成量（降低了S），從而使得表觀黏度減小。表觀黏度減小，使得熔融混合物的流動(dòng)性更好，利于燒結(jié)礦的致密化。

2.3堿度對混勻料熔體表面張力的影響

由物理化學(xué)可知，表面張力指的是液相自主收縮其表面的力，在燒結(jié)過程的聚結(jié)行為中，表面張力是推動(dòng)聚合的主要驅(qū)動(dòng)力。表面張力的大小主要取決于液相的物質(zhì)組成，與熔體中表面活性物質(zhì)的多少密切相關(guān)。

組試樣在不同溫度下的表面張力計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3不同堿度條件下燒結(jié)礦表面張力與溫度的關(guān)系

由圖3可知，在溫度為1200~1300℃時(shí)，熔體的表面張力急劇減小（主要源于初始階段液相量快速增加及表面活性物質(zhì)的作用）；隨堿度的升高，熔體表面張力先減小后增大（如1250℃、1300℃），整體趨勢是堿度增大表面張力略增。當(dāng)溫度為1300~1350℃時(shí)，熔體的表面張力趨于穩(wěn)定并略有上升（固相減少，液相占比增大到主導(dǎo)地位），堿度升高時(shí)，表面張力增加（可能與熔體組成變化有關(guān)，如CaO、MgO相對增加）。由前文可知，約在1140℃液相生成，隨著溫度繼續(xù)升高，質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)和質(zhì)點(diǎn)的間距增加，作用力減弱，同時(shí)熔體中的Fe?O?、SiO?等表面活性物質(zhì)相對富集，熔體的表面張力減小。當(dāng)溫度上升到1350℃時(shí)，高熔點(diǎn)MgO因形成液相量增加而部分進(jìn)入熔體，同時(shí)熔體中適量的MgO可使周圍的O2?被Mg2?吸引，減小熔體表面聚集的O2?，使熔體的表面張力有所降低；但與Fe?O?、SiO?相比，其含量相對較少，故其影響被整體液相占比增大和成分變化所部分抵消，在1350℃時(shí)，熔體的表面張力相比1300℃時(shí)稍增大或趨于穩(wěn)定。

2.4堿度對燒結(jié)礦致密化的影響

在燒結(jié)過程中，熔體表面張力是主要驅(qū)動(dòng)力，而熔融混合物的表觀黏度是主要阻力。因此，這兩個(gè)因素是定量分析燒結(jié)過程中聚結(jié)行為的關(guān)鍵。根據(jù)公式（5），并參考文獻(xiàn)[17]中A和E的擬合值（A=1，E=1為簡化表征，實(shí)際計(jì)算中按該假設(shè)進(jìn)行相對值比較），計(jì)算得到了不同堿度及溫度條件下燒結(jié)礦的致密化系數(shù)F_{Den}，結(jié)果如圖4所示。

圖4不同堿度條件下致密化系數(shù)與溫度的關(guān)系

由圖4可知，在1200~1350℃內(nèi)，對于任一固定溫度點(diǎn)，隨著堿度升高，燒結(jié)礦致密化系數(shù)均增大。對于任一固定堿度點(diǎn)，隨著溫度升高，致密化系數(shù)也顯著增大。這主要源于公式（5）中，F(xiàn)_{Den}與sigma_M^{1.5}/mu_{App}^{2}成正比（分母部分sqrt{rho g}變化相對較小）。溫度升高導(dǎo)致mu_{App}顯著降低（主導(dǎo)因素）和sigma_M在初期也降低（1200°C→1300°C），共同促使F_{Den}大幅提升。堿度增加導(dǎo)致mu_{App}顯著降低是F_{Den}增大的主因。雖然在1300~1350℃區(qū)間內(nèi)sigma_M因熔體組成變化趨向穩(wěn)定或微增，但此區(qū)間mu_{App}下降非常顯著（見表8），遠(yuǎn)超過sigma_M變化的微小影響，因此致密化系數(shù)在1350℃時(shí)達(dá)到最大值。聚結(jié)行為在更高溫度和更高堿度下更為劇烈。

2.5致密化系數(shù)與燒結(jié)礦孔隙率及強(qiáng)度的關(guān)系

為了探究本試驗(yàn)中得到的致密化系數(shù)與燒結(jié)礦強(qiáng)度的關(guān)系，通過燒結(jié)杯試驗(yàn)，研究了堿度為1.85~2.25范圍內(nèi)燒結(jié)礦孔隙率及轉(zhuǎn)鼓指數(shù)的變化，試驗(yàn)方案如表3所示，通過壓汞儀測量燒結(jié)礦的孔隙率，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示，不同堿度條件下燒結(jié)礦致密化系數(shù)與孔隙率的關(guān)系如圖5所示。

表9燒結(jié)杯試驗(yàn)結(jié)果

從表9可以看出，在堿度為1.85~2.15范圍內(nèi)，隨著堿度的提高，燒結(jié)礦的孔隙率呈不斷降低趨勢，其轉(zhuǎn)鼓指數(shù)不斷增大，燒結(jié)礦強(qiáng)度增大。當(dāng)堿度達(dá)到2.25時(shí)，相比前一堿度2.15，孔隙率略有增加，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)稍有下降。原因可能是當(dāng)堿度逐漸提高超過一定值（>2.15），燒結(jié)礦內(nèi)逐漸產(chǎn)生更多硅酸二鈣晶型轉(zhuǎn)變引起的氣孔與微裂紋，透氣性反而略有提高，孔隙率反彈微升。

由圖5可知，通過計(jì)算所得的燒結(jié)礦致密化系數(shù)與試驗(yàn)所測量的孔隙率呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)趨勢（堿度在1.85~2.15區(qū)間，兩者同向變化；在2.15~2.25區(qū)間，致密化系數(shù)持續(xù)上升而孔隙率略有反彈但仍在較低水平）。與表9中轉(zhuǎn)鼓指數(shù)在堿度2.25時(shí)微降相對應(yīng)，也說明極高堿度可能帶來負(fù)面影響。總體而言，致密化系數(shù)增大，燒結(jié)礦孔隙率降低，燒結(jié)礦結(jié)構(gòu)更致密。轉(zhuǎn)鼓指數(shù)（代表強(qiáng)度）的結(jié)果（表9）也印證了這一點(diǎn)：致密化系數(shù)越高的燒結(jié)礦（對應(yīng)更高的堿度和/或更高的溫度），其強(qiáng)度（轉(zhuǎn)鼓指數(shù)）也越高（堿度從1.85升至2.15）。雖然堿度2.25時(shí)致密化系數(shù)仍最高（圖4，1350°C時(shí)），但燒結(jié)礦實(shí)際結(jié)構(gòu)可能受高堿度下礦相變化（如1500℃的硅酸二鈣相變，即使在冷卻后效應(yīng)仍存在）的影響，孔隙率微升，強(qiáng)度微降。這表明評估燒結(jié)礦聚結(jié)行為程度的致密化系數(shù)可以在很大程度上定量地表征燒結(jié)礦的強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)（孔隙率）特征。

結(jié)論

燒結(jié)過程中，理論初始液相生成溫度在1138~1139℃附近，且理論初始液相生成溫度隨堿度的提高而稍有降低；隨著溫度升高，液相生成量增多，尤其在溫度高于1250℃后增長加快。

熔體的表觀黏度(mu_{App})隨堿度的增大而顯著減小，在同溫度下（如1350℃）堿度為2.25時(shí)mu_{App}最小(0.114 Pa·s)。mu_{App}隨溫度升高而急劇減小，當(dāng)溫度從1200℃提高到1250℃時(shí)，mu_{App}下降幅度最大。

熔體的表面張力(sigma_M)隨溫度升高（1200~1300℃）而減小，在1300℃附近達(dá)到最小值(約0.32 N)；之后（1300~1350℃）趨于穩(wěn)定或略有回升。sigma_M隨堿度增大表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢（以1250℃、1300℃為例），但整體上，較高堿度下sigma_M略高于較低堿度。

燒結(jié)礦的聚結(jié)行為（致密化）受表觀黏度(mu_{App})與表面張力(sigma_M)共同驅(qū)動(dòng)，但mu_{App}的降低是主導(dǎo)因素。提高堿度（降低mu_{App}）和升高溫度（大幅降低mu_{App}和初期降低sigma_M）均有利于強(qiáng)化聚結(jié)過程，使得致密化系數(shù)(F_{Den})顯著增大。

在堿度為1.85~2.25范圍內(nèi)，燒結(jié)試驗(yàn)表明，致密化系數(shù)與實(shí)測孔隙率呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（F_{Den}越大，孔隙率越小）。致密化系數(shù)與燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓指數(shù)（強(qiáng)度）在堿度1.85~2.15范圍內(nèi)呈正相關(guān)（F_{Den}越大，強(qiáng)度越高）。在堿度提高至2.25時(shí)，雖然計(jì)算F_{Den}繼續(xù)增大，但實(shí)際燒結(jié)礦受高堿度下礦相變化（如硅酸二鈣晶型轉(zhuǎn)變）影響，孔隙率微升，強(qiáng)度微降，表明優(yōu)化堿度在2.15附近為佳。

致密化系數(shù)能夠定量地表征燒結(jié)礦聚結(jié)致密化行為程度，與燒結(jié)礦的孔隙率及強(qiáng)度緊密關(guān)聯(lián)。通過FactSage計(jì)算熔體特性預(yù)測致密化系數(shù)，可預(yù)判不同堿度和溫度組合下的燒結(jié)礦微觀結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度趨勢（高堿度區(qū)需考慮實(shí)際礦相變化的潛在影響），為優(yōu)化燒結(jié)配礦和生產(chǎn)操作（堿度控制、燃料配比調(diào)控溫度等）提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。