通过高温原位X射线衍射和高温激光共聚焦显微镜观察铁矿石烧结反应过程
烧结矿制造过程是伴随着Ca-Fe-O体系熔体产生的高温非平衡反应。为了明确解析液相烧结反应的机械性能,使用高温原位X射线衍射装置和高温激光共聚焦显微镜,观察了Ca-Fe-O体系熔体的氧化铁以及钙铁氧体沉淀过程。根据得到的反应温度的冷却速度依赖性数据,制备了烧结反应的连续冷却物态转变(CCT)曲线。
一、实验材料
α-Fe2O3粉末试剂:粒子尺寸大约为1~2μm;
CaCO3粉末试剂:粒子尺寸大约为2~3μm;
二、实验过程
2.1高温原位X射线衍射测量
在本研究中使用的是高温X射线衍射测量系统(Q-XRD)
试样在大气中以5.0×10-1K/s的升温速度从室温升高到1773K,然后分别以-8.3×10-1K/s和-8.3×10-2K/s的冷却速度降温冷却到673K。通过设置在试样容器侧面的R型热电偶测量试样温度。
2.2高温组织观察
使用由Yonekura Mfg., Ltd.生产的高温激光共聚焦显微镜观察装置进行了原位观察,如图1所示。该装置升降温速度可达到±500K/min,把试样加热到1770K,在0.3μm的位置分辨率下进行组织观察。
图1 搭载激光显微镜的加热炉的模式图
三、实验结果
3.1升温过程中的反应
如图2(a)所示,Fe90Ca10以5.0×10-1K/s的升温速度从300K加热到1773K时的升温过程中原位X射线衍射图像。
3.2冷却过程中的结晶和组织变化
图2(b)和图2(c)是分别在冷却速度(b)-8.3×10-1K/s和(c)-8.3×10-2K/s的条件下,Fe90Ca10从1773K冷却到300K的冷却过程的原位X射线衍射图像。
图2 Fe90Ca10的升温过程、冷却过程
(F: Fe2O3;WF: Fe3O4;C2F: Ca2Fe2O5;CF: CaFe2O4;CF2: CaFe4O7)
图3是通过高温激光共聚焦显微镜观察Fe90Ca10在冷却速度(i)-3.3 K/s和(ii)-8.3×10-1K/s的条件下,从1770K冷却到300K的过程中的微观组织图像的一部分。
图3 Fe90Ca10冷却过程中微观组织变化图像
在冷却速度快的条件(i)-3.3 K/s下,如图3(i-2)所示,沉淀的结晶粒子的形状接近三角形;在慢冷却速度条件(ii)-8.3×10-1K/s下,得到的晶体的形状呈现相对随机的趋势。
四、烧结程序的CCT图
通过使用连续冷却物态转变(CCT图)的概念,可以定量地理解原位Q-XRD和高温激光共聚焦显微镜观察结果得到的烧结反应中的过冷现象。
图4 Fe90Ca10的烧结反应的CCT曲线图
参考文献
1)Kimura,M.et al.:ISIJ Int.53(12),2047(2013)
2)Egundebi,G.O.et al.:Ironmaking Steelmaking.16(6),379(1989)
3) 稻角忠弘:烧结矿、东京,日本钢铁协会,2000
4) Leslie,W.C.:Leslie 钢铁材料学.东京、丸善,1985