郭会良，薛玉卿，玄振法，徐佳锋，李胜

（山东泰山钢铁集团有限公司，山东济南 271100）

摘  要：本文描述了裂缝产生的物理条件和现象，并从不同的点火温度方面对裂缝进行的研究，结果显示，在一定温度范围内，随着点火温度的升高，裂缝条数呈增加趋势，当点火温度大于1150℃时，裂缝的条数反而呈减少趋势。随着点火温度的提升，其产生裂缝的位置逐渐后移，即点火温度越高，裂缝产生的就越晚。在一定温度下，随着温度的升高，烧结矿中FeO的含量程下降趋势，但温度超过1150℃时，烧结矿中的FeO反而呈下降趋势。裂缝处的烧结矿内有大量针状铁酸钙，有适当的晶间裂缝和孔洞，且赤铁矿含量适中，质量优于内部的烧结矿。同时理论计算了裂缝产生的条件，即同时满足固溶物斥力大于引力、固相物硬度小于液相表面张力。

关键词：烧结；裂缝；温度；产生；表面张力

1  前言

烧结是钢铁工业最常用的原料处理方法，其宏观定义是指将物料混合并将混合的燃料点燃产生高温后，在一系列的物理^[1]化学作用下，部分混合颗粒表面达到熔点并融化，产生的液相^[2,3]润湿或包裹其他未被融化的混合颗粒，冷却后产生颗粒粘结成块的过程。而在微观方面，固态中分子（或原子）间存在互相吸引，通过加热使质点获得足够的能量进行迁移，使粉体产生颗粒粘结，增加强度并导致致密化和再结晶的过程称为烧结。

仅2021年，我国的粗钢产量就突破了10亿吨，而在炼铁的炉料结构^[4-6]中烧结矿的配加比例一般在70%以上，个别企业甚至达到了85%，这就意味着我国每年要生产十几亿吨的烧结矿，如此巨大的产量在节能降碳领域^[7,8]发挥着重要的作用，并且烧结矿的质量^[9]对后续产品的影响十分敏感，如冶金性能、物理化学性能等，所以，如何控制烧结矿的质量是未来研究的重点方向。

在烧结过程中烧结料面会产生大大小小的裂缝，这些裂缝会增加料层的透气性，但同时也会产生不利影响，对于裂缝产生有多重原因，黄中^[10]等专门研究了温度对污泥烧结页岩砖裂缝的影响，阐述了不同温度环境下烧结砖的各种特性。陆杰^[11]研究了烧结多孔砖墙体温度裂缝分析，也是在温度方面对烧结砖进行研究。郭会良^[12,13]等在研究水分和脱硫率过程中提到会对料面产生裂缝，但未详细说明裂缝产生的原因与机理。目前对于烧结料面裂缝的产生国内外没有专门的研究论文，更没有从机理方面进行阐述，此论文从不同方面对裂缝的产生进行探讨，填补了这一领域的空白。

2 实验过程

2.1 实验器材

本实验过程选用某烧结厂备用的180平米烧结机，烧结机宽度为3.3m，烧结机速的可调范围为1~1.9m/min，点火温度为1050±50℃，采用焦炉煤气，烧结料层厚度一般为700mm，烧结原材料选用常用的PB粉、杨迪粉和南非粉，熔剂为生石灰。

2.2 实验过程

在相同的烧结配比之下分别研究裂缝的产生位置、长短、宽度等物理条件，同时研究在不同温度环境下对裂缝的生长、冶金性能、化学成分等物理性能的影响。

3  裂缝的产生

在该实验过程中，烧结碱度调节为1.8，机速为1.8m/min，点火温度为1050±50℃，料层厚度选为700mm，待烧结机运行平稳后统计裂缝的物理条件。

3.1 裂缝的形状

在烧结料面上产生的裂缝有不同的形状，待烧结机运行平稳后分别查看其形状，见图1。

A-半横纹                   B-贯穿纹                    C-纵纹

图1 裂缝的形状

Fig. 1 Shape of crack

由于目前在已知的资料中未对这些裂缝进行分类，本文中将垂直于烧结栏板的裂缝称为横纹，平行于烧结栏板的裂缝称为纵纹，而在横纹中有的裂缝较短，裂缝的两端最多仅有一端与栏板接触，这样的裂纹称为半横纹，裂缝两端贯穿整个料面的称为贯穿纹。

在实验过程中，选取生产平稳的3个时间段，每个时间段为30min，统计3种裂缝的个数，其结果见图2。从图中可以看出，半横纹的个数最多，达到19条，其次是贯穿纹，纵纹的个数最少，只有4条。

图2 裂缝的条数统计

Fig. 2 Statistics of number of cracks

3.2 裂缝的长度

烧结料面的裂缝并非是直线，在做长度统计时将裂缝首尾的直线距离近似成为该裂缝的长度，而且在运行过程中，裂缝的长度会逐渐增长，一般选为离烧结终点为1/3处作为测量的位置，选取正常生产时的6个时间段，每个时间段为30min，统计裂缝的长度，其结果见表1。

表1 裂缝长度的统计

Table 1  Statistics of crack length

从上表可以看出，＜1m、1-2m和2-3m的裂缝中几乎全部为半横纹，少量纵纹，3-4m的裂缝总计8条，贯穿纹占据5条，＞4m的裂缝为3条，纵纹为2条。另外，所有裂缝中半横纹的条数最多，占总数量的74%，且大多数半横纹为1-2m和2-3m，贯穿纹和纵纹大多数为长度较长的裂缝。

3.3 裂缝的生长

图3 裂缝生长与烧结进程的关系

Fig. 3 Relationship between crack growth and sintering process

烧结料面的裂缝并不是突然出现的，而是有一个生长的过程，即随着烧结的进行其长度慢慢增加。在此实验过程中，以烧结点火器末端为起点，以烧结料面末端倒数第三辆台车为终点，每隔一个台车的距离连续测量同一裂缝的长度，为避免不同长度裂缝造成影响，选取终点裂缝的长度为100%，其他时间点的长度按其百分比进行统计，连续测量10组数据，取平均值绘图，其结果见图3。

从图中可以看出，随着烧结的进行，同一裂缝的长度是逐渐增加的，裂缝的产生一般是在烧结进行到10%时开始的，即距离点火器末端4-5m的距离，随后以极快的速度生产，当烧结进行到40%左右时，其成长的比例达到总长度80%左右，再往后时生长速度逐渐减缓，当达到烧结进程的60%时，裂缝基本趋于最大值，后续基本保持不变。因此，裂缝生长最快的区域一般是在烧结前中期，即烧结进行到20-40%之间。

4 温度对裂缝的影响

4.1 点火温度对裂缝数量的影响

点火温度是烧结时用于点着烧结料面的温度，是点火器的重要参数。一般点火温度越高，越容易点着料面的燃料，但是点火温度过高时会造成点火煤气的浪费，从而增加成本。在实验过程中，选用相同的烧结配比，点火温度设定为950℃、1050℃、1150℃和1250℃，在烧结料面末端倒数第三辆台车位置查看裂缝的数量，选取生产平稳的3个时间段，每个时间段为30min，其结果如下。

图4点火温度对裂缝数量的影响

Fig. 4 Influence of ignition temperature on crack number

从图中可以看出，在一定温度范围内，随着点火温度的升高，裂缝条数呈增加趋势，当点火温度大于1150℃时，裂缝的条数反而呈减少趋势。这主要是因为温度的升高有利于烧结料内部燃料的充分燃烧，从而使得物料能够发生化学反应，而温度过高时，烧结料面温度升高较快，反应放出大量的热导致温度升高到物料的熔点之上，快速冷却后导致料面固结，不容易形成裂缝。

另外，在一定温度范围内，温度对纵纹产生的条数影响较小，尤其是1050和1150℃时，二者产生的宗文数量相等，且温度继续提高，纵纹的数量变化不大，因此，温度不是纵纹产生的最主要因素。

4.2 点火温度对裂缝产生速率的影响

在不同的点火温度下进行匀速烧结，选用相同的配比，分别跟踪测量所有裂缝的长度，选取终点裂缝的长度为100%，其他时间点的长度按其百分比进行统计，其结果见图5。

从图中可以看出，随着点火温度的提升，其产生裂缝的位置逐渐后移，即点火温度越高，裂缝产生的就越晚。而且在裂缝长度比例生长到30%以前，其裂缝生长都是随着温度的提升逐渐后移，但当裂缝长度生长到30%以上时，点火温度在1050℃时的生长速度逐渐超过950℃的生长速度，同时，点火温度为1150℃和1250℃时，也产生相同的现象，即生长到85%左右时，高温物料实现对低温物料的反超。但在不同温度环境下，几乎所有裂缝的生长都在烧结进行到60%时达到最大值，即停止生长。

图5点火温度对裂缝产生速率的影响

Fig. 5 Influence of Ignition Temperature on Crack Generation Rate

4.3 点火温度对裂缝化学成分的影响

烧结矿的化学成分是重要的物理参数，直接影响烧结矿的质量，而且通过以前的资料所知，裂缝附近的化学成分与内部的化学成分有较大区别，尤其是在FeO方面。在本实验中，在不同点火温度的条件下，分别选取烧结终点时裂缝中距离料面10cm的物料进行FeO含量的测量，其结果如下。

表2 不同温度下裂缝FeO含量的统计

Table 2  Statistics of FeO content in cracks at different temperatures

从表中可以看出，在一定温度下，随着温度的升高，烧结矿中FeO的含量程下降趋势，但温度超过1150℃时，烧结矿中的FeO反而呈下降趋势。产生这种现象的原因可能是，温度的升高，有利于裂缝的产生，而裂缝产生后会吸入大量新鲜空气，导致裂缝中氧气含量过剩，而在高温下烧结矿与氧气发生氧化反应，FeO被氧化成Fe₃O₄和Fe₂O₃，导致FeO含量下降。而当温度过高时，生成的液相较多，使得多孔的物料减少，从而降低了空气与烧结矿的反应，导致FeO含量升高。

5 裂缝处烧结矿的质量

不同位置烧结矿的质量有很大的区别，分别取1050℃下运行正常的烧结矿若干，选取位置为裂缝处和烧结矿的内部（非裂缝），在100倍的光学显微镜下查看微观组织，其结果如图6。

从上图可以看出，裂缝处的烧结矿内有大量针状铁酸钙，赤铁矿多成骸晶状，有适当的晶间裂缝和孔洞，且赤铁矿含量适中。而烧结矿内部的图像中，存在大量未反应的赤铁矿，针状铁酸钙的数量极少，且晶间裂缝不规则，无大孔现象，可以判断在非裂缝处的烧结矿质量远不及裂缝处的质量。

产生这种现象的原因可能是裂缝处能实现内部和外部的空气流通，使得附近有充足的氧气，便于燃料的燃烧和反应的进行，同时，空气的流通有助于烧结矿的降温，增加了透气性，使得表层的物料无论成分还是质量都优于内部烧结矿。

A-裂缝处                             B-烧结矿内部

图6 不同位置的微观图像

Fig. 6  Micro images at different locations

6 裂缝的形成过程与力学分析

裂缝都是在点火之后的一段时间内产生的，并且随着时间的推移，裂缝数量和深度得到提升，在烧结中后期基本定型，在这一现象中，裂缝的形成可分为4个过程，见图7。

在裂缝形成初期或点火初期，料层内都是均匀的制粒小球，这些小球呈密集堆积状态，小球之间有少量堆积空隙，有的被更小的粉末填充，有的则是孔洞形态，根据偏析布料可知，越往下小球越大，孔洞越多，此处为了分析其形成过程，简化为制粒小球大小一致，见图7A。随着点火的完成，燃料开始燃烧，料层内部有了一定的温度，温度升高后制粒小球内的水分率先蒸发出来，结构也变得更为密实，由于水分的损失，原先被水分占据的空间得到释放，形成了水分孔洞，这些水分孔洞没有规律性，在制粒小球的任何位置都可能发生，见图7B，这种状态也称为干燥状态。温度进一步升高时，水分得以全部蒸发，而制粒小球中的燃料达到着火点，这些燃料的燃烧使得矿物发生化学变化，形成大量低熔点物质，如铁酸钙，这些低熔点的物质形成液相，而高熔点的物质仍然以固溶体的形式存在，此时的成分与起初的制粒小球完全不同，有大量新物质产生，由于液相的生成和水分的蒸发，整个料面下降，整个矿层在此时最为紧密，几乎没有空隙，固溶物有大有小，排列也没有次序，液相填充在固溶物的空隙之间，见图7C。随着燃烧的完成，整个料层温度下降，液相也逐渐变成固相，体积开始收缩，在应力的作用下，收缩速度快的区域率先形成裂缝，由于裂缝的形成具有连续性，在形成裂缝的区域逐渐断裂开来，形成更大的裂缝，进而扩展到料层内部，见图7D，这一过程称为凝固过程。

图7 裂缝的形成过程

Fig. 7  Formation process of cracks

在体系产生裂缝的过程中，有众多力的参与，在烧结矿熔化状态和凝固状态之间时，不同固溶体之间的距离是不同的，距离越近，越容易看成是一个整体，在液相的包裹下二者越连接紧密。而距离相对较远的两个固溶体由于之间隔着液相，是一个固-液-固的两相界面，连续性较差。

图8 裂缝的受力状态

Fig. 8  Stress state of crack

如图8，假设A、B两个固溶体相距较远，而A左侧有较多相邻固溶体，B右侧有较多固溶体，相邻固溶体之间由于液相粘度的存在会相互吸引力，假设吸引力为f₁和f₄，在众多吸引力的作用下最终A左侧的固溶体给A的吸引力为f₂，B右侧给B的吸引力为f₃，这两个力分别有使A、B量固溶体向相反方向移动的趋势。除了这两个力之外，分子之间存在吸引力与排斥力，也存在因热胀冷缩产生的应力，这些力与f₂、f₃共同作用在 A、B两物体上，其宏观受力可等价为F₁和F₂，这两个力方向相反。

在A、B量固溶体之间存在低熔点液相，这些液相表面和内部都存在张力，这些张力分解到水平和竖直方向上用ε₁、ε₂和ε₃、ε₄表示，因此，对于该区域，水平方向的受力可用如下公式表示；

F_引=ε₁+ε                                （1）

F_斥= F₁+F₂                                              （2）

式中，F_引为水平方向液相的凝聚力，有将A、B两物体相互拉近的趋势，F_斥为水平方向上的宏观力，有将两物体向相反方向移动的趋势。由此可以看出，当F_引＞F_斥时，两物体相互接近，A、B物体之间不会产生裂缝，当F_引＜F_斥时，两物体相互远离，A、B物体之间有可能产生裂缝。

此外，在竖直方向上的张力ε₃和ε₄有让连接的液相区域逐渐变细的趋势，当连接的液相区域变细到零时，液相断开，产生孔洞或裂缝，而阻止这一变细的力为固相物的硬度或强度，用ξ表示。则竖直方向的引力则为：

ε_竖=ε₃+ε₄                                                （3）

因此，若ξ≥ε_竖时，固相物强度较大，液相的应力不足以将液相连接区域变得更细，也就不会有裂缝产生，反之，固相物强度小，有产生裂缝的趋势。所有，要想有裂缝的产生并持续增大，该区域的受力必须同时满足F_引＜F_斥和ξ＜ε_竖。

7 结论

通过上诉研究，可以得出如下结论：

（1）在一定温度范围内，随着点火温度的升高，裂缝条数呈增加趋势，当点火温度大于1150℃时，裂缝的条数反而呈减少趋势。

（2）随着点火温度的提升，其产生裂缝的位置逐渐后移，即点火温度越高，裂缝产生的就越晚。

（3）在一定温度下，随着温度的升高，烧结矿中FeO的含量程下降趋势，但温度超过1150℃时，烧结矿中的FeO反而呈下降趋势。

（4）裂缝处的烧结矿内有大量针状铁酸钙，有适当的晶间裂缝和孔洞，且赤铁矿含量适中，质量优于内部的烧结矿。

（5）要想产生裂缝，需要同时满足F_引＜F_斥和ξ＜ε_竖。

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