摘  要  釩鈦燒結礦和普通燒結礦礦相顯微結構復雜，二維平面圖形難以全面地表現其復雜的礦相特點。為了研究兩種燒結礦的礦相特征，本文采用三維重建方法得到釩鈦燒結礦和普通燒結礦的三維礦相圖，能全面、直觀、準確地反映兩種燒結礦的礦相特征，并對比研究了兩種燒結礦的三維礦相特征。結果表明，兩種燒結礦的三維礦相結構存在明顯差異。釩鈦燒結礦中赤鐵礦和磁鐵礦晶粒粗大，縱向上保持原晶型繼續延伸，起著骨架作用。普通燒結礦中鐵酸鈣主要呈樹枝狀與板塊狀磁鐵礦形成交織熔蝕結構，有利于提高燒結礦強度。

關鍵詞  釩鈦燒結礦  三維礦相  強度

3D mineral characteristics of vanadium-titanium sinter 

Wang Wei, Deng Ming, Xu Runsheng, Wu Fenglou, Ouyang Zelin, Zheng Heng, Wang Jie

（Key Laboratory for Ferrous Metallurgy and Resources Utilization of Ministry of Education, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081,Hubei,China）

Abstract  The mineral microstructure of vanadium-titanium sinter and traditional sinter is too complicated to display it’s three-dimensional morphology by using 2D cross-section image. In order to investigate the mineral characteristics in the two sinters, the three-dimensional reconstruction method is used in this paper to obtain the three-dimensional mine phase diagrams of vanadium-titanium sinter and traditional sinter, reflect the characteristics of the two sinters comprehensively, intuitively and accurately. And the three-dimensional mineral characteristics of the two sinters are compared in the paper. The results show there are significant differences in the three-dimensional mineral structure of the two sinter. Hematite and magnetite in vanadium-titanium sinter and traditional sinter grains coarse, vertical to maintain the original crystal form continues to extend, plays a skeleton role. The calcium ferrite is mainly dendritic and the magnetite is mainly plate like in traditional sinter, formation of the mixed corrosion structure, which is helpful to improve the sinter strength.

Keywords  vanadium-titanium sinter, three-dimensional mineral, strength

1  前言

燒結礦是高爐煉鐵的主要原料之一，由多種礦相和氣孔通過不同類型的界面連接在一起的三維實體[1]。由于燒結礦是不透明的，其結構特征不能直接從樣品中獲得。傳統方法是通過顯微鏡獲取燒結礦樣品的二維截面圖像[2-4]，然后對其顯微結構進行研究，但是由于燒結礦的結構復雜，二維平面圖形不能充分顯示其復雜的三維細節，難以直觀、準確地反映燒結礦真實的礦相組織結構。因此，深入了解燒結礦內部顯微結構成為了當前研究人員研究的熱點和難點之一。本文通過三維重建法對釩鈦燒結礦和普通燒結礦進行三維重建，并對其三維礦相結構與分布進行分析。

隨著計算機科學技術的進步，基于三維重建的可視化技術得到了很大的發展，運用三維重建技術可以得到試樣的三維圖像。Kasai等人[5]利用X-ray CT獲取了燒結餅氣孔的三維結構圖，并結合圖像分析軟件對氣孔率進行了定量分析。Kasama[6]利用X-ray CT獲取了燒結餅的三維結構圖，并對其透氣性能進行了分析。Nakano[7]等人也利用X-ray CT獲取了燒結餅的三維結構圖，并分析了Al2O3對燒結餅空隙形貌的影響，他們所用的X-ray CT水平方向的分辨率為0.25 mm，垂直方向分辨率為0.5mm。通過X-ray CT對物體進行內部掃描時，圖像的分辨率不高，且設備昂貴[8]。本文針對燒結礦二維礦相分析方法的不足，提出一種利用三維重建技術對釩鈦燒結礦和普通燒結礦的礦相結構進行分析的方法，該方法通過序列切片和三維重建，獲得兩種燒結礦的三維礦相圖。與傳統的二維礦相圖相比，三維圖像表達的信息更全面、直觀。

2  實驗原料與方法

2.1  實驗原料

實驗原料分別為攀鋼的釩鈦燒結礦和武鋼的普通燒結礦，其化學成分與性能如表1所示。由表可知，普通燒結礦的堿度與轉鼓強度均高于釩鈦燒結礦。

2.2  實驗方法

采用三維重建法對釩鈦燒結礦和普通燒結礦進行三維重建，得到兩種燒結礦的三維礦相圖，其步驟如圖1所示。

具體步驟為：

（1）選取兩種燒結礦各一個，初步磨平后用XQ-2B鑲樣機進行熱鑲，然后在不同目數的砂紙上從低到高依次細磨，最后在金相拋光布上拋光20min左右，使燒結礦表面無明顯劃痕。

（2）分別在兩種燒結礦表面任意選取3個區域作為待重建面，用金相顯微鏡逐一拍攝所述待重建面，每個待重建面拍攝3×3張，得到燒結礦顯微圖片集；再用濾波法對燒結礦顯微圖片集進行平滑處理，然后拼接融合，得到燒結礦斷層序列二維顯微結構圖。

（3）每層的間距為2.5μm，重復上述步驟，總共得到80層燒結礦斷層序列二維顯微結構圖。（1）利用3D Slicer軟件，對得到的燒結礦斷層序列二維顯微結構圖采用體繪制技術進行三維重建，得到燒結礦體繪制三維重建圖。

（4）對燒結礦體繪制三維重建圖中的氣孔和礦相組成進行人工識別，再對人工識別后的氣孔和礦相組成涂以不同顏色，然后基于不同顏色的邊緣輪廓線進行分割，得到分割后的面繪制三維重建圖。

（5）對分割后的面繪制三維重建圖進行透視處理，依次得到每種礦相的三維透視圖。

（6）對分割后的面繪制三維重建圖進行單個礦相局部分割，依次得到每種礦相的局部分割圖。

該方法得到的燒結礦顯微結構三維重建圖，克服了傳統二維分析方法的不足。通過分割、透視、剖視和旋轉，能從各個角度更加全面、直觀地觀察燒結礦各礦相的結構、形貌以及所占面積的多少，還能看到各礦相和氣孔相互交織或毗鄰關系。在分割過程中采用自動分割與手工分割相結合的人機交互處理方法，提高了重建準確度，而且實驗只需要金相顯微鏡和計算機及其相應軟件，便可實現燒結礦顯微結構圖的三維重建，操作簡單、實用、靈活性高和成本低。

3  結果與討論

3.1  燒結礦三維礦相重建效果圖

鑒于兩種燒結礦中硅酸二鈣、鈦榴石、玻璃質、鎂橄欖石和槍晶石含量很少，因此把這些礦相統一劃到硅酸鹽一類。圖2、3分別為釩鈦燒結礦和普通燒結礦的三維重建圖，其中灰白色部分代表赤鐵礦，藍色部分代表磁鐵礦，綠色部分代表鐵酸鈣，黃色部分為硅酸鹽，橙紅色部分代表氣孔，可以非常直觀地觀察到兩種燒結礦各礦相在三維空間的分布，其礦相分布差異明顯。

從圖2中可以發現，釩鈦燒結礦（a）區域為典型的自形晶再生鈦赤鐵礦，其中，鈦磁鐵礦均勻鑲嵌在燒結礦中，與鈦赤鐵礦呈熔蝕結構。當氧化氣氛加濃時，再生鈦赤鐵礦的含量逐漸增多，在燃料比過高或燒結溫度高于1300℃時，液相凝結冷卻時間縮短時，再生鈦赤鐵礦會以另一種結晶形式出現，正如圖中的骸晶狀鈦赤鐵礦，該鈦赤鐵礦對燒結礦存在一定的破壞力。釩鈦燒結礦（b）區域為典型的他形晶鈦磁鐵礦，主要呈顆粒狀，鈦磁鐵礦與鐵酸鈣、硅酸鹽膠結呈交織熔蝕結構。氣孔較小，分布不均勻，存在少量的半自形鈦赤鐵礦。釩鈦燒結礦（c）區域主要為鈦磁鐵礦與鐵酸鈣的交織熔蝕結構，鈦磁鐵礦呈自形晶，晶粒較為細小，與鐵酸鈣、硅酸鹽緊密膠結呈交織熔蝕結構，該區域氣孔分布不均，大小不一，但大氣孔居多。

從圖3中可以發現，普通燒結礦（a）區域主要為樹枝狀鐵酸鈣與硅酸鹽緊密膠結，四周伴有少量磁鐵礦，幾乎沒有赤鐵礦，氣孔分布均勻，多為小氣孔，從縱向上看，鐵酸鈣也呈樹枝狀向下延伸，磁鐵礦從有到無、從無到有的變化過程也十分清楚。普通燒結礦（b）區域仍然以磁鐵礦和鐵酸鈣為主，其中，鐵酸鈣多為條柱狀，磁鐵礦多為板塊狀，二者交織熔蝕在一起，少量硅酸鹽以顆粒狀形態附著在鐵酸鈣上，氣孔大小均勻，但分布較少。普通燒結礦（c）區域主要為赤鐵礦與氣孔，其中，赤鐵礦以板狀、骸晶狀形態幾乎占據了整個區域，中間只包裹了少量鐵酸鈣和硅酸鹽，氣孔大小不一，小圓孔居多，分布不均勻。

3.2  燒結礦單個礦相三維分布圖

為了對釩鈦燒結礦和普通燒結礦中單個礦相結構進行深入和全面的分析，利用局部分割和透視功能，對各礦相進行三維重建，得到對應的三維礦相圖。

圖4（a）為釩鈦燒結礦（a）區域的鈦赤鐵礦三維礦相局部圖，可以更加直觀地看到，骸晶狀鈦赤鐵礦表面光滑，粒度均勻，在橫向上相互連接，縱向上變化明顯，部分小晶型逐漸縮小直至消失。圖4（b）為普通燒結礦（c）區域的赤鐵礦的三維礦相局部圖，可以發現該局部赤鐵礦主要呈板塊狀，覆蓋面積大，表面孔隙較多，縱向上赤鐵礦也變化較大，由于存在大量小氣孔，因此縱向上細顆粒狀赤鐵礦較多。

圖5（a）為釩鈦燒結礦（b）區域的鈦磁鐵礦三維礦相局部圖，可以發現，鈦磁鐵礦主要呈顆粒狀他形晶，該晶型在釩鈦燒結礦中大量存在，形態規則，連接性較好，但晶粒較細，易斷裂，多以密集狀分布其中；圖5（b）為普通燒結礦（b）區域的磁鐵礦三維礦相局部圖，相對鈦磁鐵礦的局部結構，該晶型的互聯性較弱，但晶粒較粗大，縱向上的變化明顯，有的晶粒逐漸增大，有的晶粒逐漸減小直至消失，交織結構多，有助于提高強度。

圖6（a）、（b）為釩鈦燒結礦（a）區域的鐵酸鈣三維礦相局部圖，可以發現，鐵酸鈣主要呈條柱狀，該結構由多個枝晶組成，分布較分散，枝晶尺寸大小不均，深度上延伸有減小的趨勢，因此在不同方向上的二維切片形貌各異，局部觀察可以發現單個立體上枝晶呈板狀。條柱狀鐵酸鈣界面較平整，該晶型是由樹枝狀轉變而來的，強度增加，但是還原性變壞。圖6（c）、（d）為普通燒結礦（a）區域的鐵酸鈣的三維礦相局部圖，由圖可見，單個晶枝比較細，呈針狀，其上分出了很多分支，像長的樹枝。尤其是在其左右兩端，鐵酸鈣向各個方向分出了非常多的小枝，而部分小枝還會再分出小枝，整個結構像疊放在一起的一堆樹枝。該結構使裂紋的發展方向很難與相界面平行，而是呈一定角度，因此，可以有效的防止裂紋延伸，提高礦相的抗斷裂性能，所以該結構越多，燒結礦整體強度越好。

圖7（a）為釩鈦燒結礦硅酸鹽三維礦相透視圖，該區域硅酸鹽多呈他形晶顆粒狀分布均勻，結晶顆粒較粗大，顆粒之間的連接性較弱；圖7（b）為普通燒結礦硅酸鹽三維礦相透視圖，從圖中能看到硅酸鹽大多緊密膠結在鐵酸鈣上，且晶粒大小不一，多呈細顆粒狀，含量較少，作為燒結礦的粘結相之一，適當增加硅酸鹽的含量有利于提高燒結礦質量。

圖8（a）為釩鈦燒結礦（c）區域的氣孔三維局部圖，從圖中可以發現，該氣孔為一個獨立的大氣孔，縱向上逐漸變大，然后分離成兩個小氣孔。隨著深度的增加，小氣孔繼續分離出兩個更小的氣孔，逐漸消失，大氣孔壁較為光滑，分離出的小氣孔由于變化多樣，呈現出顆粒狀形貌；圖8（b）為普通燒結礦（b）區域的氣孔三維局部圖，由圖可見，大部分氣孔呈柱狀存在三維空間中，有的互相連通且在縱向四處延伸，也存在少量閉氣孔均勻分布在燒結礦中。

4 結論

通過采用三維重建法對釩鈦燒結礦和普通燒結礦進行三維重建，重點觀察了兩種燒結礦中主要礦相的三維結構及分布，并對各礦相進行相應的局部分割，得出以下結論：

（1）對比分析釩鈦燒結礦和普通燒結礦面繪制三維重建圖，并直觀上觀察兩種燒結礦各礦相分布及含量，發現有明顯差異，與傳統二維分析方法相比，三維重建圖更能全面地反映燒結礦中真實存在的礦相形貌。

（2）對比分析釩鈦燒結礦和普通燒結礦面繪制三維重建圖，并直觀上觀察兩種燒結礦各礦相分布及含量，發現有明顯差異，與傳統二維分析方法相比，三維重建圖更能全面地反映燒結礦中真實存在的礦釩鈦燒結礦中鈦赤鐵礦含量高，多以骸晶狀菱形存在，鈦磁鐵礦主要呈顆粒狀，鐵酸鈣晶粒細小，連接性較弱，多與硅酸鹽和鈦磁鐵礦膠結在一起形成交織熔蝕結構，氣孔大小不一，分布不均勻，大氣孔較多。普通燒結礦中赤鐵礦含量較少，且多為顆粒狀，主要礦相為磁鐵礦和鐵酸鈣，鐵酸鈣主要以針狀和樹枝狀形態存在，分布較多，縱橫交錯，與自形晶板塊狀磁鐵礦形成大量交織熔蝕結構，同樣地，少量硅酸鹽附著在鐵酸鈣上，氣孔多為小氣孔，分布均勻，連通性較好。釩鈦燒結礦和普通燒結礦各礦相的元素組成也有明顯差異，可能是造成晶型不同的主要原因之一。

5  參考文獻

[1]許斌, 張清岑, 李貴奇,等. 燒結礦礦物組成、結構與冶金性能的關系[J]. 燒結球團, 1998(3):4-7.

[2]郭興敏, 朱利, 李強, 等. 高堿度燒結礦的礦物組成與礦相結構特征[J]. 鋼鐵, 2007, 42(1): 17-19.

[3]范曉慧, 趙忠花, 陳許玲, 等. 燒結礦礦相顯微圖像識別及系統開發[J]. 中南大學學報: 自然科學版, 2011, 42(10): 2893-2897.

[4]張芳, 李榮, 羅果萍, 等. 包鋼低硅燒結礦的冶金性能[J]. 鋼鐵研究學報, 2013 (2): 4-8.

[5]Kasai E, Rankin W J, Lovel R R, et al. An analysis of the structure of iron ore sinter cake[J]. ISIJ International, 1989, 29(8): 635-641.

[6]Kasama S, Inazumi T, Nakayasu T. New Analysis Method of Sinter Cake Pore Structure for Permeability Evaluation[J]. ISIJ international, 1994, 34(7): 562-569.

[7]Nakano M, Kawaguchi T, Kasama S, et al. Analysis of Three Dimensional Structure of Iron-ore Sintercake[J]. ISIJ international, 1997, 37(4): 339-344.

[8]Cheng L, Wu K, Wan X, et al. Growth Kinetics of Proeutectoid Ferrite in an Fe-0. 09C-1.5Mn-0.2Si Steel[J]. Journal of Iron and Steel Research International, 2014, 21(10): 964-968.

[9]吳開明. 連續截面和計算機輔助重建法觀察 Fe-0.28 C-3.0 Mo 合金鋼退化鐵素體的三維形貌[J]. 金屬學報, 2005, 41(12): 1237-1242.

[10]應自偉, 許力賢, 姜茂發, 等. 鐵酸鈣的形態對燒結礦抗斷裂性能的影響[J]. 鋼鐵研究學報,  2006, 18(2): 55-58.

[11]黃建平, 張斌, 楊碧能, 等. 組織結構對燒結礦強度影響[J]. 過程工程學報, 2009 (S1): 258-261.

[12]王煒, 徐維波, 朱航宇,等. 高堿度燒結礦的三維礦相特性分析[J]. 鋼鐵研究學報, 2016(11):6-11.

[13]鄧明，王煒，徐潤生，等. 釩鈦燒結礦和普通燒結礦顯微力學性能對比研究[J].鋼鐵釩鈦，2017.(收錄)

[14]徐維波. 基于序列切片--三維重建法的燒結礦礦相特性研究[D]. 武漢科技大學, 2016.

[15]Webster N A S, Pownceby M I, Madsen I C, et al. Silico-ferrite of Calcium and Aluminum (SFCA) Iron Ore Sinter Bonding Phases: New Insights into Their Formation During Heating and Cooling[J]. Metallurgical and Materials Transactions B, 2012, 43(6):1344-1357.

Webster N A S, Pownceby M I, Madsen I C, et al. Fundamentals of Silico-Ferrite of Calcium and Aluminum (SFCA) and SFCA-I Iron Ore Sinter Bonding Phase Formation: Effects of CaO:SiO2, Ratio[J]. Metallurgical and Materials Transactions B, 2014, 45(6):2097-2105.

[17]閆志武, 張建良, 張亞鵬,等. SiO2對燒結礦冶金性能及微觀結構的影響[J]. 北京科技大學學報, 2016, 38(7):913-919.