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摘  要  钒钛烧结矿和普通烧结矿矿相显微结构复杂，二维平面图形难以全面地表现其复杂的矿相特点。为了研究两种烧结矿的矿相特征，本文采用三维重建方法得到钒钛烧结矿和普通烧结矿的三维矿相图，能全面、直观、准确地反映两种烧结矿的矿相特征，并对比研究了两种烧结矿的三维矿相特征。结果表明，两种烧结矿的三维矿相结构存在明显差异。钒钛烧结矿中赤铁矿和磁铁矿晶粒粗大，纵向上保持原晶型继续延伸，起着骨架作用。普通烧结矿中铁酸钙主要呈树枝状与板块状磁铁矿形成交织熔蚀结构，有利于提高烧结矿强度。

关键词  钒钛烧结矿  三维矿相  强度

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

烧结矿是高炉炼铁的主要原料之一，由多种矿相和气孔通过不同类型的界面连接在一起的三维实体[1]。由于烧结矿是不透明的，其结构特征不能直接从样品中获得。传统方法是通过显微镜获取烧结矿样品的二维截面图像[2-4]，然后对其显微结构进行研究，但是由于烧结矿的结构复杂，二维平面图形不能充分显示其复杂的三维细节，难以直观、准确地反映烧结矿真实的矿相组织结构。因此，深入了解烧结矿内部显微结构成为了当前研究人员研究的热点和难点之一。本文通过三维重建法对钒钛烧结矿和普通烧结矿进行三维重建，并对其三维矿相结构与分布进行分析。

随着计算机科学技术的进步，基于三维重建的可视化技术得到了很大的发展，运用三维重建技术可以得到试样的三维图像。Kasai等人[5]利用X-ray CT获取了烧结饼气孔的三维结构图，并结合图像分析软件对气孔率进行了定量分析。Kasama[6]利用X-ray CT获取了烧结饼的三维结构图，并对其透气性能进行了分析。Nakano[7]等人也利用X-ray CT获取了烧结饼的三维结构图，并分析了Al2O3对烧结饼空隙形貌的影响，他们所用的X-ray CT水平方向的分辨率为0.25 mm，垂直方向分辨率为0.5mm。通过X-ray CT对物体进行内部扫描时，图像的分辨率不高，且设备昂贵[8]。本文针对烧结矿二维矿相分析方法的不足，提出一种利用三维重建技术对钒钛烧结矿和普通烧结矿的矿相结构进行分析的方法，该方法通过序列切片和三维重建，获得两种烧结矿的三维矿相图。与传统的二维矿相图相比，三维图像表达的信息更全面、直观。

2  实验原料与方法

2.1  实验原料

实验原料分别为攀钢的钒钛烧结矿和武钢的普通烧结矿，其化学成分与性能如表1所示。由表可知，普通烧结矿的碱度与转鼓强度均高于钒钛烧结矿。

2.2  实验方法

采用三维重建法对钒钛烧结矿和普通烧结矿进行三维重建，得到两种烧结矿的三维矿相图，其步骤如图1所示。

具体步骤为：

（1）选取两种烧结矿各一个，初步磨平后用XQ-2B镶样机进行热镶，然后在不同目数的砂纸上从低到高依次细磨，最后在金相抛光布上抛光20min左右，使烧结矿表面无明显划痕。

（2）分别在两种烧结矿表面任意选取3个区域作为待重建面，用金相显微镜逐一拍摄所述待重建面，每个待重建面拍摄3×3张，得到烧结矿显微图片集；再用滤波法对烧结矿显微图片集进行平滑处理，然后拼接融合，得到烧结矿断层序列二维显微结构图。

（3）每层的间距为2.5μm，重复上述步骤，总共得到80层烧结矿断层序列二维显微结构图。（1）利用3D Slicer软件，对得到的烧结矿断层序列二维显微结构图采用体绘制技术进行三维重建，得到烧结矿体绘制三维重建图。

（4）对烧结矿体绘制三维重建图中的气孔和矿相组成进行人工识别，再对人工识别后的气孔和矿相组成涂以不同颜色，然后基于不同颜色的边缘轮廓线进行分割，得到分割后的面绘制三维重建图。

（5）对分割后的面绘制三维重建图进行透视处理，依次得到每种矿相的三维透视图。

（6）对分割后的面绘制三维重建图进行单个矿相局部分割，依次得到每种矿相的局部分割图。

该方法得到的烧结矿显微结构三维重建图，克服了传统二维分析方法的不足。通过分割、透视、剖视和旋转，能从各个角度更加全面、直观地观察烧结矿各矿相的结构、形貌以及所占面积的多少，还能看到各矿相和气孔相互交织或毗邻关系。在分割过程中采用自动分割与手工分割相结合的人机交互处理方法，提高了重建准确度，而且实验只需要金相显微镜和计算机及其相应软件，便可实现烧结矿显微结构图的三维重建，操作简单、实用、灵活性高和成本低。

3  结果与讨论

3.1  烧结矿三维矿相重建效果图

鉴于两种烧结矿中硅酸二钙、钛榴石、玻璃质、镁橄榄石和枪晶石含量很少，因此把这些矿相统一划到硅酸盐一类。图2、3分别为钒钛烧结矿和普通烧结矿的三维重建图，其中灰白色部分代表赤铁矿，蓝色部分代表磁铁矿，绿色部分代表铁酸钙，黄色部分为硅酸盐，橙红色部分代表气孔，可以非常直观地观察到两种烧结矿各矿相在三维空间的分布，其矿相分布差异明显。

从图2中可以发现，钒钛烧结矿（a）区域为典型的自形晶再生钛赤铁矿，其中，钛磁铁矿均匀镶嵌在烧结矿中，与钛赤铁矿呈熔蚀结构。当氧化气氛加浓时，再生钛赤铁矿的含量逐渐增多，在燃料比过高或烧结温度高于1300℃时，液相凝结冷却时间缩短时，再生钛赤铁矿会以另一种结晶形式出现，正如图中的骸晶状钛赤铁矿，该钛赤铁矿对烧结矿存在一定的破坏力。钒钛烧结矿（b）区域为典型的他形晶钛磁铁矿，主要呈颗粒状，钛磁铁矿与铁酸钙、硅酸盐胶结呈交织熔蚀结构。气孔较小，分布不均匀，存在少量的半自形钛赤铁矿。钒钛烧结矿（c）区域主要为钛磁铁矿与铁酸钙的交织熔蚀结构，钛磁铁矿呈自形晶，晶粒较为细小，与铁酸钙、硅酸盐紧密胶结呈交织熔蚀结构，该区域气孔分布不均，大小不一，但大气孔居多。

从图3中可以发现，普通烧结矿（a）区域主要为树枝状铁酸钙与硅酸盐紧密胶结，四周伴有少量磁铁矿，几乎没有赤铁矿，气孔分布均匀，多为小气孔，从纵向上看，铁酸钙也呈树枝状向下延伸，磁铁矿从有到无、从无到有的变化过程也十分清楚。普通烧结矿（b）区域仍然以磁铁矿和铁酸钙为主，其中，铁酸钙多为条柱状，磁铁矿多为板块状，二者交织熔蚀在一起，少量硅酸盐以颗粒状形态附着在铁酸钙上，气孔大小均匀，但分布较少。普通烧结矿（c）区域主要为赤铁矿与气孔，其中，赤铁矿以板状、骸晶状形态几乎占据了整个区域，中间只包裹了少量铁酸钙和硅酸盐，气孔大小不一，小圆孔居多，分布不均匀。

3.2  烧结矿单个矿相三维分布图

为了对钒钛烧结矿和普通烧结矿中单个矿相结构进行深入和全面的分析，利用局部分割和透视功能，对各矿相进行三维重建，得到对应的三维矿相图。

图4（a）为钒钛烧结矿（a）区域的钛赤铁矿三维矿相局部图，可以更加直观地看到，骸晶状钛赤铁矿表面光滑，粒度均匀，在横向上相互连接，纵向上变化明显，部分小晶型逐渐缩小直至消失。图4（b）为普通烧结矿（c）区域的赤铁矿的三维矿相局部图，可以发现该局部赤铁矿主要呈板块状，覆盖面积大，表面孔隙较多，纵向上赤铁矿也变化较大，由于存在大量小气孔，因此纵向上细颗粒状赤铁矿较多。

图5（a）为钒钛烧结矿（b）区域的钛磁铁矿三维矿相局部图，可以发现，钛磁铁矿主要呈颗粒状他形晶，该晶型在钒钛烧结矿中大量存在，形态规则，连接性较好，但晶粒较细，易断裂，多以密集状分布其中；图5（b）为普通烧结矿（b）区域的磁铁矿三维矿相局部图，相对钛磁铁矿的局部结构，该晶型的互联性较弱，但晶粒较粗大，纵向上的变化明显，有的晶粒逐渐增大，有的晶粒逐渐减小直至消失，交织结构多，有助于提高强度。

图6（a）、（b）为钒钛烧结矿（a）区域的铁酸钙三维矿相局部图，可以发现，铁酸钙主要呈条柱状，该结构由多个枝晶组成，分布较分散，枝晶尺寸大小不均，深度上延伸有减小的趋势，因此在不同方向上的二维切片形貌各异，局部观察可以发现单个立体上枝晶呈板状。条柱状铁酸钙界面较平整，该晶型是由树枝状转变而来的，强度增加，但是还原性变坏。图6（c）、（d）为普通烧结矿（a）区域的铁酸钙的三维矿相局部图，由图可见，单个晶枝比较细，呈针状，其上分出了很多分支，像长的树枝。尤其是在其左右两端，铁酸钙向各个方向分出了非常多的小枝，而部分小枝还会再分出小枝，整个结构像叠放在一起的一堆树枝。该结构使裂纹的发展方向很难与相界面平行，而是呈一定角度，因此，可以有效的防止裂纹延伸，提高矿相的抗断裂性能，所以该结构越多，烧结矿整体强度越好。

图7（a）为钒钛烧结矿硅酸盐三维矿相透视图，该区域硅酸盐多呈他形晶颗粒状分布均匀，结晶颗粒较粗大，颗粒之间的连接性较弱；图7（b）为普通烧结矿硅酸盐三维矿相透视图，从图中能看到硅酸盐大多紧密胶结在铁酸钙上，且晶粒大小不一，多呈细颗粒状，含量较少，作为烧结矿的粘结相之一，适当增加硅酸盐的含量有利于提高烧结矿质量。

图8（a）为钒钛烧结矿（c）区域的气孔三维局部图，从图中可以发现，该气孔为一个独立的大气孔，纵向上逐渐变大，然后分离成两个小气孔。随着深度的增加，小气孔继续分离出两个更小的气孔，逐渐消失，大气孔壁较为光滑，分离出的小气孔由于变化多样，呈现出颗粒状形貌；图8（b）为普通烧结矿（b）区域的气孔三维局部图，由图可见，大部分气孔呈柱状存在三维空间中，有的互相连通且在纵向四处延伸，也存在少量闭气孔均匀分布在烧结矿中。

4 结论

通过采用三维重建法对钒钛烧结矿和普通烧结矿进行三维重建，重点观察了两种烧结矿中主要矿相的三维结构及分布，并对各矿相进行相应的局部分割，得出以下结论：

（1）对比分析钒钛烧结矿和普通烧结矿面绘制三维重建图，并直观上观察两种烧结矿各矿相分布及含量，发现有明显差异，与传统二维分析方法相比，三维重建图更能全面地反映烧结矿中真实存在的矿相形貌。

（2）对比分析钒钛烧结矿和普通烧结矿面绘制三维重建图，并直观上观察两种烧结矿各矿相分布及含量，发现有明显差异，与传统二维分析方法相比，三维重建图更能全面地反映烧结矿中真实存在的矿钒钛烧结矿中钛赤铁矿含量高，多以骸晶状菱形存在，钛磁铁矿主要呈颗粒状，铁酸钙晶粒细小，连接性较弱，多与硅酸盐和钛磁铁矿胶结在一起形成交织熔蚀结构，气孔大小不一，分布不均匀，大气孔较多。普通烧结矿中赤铁矿含量较少，且多为颗粒状，主要矿相为磁铁矿和铁酸钙，铁酸钙主要以针状和树枝状形态存在，分布较多，纵横交错，与自形晶板块状磁铁矿形成大量交织熔蚀结构，同样地，少量硅酸盐附着在铁酸钙上，气孔多为小气孔，分布均匀，连通性较好。钒钛烧结矿和普通烧结矿各矿相的元素组成也有明显差异，可能是造成晶型不同的主要原因之一。

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