后逐渐降低，压差达到最高值与氧化反应结束和料层温度开始下降的时间几乎相同，这表明压差降低仅仅是由于料层温度下降的缘故；Fe-50 ACP-25与Fe-100 ACP-35压差的变化情况相似，但经过20s时压差的升高幅度比Fe-100 ACP-35小，介于Fe-100 ACP-35和Fe-0 ACP-15中间。在同样条件下，Fe-25 ACP-20料层压差的升高幅度介于Fe-0 ACP-15和Fe-50 ACP-25中间，Fe-75 ACP-30料层压差的升高幅度介于Fe-50 ACP-25和Fe-100 ACP-35中间。

   图4示出了在不同金属Fe配比条件下，0-200s时料层的压差，纵坐标出现负值表明经过200s时压差低于初始值。当料层中金属Fe配比增加时，压差升高。

   观察经过10s、25s烧结及烧结试验后Fe-100 ACP-35、Fe-50 ACP-25和Fe-25 ACP-20料层的垂直剖面图发现：

   1）Fe-100 ACP-35经过10s烧结时，氧化铝球与黏附层的氧化物熔体产生聚合，同时金属Fe被氧化生成氧化铁，此时仍然残留有大量的金属Fe颗粒；经过25s烧结时，部分熔体向下渗入到料层的下部，并形成由若干氧化铝球组成的一些团簇；烧结过后，该团簇长大。

   2）Fe-50 ACP-25经过10s烧结时，金属Fe颗粒表面开始发生氧化，但料层下部的孔隙没有像Fe-100 ACP-35情况那样被熔体所填充；烧结过后，料层的断面结构同经过25s烧结时的差别不大。

   3）Fe-25 ACP-20经过烧结之后，料层的孔隙度较高，团簇粒度比在其他条件下小。

   上述结果表明，在Fe-100 ACP-35的情况下，料层下部温度较高的原因是由于料层上部熔体中金属Fe被氧化生成氧化铁，并向下流入料层下部的缘故。此时，熔体中的Fe由Fe² 转变成Fe³ ，并释放热量为料层下部供热。利用X射线CT对Fe-0 ACP-15和Fe-100 ACP-35两种情况下的烧结料层分别进行垂直面和水平面的3D扫描。结果显示，在Fe-0 ACP-15的情况下，形成透气性结构。

   在Fe-100 ACP-35的情况下，料层下部大部分的空间被熔体填充，气流通道非常狭窄。

   3.2 CaO含量对熔体形成行为和料层透气性的影响

   研 究15%CaO（Fe-100 ACP-35）和5%CaO（Fe-100 ACP-15）废气中的O₂浓度变化情况发现，虽然O₂浓度的差别较小，但在15%CaO（Fe-100 ACP-35）的情况下O₂浓度较低，表明在形成的熔体内的CaO浓度较高促进了金属Fe的氧化。

   研究了Fe-100料层的压差随黏附层中CaO含量的变化，结果表明，在15%CaO（Fe-100 ACP-35）的情况下，压差刚开始快速升高，然后快速降低。经过大约20s时压差达到最低值，然后再次经历快速升高、缓慢降低的过程。

   为了定量地研究CaO含量对压差变化的影响，需要对图5示出的压差曲线中标明的3个特征值进行说明。把初始值与经过20s时达到最小值之间的压差称为A压差，把经过20s后达到最小值与经过75s时第二次达到最大值之间的压差称为B压差，把初始值与经过200s时之间的压差称为C压差。压差为负值表明料层的透气性得到了改善。

   研究了料层中CaO含量对A压差的影响，研究结果显示，7.5%CaO（Fe-100 ACP-20）的情况下，A压差比5.0%（Fe-100 ACP-15）和10.0%CaO（Fe-100 ACP-25）两种情况都低。当CaO含量由10%（Fe-100 ACP-15）升高至15% CaO（Fe-100 ACP-35）时，压差降低。在烧结料层中，金属Fe颗粒的表面首先被氧化，形成FeO层，该FeO层随氧化的向前推进而增厚。为了确定料层中氧化物熔体的形成行为，必须研究反应初期金属Fe颗粒表面形成的FeO与粘附于ACP表面的CaO-Fe₂O₃系细粉发生的反应。由FeO-Fe₂O3-CaO系相图可知熔体的形成行为，在FeO-Fe₂O₃-CaO系相图上不同ACP黏附层最低液相线温度的成分如图6所示。

   最低液相线温度的变化对A压差有很大影响。经过20s时料层温度和预计的液相线温度随CaO含量的变化情况如图7所示。在7.5%（Fe-100 ACP-20）、12.5%（Fe-100 ACP-30）和15%CaO（Fe-100 ACP-35）三种情况下，经过20s烧结料层温度比预计的液相线温度高。12.5%（Fe-100 ACP-30）和15%CaO（Fe-100 ACP-35）两种情况的液相线温度比料层温度低得多。对于12.5%（Fe-100 ACP-30）和15%CaO（Fe-100 ACP-35）两种情况，A压差较大。在5.0%（Fe-100 ACP-15） 和10.0%CaO（Fe-100 ACP-25）两种情况下，料层温度比相应的液相线温度低。值得注意的是依据CaO-Fe₂O₃系二元相图，料层温度还比预计的液相线温度低，表明ACP黏附层自身不能熔融。

   研究了B压差随料层中CaO含量的变化，结果显示，CaO含量对B压差的影响不大，这是由于在料层下部形成较大簇团引起压差升高的缘故，不完全取决于形成熔体的CaO含量。

   研究了料层中CaO含量对C压差的影响，研究结果显示，C压差与A压差的变化趋势相似。经过大约55s烧结观察到压差达到最高值，然后开始降低，这主要是由于料层温度下降引起的。当利用金属Fe颗粒作造块剂时，CaO含量对初期熔体形成具有很大影响，当CaO含量超过10.0%CaO（Fe-100 ACP-25）时，导致形成的熔体数量增多，从而可促进料层结构上的变化，改善料层的透气性。

   Fe-0 ACP-15、Fe-100 ACP-15和Fe-100 ACP-35三种情况获得的C压差显示，Fe-0 ACP-15的C压差比使用金属Fe颗粒低。

   本次研究观察到，当熔体数量增加时气流通道发生堵塞现象，将导致料层下部烧结不均匀，这一结果同利用部分还原铁作造块剂获得的烧结杯试验结果相符。

   能够把试验过程中形成的熔体看作是CaO-FeO-Fe₂O₃系，而实际烧结过程中形成的熔体是由SiO₂、Al₂O₃和MgO组成的多元系。SiO2含量升高将使黏度明显增大，使液相线温度降低。熔体性质将对金属Fe和FeO的氧化行为产生严重影响，因此，深入研究Fe组分的氧化速度和熔融行为对于高效利用金属Fe作造块剂是必不可少的。

   4 结论

   日本东北大学在烧结模拟机上开展了一系列烧结试验，以研究利用金属Fe作造块剂对改善烧结料层透气性的效果，还研究了料层中CaO含量对透气性的影响。得出的结论如下：

   1）当利用金属Fe颗粒替代焦粉时，金属Fe的氧化速度比焦粉慢。

   2）当利用焦粉作造块剂时，烧结料层的压差刚开始时升高，经过几秒钟之后快速降低，然后变成缓慢下降；而当利用金属Fe颗粒作造块剂时，压差刚开始时升高，经过快速降低阶段之后，再次达到最高值。

   3）当利用金属Fe颗粒作造块剂时，导致烧结料层透气性降低的原因是由于形成的熔体数量增加，造成料层下部气流通道堵塞而引发的。

   4）使用金属Fe颗粒，当CaO含量较高时，在烧结初期熔体形成更加容易，从而能够促进烧结料层结构上的变化，改善料层的透气性。（宏济）