球团矿的制备和性能测定

球团矿的制备和性能测定

一、国内外球团矿的发展

球团矿是一种优良的高炉炼铁原料，我国的铁矿资源本适合生产球团矿，但是由于历史的原因，却走上了细精矿烧结的道路，上世纪80年代中期宝山钢铁公司的1号高炉投产，改变了我国传统的细精矿烧结工艺，其后随着钢铁工业快速的发展，国产精矿不能满足需求，进口粉矿逐年增加，目前就全国范围而言，细精矿在烧结配料中已经不占主导地位。球团矿在我国高炉炉料中的比例逐年升高，进入21世纪，链篦机一回转窑工艺发展迅速，2007年球团矿的产量可以达到l亿吨左右，加上进口的球团矿大约1．3亿吨，在全国高炉炉料中的比重平均16％左右，在可以预见的将来，烧结矿依然是我国高炉的主要原料，球团矿必将持续发展。

各钢铁厂的情况不同和矿源不同决定了其不同的高炉炉料结构。日本、韩国高炉以烧结矿为主, 因为其主要铁料是国际上购买的粉矿, 适宜生产烧结矿。北美高炉以球团矿为主, 因为其矿源多为细精矿, 适宜生产球团矿。欧盟由于环保要求, 烧结厂的生产和建设受到了严格的限制, 为了进一步改善高炉炼铁指标, 充分发挥球团矿在高炉炼铁中优越的冶金性能, 因而以球团矿为主。

欧美高炉球团矿使用比例一般都较高, 个别的高炉达100 %。其中一部分高炉使用熔剂型球团矿, 如加拿大Algoma7 号高炉熔剂球团矿比例达99 % , 墨西哥AHMSA 公司Monclova 厂5 号高炉熔剂球团矿比例为93 % , 美国AKSteel 公司Ashland1KY厂Amanda 高炉熔剂球团矿比例为90 %以上; 另一部分高炉以酸性球团矿为主, 配比一般在70 %以上。欧洲高炉中, 瑞典、英国和德国的部分高炉球团矿的比例很高。

亚洲国家的高炉一般以烧结矿为主, 高达70 %左右。日本高炉炉料结构的特点是烧结矿比例高且一直比较平稳,而球团矿比例自1979 年以来一直在下降, 块矿比一直在上升。高炉炉料中高碱度烧结矿比例维持在7113 %～7619 % , 用量一直比较平稳。球团矿比例自20 世纪70 年代初至1979 年达到了高峰, 为14 % , 此后逐年下降至现在的10 %以下。典型的如新日铁4 号高炉的炉料结构, 烧结矿占70 % , 球团矿占10 % , 和歌山4 号高炉使用75 %～80 %的烧结矿, 巴西块矿占20 %。只有神户制钢神户厂于1998 年由于烧结机老化停止生产才开始在高炉中采用高比例球团矿的炉料结构, 球团矿配比达70 %以上。韩国浦项光阳厂的高炉炉料结构中烧结矿为74 %, 球团矿为11184 %。

我国因各钢铁厂情况不同, 高炉使用球团矿的比例很不相同。宝钢高炉的铁料来源与日本大多数高炉相似, 所以其炉料结构也与日本大多数高炉相似, 烧结矿7415 % , 球团矿815 % , 块矿17 %。

二、 球团矿生产技术

(一)、 粉矿造球

1、细磨物料成球机理

加水湿润矿粉是使矿粉成球的基本条件。水在矿粉中存在有四种形态：吸附水、薄膜水毛细水和重力水．

吸附水：细磨矿粉表面由于具有过剩能量，并通常带有电荷．因此可以吸附具有极性的水分子而中和表面的电荷．结果在颗粒表面形成一吸附水层，这层水叫吸附水．一般亲水性强和粒度细的物料对分子水的吸附能力也强。吸附水层虽然很薄，但其作用力很大，

它不能在颗粒表面自由移动。这是使生球具有足够强度的原因之一。

薄膜水:进一步湿润物料时，在吸附水周围形成薄膜,薄膜水的形成是由于形成吸附水后剩下的末被平衡掉的分子力的作用，因此薄膜水和颗粒表面的结合力，比吸附水和颗粒表面的结合力弱得多。在分子力的作用下，薄膜水有从1个颗粒表面迁移至另一颗粒表面的能力。亲水性强的物料具有较厚的薄膜水．

吸附水和薄膜水合起来组成分子结合水，它在外力作用下和颗粒一起变形，并且分子水膜使粒彼此集合。当矿粉含水量达到最大分子结合水后，成球过程才明显地开始。

物料湿润程度超过其最大分子结合水时,矿粉中形成毛细水，这时为水所充填的矿粉间的空隙可视为大量的毛细管．毛细水和矿粉间结合强度决定于毛细压力的大小，它用下式表示：

h＝2αcosθ/ρgr

式中 h——毛细管中液而的高度，(即毛细压的大小)，厘米；

α ——液体的表面张力，达因／厘米：

r——毛细管平均半径，厘米；

ρ——液体密度，克／厘米’；

θ ——湿润角，度；

g——重力加速度，压米／秒．

由式可见，液体表面张力愈大，物料亲水性愈强，(即湿润角θ越小)，液体密度愈小、毛细管直径愈小(颗粒细和接触紧密)时毛细力越大，愈易成球，这是造成生球强度的主要因素之一．

物料颗粒在毛细水的毛细压力作用下，被拉向水滴中心，形成小球，毛细水起主导作用，这就是矿粉成当物料完全被水饱和时，还存在着重力水，它在自身重力作用下发生迁移。此时的含水总量亦称为全水量．重力水对造球不利，易引起生球强度降低和变形．

铁矿粉加水混合后用滚动方式成型，成球过程分为三个阶段：形成母球；母球长大和长大后的母球进一步紧密。

形成母球：母球形成过程可分为：A．矿粉被温润，颗粒表面形成水膜；B．温润矿粉彼此相接触，由于液体表面张力作用形成液铤;C．矿粉在造球机内运动。使含有一个或数个矿粒的各个小水珠相互结合，形成了最初的硫松的料团，D．物料继续加水，使疏松科团内孔隙逐渐为水所填充直至全部充满5E．水尚未均匀的裹住整个料团ZF．在外力作用下，科团内过多的毛细水被挤到表面，使水裹住整个料团，形成团球(造球核心)。

母球长大：在母球形成之后，紧接着就是它的长大．而母球表面上的水靠毛细力的作用将周围的矿粉聚到母球的表面，使母球长大．这种滚动压紧，从母球中挤出水分到表面，再依靠毛细力聚集周围矿粉的过程重复多次致使母球逐渐长大．但这种靠毛细力结合的生球强度是不大的，还必须经过密结阶段．

球的毛细力理论。

长大后的母球进一步紧密：在波动等外力作用下，使长大的生球变得更密实，排除毛细水，使毛细管直径更小．毛细力增大，生球强度提高。当毛细水全部徘出。颗粒内靠吸附水结合时，生球强度最大．如果喷水过多，生球表面过湿，不仅影响毛细水排出，使强度降低，同时还会产生生球互相粘结现象．

2、对生球的质量要求

为了保证焙烧过程的顺利进行和球团的质量，要求生球有均匀的粒度、较高的机械强度(抗压和落下强度)和高的热稳定性以及合适的水份．

生球粒度一般为10—15毫米，粒度过大不仅使造球机生产能力降低，而且对强化焙烧过程及高炉冶炼也是不利的。

抗压强度(即荷重试验生球开始碎裂时所负荷的重量)，一般要求不小于1．5—2．o公斤／球．采用竖炉法进行焙烧时，为了保证生球承受料柱压力而不破碎，要求生球有更高的抗压强度．

落下强度，一般要求从o．5米(有的为1米)高处落于钢板上不碎的次数大于4次。若落下强度不够，生球在运输过程中大量破碎，产生粉末，会严重恶化焙烧过程。

生球合适水份是保证获得质量好的生球的重要条件，其值决定于原料条件，要通过试验来确定，一般为9一12％．

生球热稳定性通常用生球的“破裂温度”来表示．它是生球在加热干燥时发生破裂的温度。提高生球的破裂温度对强化生球的干燥过程有很大意义。破裂温度愈高愈有利于加

速干燥过程．

3、影响造球过程的因素

1）．原料性质

原料的亲水性、孔隙度和颗粒形状是影响滚动成球的重要因素。矿粉亲水性强弱顺序:褐铁矿最大，赤铁矿次之，磁铁矿最差．脉石对铁矿物的亲水性也有很大影响，甚至可以改变上述顺序。亲水性强的矿粉比亲水性弱的容易成球。

2）原料粒度

原料粒度愈小，组成愈不均匀，生球长大愈快，强度越好。

根据成球理论可知：粒度愈小，比表面愈大，毛细管愈小；粒度组成不均匀，矿粉颗粒愈易形成密集的堆集体。这些都能增强分子力、内摩擦力和毛细力，使生球强度提高．因此，物料粒度不仅要细，而且粗细粒比例要合适。

造球附加物的粒度对造球也有很大影响．附加剂粒度过粗将分布不均(因为附加物用量都比较少)，因此，要求附加物也应具有一定的细度．如皂土〈200目的应占70％以上。

3）．原料湿度

原料的湿度对造球影响很大．用来造球的物料含水量不应过大，否则生球大小不均，容易变形和相互粘结，这和生球含水量过大有同样问题．

原料水分不足也不能获得优质生球，同时成球缓慢，影响设备生产能力的提高。因此要求原料和生球有合适的水分，并尽量缩小其波动范围(一般要求〈0．5％)．生球含水量因原料性质而异，磁、赤铁矿的生球适宜含水量为8—10％，褐铁矿为20—25％。并且原料粒度愈细和加入粘结剂，能使适宜水份升高．

为了获得适宜的生球含水量，应控制原料的原始水分，使其较合适水分低2—3％为好．

4）添加剂的影响

添加剂对改善物料的成球性，提高生球强度起着重要作用，因此得到生产的广泛应用．添加剂，一方面能提高造球物料的亲水性和增加比表面积，另一方面可提高物料颗粒间的粘结力和内摩擦力，提高生球强度．一般，凡是表面分散性大，难溶、亲水性好，具有天然胶结性能的物质均可做为添加剂．如皂土(AI203.4si02.H20+nH20),消石灰(Ca(OH)2)和石灰石(CaCO3)等。

消石灰是一种亲水性很好，并具有天然胶结能力的添加剂．加入消石灰可以提高物料粘结力，提高生球强度和破裂温度，使生球质量明显提高．但消石灰不能过多的使用，不然由于物料堆比重减小 ,空隙度增加，使毛细水排除速度减慢，成球速度降低。对消石灰含水量也要控制，水份过少，污染环境，过大混合不均匀，造球效果差．一般要求其含水量为18土2％。

石灰石也是亲水性物质，表面组糙，因此添加石灰石粉能增加颗粒内的排列紧密程度及其内摩擦阻力；但石灰石不像消石灰那样明显地降低物料的比重，可见二者应配合使用对造球更为有利．另外，Ca(OH)：和CaCO；也是生产自熔性和高碱度球团的必需物质．实践表明，添加5％CaO，能使生球破裂温度从175提高到350℃。

皂土又名为膨润土，是一种高度分散的粘土胶粒，亲水性强．它的比表面积比一般粘土大7倍，在水中泡胀能吸收700％的水．它是一种效果好的添加剂，加入0.25—0．5％即可提高生球强度40一60％，干燥破裂温度可以从175℃提高到456—500．但皂土与消石灰相比价格较贵，又影响球团品位．不宜过量使用．

生石灰也是一种粘性强的物料，特别是当原料水份过大时，使用生石灰可降低水分，改善造球过程．

5）工艺操作对成球的影响（简）

球团生产目前多用园盘造球机．下面所讨论的影响因素都是针对园盘造球机而言的．

A）加水和加料方法

B）造球机的转速和倾角

C）园盘边高和容积充满率

D）底料和刮板

E）造球时间

F）生球尺寸

G）物料和工作面温度

(二)、生球干燥

生球在焙烧前需干燥脱水，以防焙烧时迅速加热到高温，产生破碎，恶化焙烧过程和产品质量．

相中水气压时．表面水不断蒸发，被废气带走,此时生球内外产生湿度差。在这种湿差作用下，内部水分不断向外扩散，使整个生球湿度不断降低．因此，加热气愈干燥(蒸汽分压愈小)、温度愈高，气流速度愈大，则干燥的速度愈快。随着生球水分的脱除，生球产生不均匀收缩．由于表面水去除多，收缩量大于平均值，产生拉力；而中心收缩量小于平均值，产生压力．当表面的拉应力超过其极限抗压强度时，则产生裂纹，使生球强度降低，甚至碎裂．因此，干燥速度愈快，愈易引起生球的破裂，这是提高干燥速度的一大障碍。

此外，在干燥过程中，生球的强度也是不断发生变化的，一般说，当生球中毛细孔内形成弯月型时，毛细粘结力最大。而生球中毛细水含量往往超过此值，因此随着干燥过程的进行，生球水分渐变少，强度逐渐增加．当达到最大强度后，水分进一步迁移，由于毛细粘结力减少，强度反而下降．随着水分的脱除，生球出现一低强度区，在这里生球最易破碎．生球的最低强度应该能承受球层的压力和干燥介质穿过球床时的压力，否则球床塌落，透气性恶化．

生球原始水分增加，破裂温度会降低，这样就限制了在较高温度和流速的介质中进行干燥的可能性，只能减缓干燥速度

缩小生球尺寸也有利干燥过程，因为球小．比表面大，蒸发面大，内部水份向表面扩散容易．

此外，构成生球的物料组成和粒度特性对干燥过程的影响也很大，因为能承受最高的干燥介质温度多半是取决于造球物料组成．如同一种铁精矿球团，添加少量皂土(o．5％)后，破裂温度由275C提高到450—500。C．

造球物料颗粒大小，直接影响生球的孔隙率，随着物料粒度的缩小，孔隙度下降，生球结构紧密，其强度提高．但物料过细不仅生球强度不能提高，同时还会降低干燥速度，因为微孔毛细管使水迁移困难，并障碍内部蒸汽的扩散，使内部过剩蒸汽压增加，所以生球破裂温度降低．皂土加人量不能过多也是这个道理．

(三)、 球团矿的焙烧固结机理

焙烧是国内外普通采用的固结方法．经烙烧后的球团可达到足够的强度和高的氧化度．因此，生球焙挠是球团矿生产中最重要的一环．生球焙烧是一个复杂的物理化学变化过程．随着生球的矿物组成与焙烧制度的不同，所发生的固相反应也不同，因而球团矿的质量也不同．对球团固结机理的研究还很不够，只能根据目前的认识作简要介绍。

1、再结晶固结理论

1）微晶键连接

在氧化气氛中和低温(900℃以下)条件下焙烧磁铁矿球团矿时，经微观检查证明，在磁铁矿表面首先产生了Fe2O3微晶．由于新生的Fe203微晶中，其原子具有高度的迁 移能力，促使微晶长大．处于各个磁铁矿接触点的Fe203微晶的长大，形成了连接

(2)固相烧结固结。

当温度提高到1100℃时，生球颗粒之间发生固相烧结作用，这是一种在粉末冶金及陶瓷工业中主要的固结机理。生球颗粒之间开始由于固相扩散而形成渣化联结颈，而后由于球团空隙减少，密度增加而增大强度。

(3)液相烧结固结。焙烧过程中，如果生球中SiOs含量较高，焙烧温度又过高时，也可能象烧结矿生产中那样产生一定的熔化而出现液相，在冷却过程中液相凝固把生球中各矿粒粘结起来。实践表明，这种渣接连接的强度较低。

焙烧温度制度。

需要一定的温度保证Fe304再氧化(900一1100℃)及固相扩散(1200—1300℃)，也需要一定的升温制度及高温持续时间，以保证Fe3O4完全氧化及再结晶(一般需要20—30分钟)，但温度也不能过高以防止球团之间粘连。因此存在一个固结必须的温度与最高限制温度之间的焙烧温度区间。显然，任何工业设备中都不可能达到温度分布绝对均匀，那么这一温度区间越宽，焙烧作业就越易进行。对于较纯的Fe304生球倍烧温度通常不超过1300一135O℃，对于含杂质较高或溶剂性球团，焙烧温度不宜超过1250C，但也不能低于1150℃。对于某一具体矿粉的球团焙烧，温度制度是通过试验确定。

焙烧气氛。

氧化气氛有利于Fe3O4精矿粉造成的生球的焙烧，气氛是根据燃烧室产物中含氧量来划分的：

含氧量＞8％——强氧化气氛

4～8％——氧化性气氛

1．5～4％——弱氧化运气氛

1～1．5％——中性气氛

因此，可用改变燃烧的过剩空气系数来达到气氛的调节。

球团粒度。

生球粒度愈大，需要的焙烧和高温持续时间愈长，以保证氧向中心扩散和热量向中心传递，使Fe3O4完全氧化成Fe2O3，并进行再结晶长大。对以Fe2O3矿粉制造的生球焙烧尤为重要，因为它内部无氧化放热，全部热量均需由外界传递进去。因此希望将球团粒度控制在9～12mm，应当指出，生产球团矿的精矿粉粒度对熔烧也有影响,一般地说，精矿粉粒度愈细，对焙烧愈有利。这是由于粒度越细，比表面越大， Fe304氧化越快，越完全，而Fe203再结晶程度主要取决于-15微米的含量，随着精矿粉中一15微米含量的增加，球团矿成品的抗压强度提高。同时，精矿粉粒度越小，球中孔隙尺寸就越小，在其他条件相同时，球团的强度就越高。因此为得到强度高的球，宜将矿粉磨细。

＜1．0％——还原性气氛

(四)、球团工艺

现在世界各国使用着三种经济上合理的氧化球团焙烧方法：带式焙烧机，链算机—回转窑和竖炉。

竖炉是最早采用的球团矿焙烧设备。现代竖炉在顶部设有烘干床，焙烧室中央设有导风墙。燃烧室内产生的高温气体从两侧喷入焙烧室向顶部运动，生球从上部均匀地铺在烘干床上被上升热气体干燥、预热，然后沿烘干床斜坡滑入焙烧室内焙烧固结，在出焙烧室后与从底部鼓进的冷风气相遇，得到冷却。最后用排矿机排出竖炉。

竖炉的结构简单，对材质无特殊要求；缺点是单炉产量低，只适用于磁精粉球团焙烧，由于竖炉内气体流难于控制，焙烧不均匀造成球团矿质量也不均匀。

链笆机一回转窑法主要由链篦机、回转窑和环冷机三部分组成．

链笆机由移动篦板、下部固定风箱和上部固定炉罩组成。移动的篦板与风箱紧密结合．风箱以及干燥和预热段炉罩均分隔成单独的工艺部分．

带式焙烧机是目前使用最广的焙烧方法。带式焙烧的特点：1、采用铺底料和铺边料以提高焙烧质量，同时保护台车延长台车寿命；2、采用鼓风和抽风干燥相结合以改善干燥过程，提高球团矿的质量；3、鼓风冷却球团矿，直接利用冷却带所得热空气助燃焙烧带燃料燃烧、以及干燥带使用；只将温度低含水分高的废气排入烟囱；4、适用于各种不同原料(赤铁矿浮选精粉、磁铁矿磁选精粉或混合粉)球团矿的焙烧。

三、球团矿的性能特点

球团法是一种新型造块方法，自投入使用以来发展迅速。其产品不仅用于高炉，而且用于转炉．平炉或电炉。球团矿与压团团块相比，具有以下几点优越性：’

(1)适于大规模生产；

(2)粒度均匀，能保证高炉炉料的良好透气性；

(3)空隙率高，还原性好；

(4）冷态强度高，便于运输和贮存，不易破碎等。

因此，目前球团法以其巨大的优越性与造块的另一种方法烧结法并列成为人造块状原料的两大方法

四、 提高球团矿质量的措施

4.1 确保原料粒度

在球团生产中,原料粒度对造球过程影响很大,它主要从三方面影响成球,一是大小,二是组成,三是颗粒形状。原料粒度小且有合适的粒度组成时,生球中颗粒间排列紧密,毛细管平均直径较小,颗粒间粘结力较大。随着原料粒度减小,其比表面积增大,而比表面积的大小是决定生球中颗粒粘结强度的一个重要因素。为了得到强度好的生球, 一般要求铁矿石中- 200目(01078 mm) 的含量在65 %以上。颗粒形状也是影响比表面积的重要因素,同样粒级的颗粒,褐铁矿以针状和片状存在,其比表面积较之多角形的磁铁矿要大,因而其成球性能较好。在实际生产中,我们严格控制原料粒度,要求所用磁铁精矿- 200 目(01078 mm) 的含量必须在65 %以上,确保生球质量。

4．2 适宜的造球水分

在造球过程中,适宜的水分控制对生球质量起着关键作用。总结多年的实际生产经验,

结合所用原料特点,通过大量的造球试验,确定了适宜的造球水分在710 %～713 %之间,并在实际生产中严格控制, 使生球质量稳步提高。

4.3发挥润磨的作用

为了提高铁精矿细度,配备了两台Á312 ×514 m 润磨机。铁精粉通过润磨, - 200 目粒级含量提高8 %～12 % ,同时表面形状改变,表面活性增加,成球性能得到改善,球团强度提高,此外,还降低了膨润土消耗。

4.4严格控制膨润土用量

球团生产所用原料水分较高,配入膨润土后,允许有较大的水分波动范围,使造球操作性增强。另一方面因膨润土粒度细,具有较大的分散性,可增大造球物料的比表面积,使生球内毛细管平均直径变小,毛细力增大,生球强度提高。但膨润土配量增加后会使球团矿品位大幅降低,因此,我厂在实际生产中以满足生球质量为前提,严格控制膨润土用量,膨润土单耗逐年降低,2008 年1～4 月平均为1416 kg/ t ,使球团矿品位稳定在65 %以上。

4.5 合理控制焙烧温度

焙烧温度是决定球团矿质量最重要的参数之一。通过不断提高燃烧室温度,增加冷却风用量,使球团矿焙烧更加充分,球团矿抗压强度明显提高,同时球团矿的软融区间、还原膨胀等冶金性能也得到改善。