球团过程（三）

3   球团矿的焙烧固结

焙烧固结是目前生产球团矿普遍采用的方法。通过焙烧使球团矿具有足够的机械强度和良好的冶金性能。

3.1  焙烧固结机理

生球焙烧是一个复杂的物理化学性质变化的过程。焙烧时，随着生球的矿物组成与焙烧制度（主要是气氛和温度）的不同，发生着不同的固结反应，也影响着焙烧后球团的质量。        球团矿在高温下焙烧，强度增加的原因有：

 （1）晶桥联结。它是 1952 年由库克和彭研究建立的。磁精矿粉生球在氧化性气氛中在200—300℃ 开始氧化，到 800℃形成 Fe2O3 的外壳。Fe3O4 在氧化中产生 Fe2O3 微晶，在这新生成的 Fe2O3 微晶中，其原子具有高度的迁移能力，促使微晶长大，形成连接桥，称为 Fe2O3“微晶键”，使生球中颗粒互相粘结起来。随着加热到 1100 以上，Fe3O4 完全氧化，生成的微晶再结晶，使互相隔开的微晶，长大连接成一片的赤铁矿晶体，球团矿获得了最高的氧化度和很大的机械强度。如果磁铁矿生球在中性或还原性气氛中焙烧，温度提高到 900℃时

    则生球中的 Fe3O4 晶粒可以再结晶和晶粒长大，球团以 “Fe3O4 晶桥键 ”固结。如果生球中铁氧化物是 Fe2O3 形态，Fe2O3 在高温下也可以发生再结晶与晶粒长大而形成晶桥固结。但是与第一种情况的固结相比，后两种情况下的固结力较弱。

   晶桥固结的关键是焙烧温度的控制，首先是在 Fe3O4 氧化形成 Fe2O3 外壳后，要小心控制加温速度，使氧能透过外壳向内部扩散，达到完全氧化，否则，球内部可能残存磁铁矿核心，影响球团矿的质量；其次是焙烧温度过高，将产生液相而发生粘结，严重影响焙烧。

（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 SiO2 含量较高，焙烧温度又过高时，也可能像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，这种渣键联结的强度较低。同时，液相产生还会使球团之间相互粘结而结块，因而在生产中常加以抑制。一般球团矿中液相量<5﹪.

3.2  影响球团矿焙烧固结的因素

(1)  造球原料的性能。首先是矿石种类，Fe3O4 在焙烧中氧化成 Fe2O3 伴随晶形转变，能更好地构成晶桥。同时氧化放热能耗较低，球团矿质量也较好。

在强氧化性气氛中，脉石中的 SiO2 与 Fe2O3 不发生反应，对焙烧无影响但在中性和还原性气氛中，或 Fe3O4 未氧化成 Fe2O3 的地区，在一定温度下会形成液相。长石熔点较低，且流动性好，与 Fe2O3 之间有较强的附着力，所以焙烧时，长石熔化而充填于 Fe2O3 之间，能在较低的温度下获得有足够强度的球团矿。

其次是添加物，皂土在焙烧时形成渣相，存在于赤铁矿颗粒之间。有利于固结。消石灰和石灰石在焙烧温度下形成 CaO，它与 Fe2O3 形成铁酸钙，但也能与脉石中的 SiO2、Al2O3作用形成低熔点的渣相，产生球团粘结现象，生产中往往被迫降低焙烧温度，不利于球团矿焙烧生产。白云石中的 MgO 与 Fe2O3 反应形成镁铁矿，而镁橄榄石中 MgO 与 SiO2 结合，其熔点较高，焙烧时不易产生液相，而且还有利于提高成球的高温冶金性能。

  （2 ）焙烧温度制度。需要一定的温度保证 Fe3O4 再氧化（900 —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—30min）。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 Fe3O4 生球焙烧温度通常不超过1300—1350℃，对于含杂质较高或熔剂性球团，焙烧温度不宜超过 1250℃，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的。

（3） 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/﹪                                 气氛

>8                                    强氧化气氛

4—8                                    氧化性气氛

1.5—4                                    弱氧化性气氛

1—1.5                                    中性气氛

1.0                                        还原性气氛

因此，可用改变燃烧的过剩空气系数来调节气氛。

（4）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焙烧也有影响，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 Fe3O4 氧化越快，越完全，而 Fe2O3 再结晶程度主要取决于—15μm 的含量，随着精矿粉中—15μm 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。

 

 4   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：带式机、链箅机—回转窑和竖炉。三种焙烧工艺流程和设备分别示于图2—27、2—28 和2—29，它们的特点见表2—4。

4.1  配料、混合和造球

球团矿使用的原料种类较少，故配料、混合工艺都比较简单。如同烧结一样，按比例配好的料在圆筒混料机混合，一般均采用一次混合流程。国外有的厂家采用连续式混磨机，由于混磨作用，水和粘结剂混合效果得到充分发挥，可以减少粘合剂的用量，提高生球质量。应当指出的是我国生产的精矿粉一般脱水都较差，含水量远高于合适的造球水分，而且含水量不稳定。因此，在配料前宜设置精矿粉烘干系统。

至于造球已在前面生球成型中叙说。需要说明的是在工艺生产流程中，造球机一般均与辊筛形成闭路系统，将小于 8mm 和大于 16mm 的球筛除，经打碎再参加造球。这样做是为了提高焙烧设备的生产率和成球的质量。

4.2  焙烧作业

   A 带式焙烧机焙烧  带式焙烧机的基本结构形式与带式烧结机相似，然而两者生产过程

却完全不同。一般球团带式焙烧机的整个长度上可依次分为干燥、预热、燃料点火、焙烧、均热和冷却等六个区。

带式机焙烧工艺的特点是：

（1）铺有底料和边料，底料的作用是保护炉箅和台车免受高温烧坏，使气流分布均匀；在下抽干燥时可吸收一部分废热，其潜热再在鼓风冷却带回收，保证下层球团焙烧温度，从而保证球团质量。边料的作用是保护台车两侧边板，防止被高温烧坏；防止两侧边板漏风。这两项可使料层得到充分焙烧，而且延长台车寿命。

（2）采用鼓风与抽风混合流程干燥生球，既强化了干燥，又提高了球团矿的质量和产量。

（3）球团矿冷却采用鼓风方式，冷却后的热空气一部分直接循环，一部分借助于风机循环，循环热气一般用于抽风区。

（4）各抽风区风箱热废气，根据需要作必要的温度调节后，循环到鼓风干燥区或抽风预

热区。

（5）干燥区的废气因温度低，水汽多而排空。

由于焙烧和冷却带的热废气用于干燥、预热和助燃，因此单位成品的热耗降低。在焙烧磁精粉球团时，先进的厂家为 380—400MJ/t，一般也只有 600MJ/t，而在焙烧赤铁矿球团时，需热约 800—1000MJ/t。

   B 链箅机—回转窑焙烧  它是由链箅机、回转窑和冷却机组合成的焙烧工艺。生球的干

燥、脱水和预热过程在链算机上完成，高温焙烧在回转窑内进行，而冷却则在冷却机上完成。

此焙烧工艺的特点是：

（1） 生球在链箅机上利用回转窑出来的热气体进行鼓风干燥，抽风干燥和抽风预热，而且各段长度可根据矿石类型的特点进行调整，由于在链箅机上只进行干燥和预热，铺底料是没有必要的。

（2）球团矿在窑内不断滚动，各部分受热均匀，球团中颗粒接触更紧密，球团矿的强度

好而且质量均匀。

（3）根据生产工艺的要求来控制窑内气氛可生产氧化球团或还原（或金属化）球团。还

可以通过氯化焙烧处理多金属矿物等。

 

（4）生产操作不当时容易“结圈”，其原因主要是在高温带产生过多的液相。物料中低熔点物质的数量、物料化学成分的波动、气氛的变化及球团粉末数量和操作参数是否稳定等都对结圈有影响。为防止结圈，必须对上述诸因素进行分析，采取对应的措施来防止，如生球筛除粉末，在链箅机上提高预热球的强度，严格控制焙烧气氛和焙烧温度，稳定原料化学成分，选用高熔点灰分的煤粉等。

链箅机—回转窑法焙烧球团矿时的热量消耗，因矿种的不同而差别较大，焙烧磁铁矿时一般为 0.6GJ/t，焙烧赤铁矿时为 1GJ/t，而焙烧赤铁矿—褐铁矿混合矿时需 1.35—1.5GJ/t。

C 竖炉焙烧 焙烧球团矿的竖炉是一种按逆流原则工作的热交换设备。生球装入竖炉以均匀的速度连续下降，燃烧室生成的热气体从喷火口进入炉内，热气流自下而上与自上而下的生球进行热交换。生球经干燥、预热后进入焙烧区进行固相反应而固结，球团在炉子下部冷却，然后排出， 整个过程在竖炉内一次完成。

   我国竖炉在炉内设有导风墙，在炉顶设有烘干床。它们改善了竖炉焙烧条件，因而提高了竖炉的生产能力和成品球的质量。

此工艺的特点是：

（1）生球的干燥和预热可利用上升热废气在上部进行。我国独创的炉顶烘干床，可使生球在床箅上被上升的混合废气（由导风墙导出的冷却带热风和穿过焙烧带上升的废气的混合物，温度在 550— 750℃）烘干，这一创造不仅加速了烘干过程 而且有效地利用废气热量

提高了热效率。同时由于气流分布较合理，减少了烘干和预热过程中的生球破裂，粉尘减少

料柱透气性提高，为强化焙烧提供了条件。

（2）合理组织焙烧带的气流分布和供热是直接影响竖炉焙烧成败的关键。我国利用低热

量高炉煤气在燃烧室内燃烧到1100—1150℃的烟气进入竖炉，由于导风墙的设置，基本上解决了冷却风对这烟气流股的干扰和混合，保证磁铁矿球团焙烧所要求的温度，并使焙烧带的高度和焙烧温度保持稳定，从而较好地保证焙烧固结的进行。

 （3）导风墙的设置还能克服气流的边缘效应所造成的炉子上部中心“死料柱”（即透气性差，甚至完全不透气的湿料柱）。使气流分布更趋均匀，球团矿成品质量改善。

    竖炉焙烧球团矿由于废气利用好，焙烧磁铁矿球团的热耗在 350—600MJ/t。

三种焙烧球团方法生产球团矿的成本示于图 2—30。

4.5 特种造块方法

烧结和球团虽然有很大优点，并发展成为典型的铁矿粉制块工业生产方法。但也有下列缺点：1）高温作业，消耗能源，污染环境；2）还原剂（碳）不能在成品中保持，因而不能

用烧结和球团方法制造一种含还原剂（碳）的单一炼铁原料。

因此长期以来,人们一直在研究探索粉料的其他造块方法,特别是寻求一种不用高温作业的固结方法。其中有些方法已在钢铁工业中应用。

4.5.1  压力造块法

散粒物料在高压作用下可压制成紧密的料块。这种聚合作用仅仅依靠分子吸引力，但是这种作用力对于有塑性变形的物质较为有效。因为可使球形颗粒的引力在压力下变形成为两平面引力，使分子吸引力有很大增加，铁矿粉的塑性变形很小，因此单纯依靠高压很难制成具有一定强度的压块。温尼斯基曾根据实验数据总结出一个表示铁矿粉密度变化率与压力的关系，经过计算，即使压力增加到 100Mpa，体积收缩率不超过 10﹪，压块强度增加也是有限的。为此曾应用几种变通的方法生产压块。

（1）先用压机制成型坯，再将型坯进行高温焙烧。方团矿就是这种方法的产品。20 世纪 20 年代在欧洲和美国曾得到过一定发展，解放前后我国本钢等厂家也生产过。现因其消耗高，质量差，不适宜于高炉生产而未得到推广。

（2）在铁矿粉中加入粘结剂后再压制。
(3)将铁矿粉加热到一定温度(800—1050℃)使矿粉具有塑性后再加以热压。

后两种方法曾在美国和我国进行过试验，但都因成本高，效果差而未获成功。可是它们可应用于压制铁合金生产和直接还原生产中的粉末产品，特别是将流态化法生产的细粒海绵铁粉压成块状产品，既有利于运输，也可防止海绵铁粉再氧化。通常使用对辊压力机或模压机在冷态或热态下压制，有时在压制时也加入粘合剂如石灰，水玻璃或糖浆等以增加制品的耐压强度。

4.5.2  粘结剂固结

   使用粘结剂固结铁矿粉的想法由来已久，并进行了大量和广泛的试验，尝试了种类繁多的粘结剂如石灰、MgO、蜡、糖浆、各种胶、淀粉、糊精、亚硫酸纸浆废液、水玻璃、NaOH、碳酸盐、氯化物（MgCl2、CaCl2）、硼酸盐、皂土、粘土、硅藻土、海生植物、泥煤（腐植酸）、塑料等，大部分未获成功。失败的原因有：1）有些粘结剂粘结强度太低；2）有些粘结剂高温失去强度（有机物）；3）有些粘结剂固结时间太长（硫酸盐）；4）有些粘结剂成本太高。

下面列出几种较有意义的方法：

（1）水泥固结球团。瑞典格朗冷固法用 5﹪ 10﹪的波特兰水泥熟料与矿粉制成球团，混在精矿粉中养护以防止变形及粘连，然后筛出精矿物在硬化仓中养护 5 天，再于堆场存放 3 周后使用，强度可达 100kg/球以上，在高温下水泥失去强度时新的熔结桥已生成而使球不致破坏。

这种方法的缺点是：1）养护期太长， 需要很大场地堆放；2）水泥用量太大；3）球团内掺入酸性脉石，使矿石品位降低，高炉冶炼渣量增加。此外有人认为此种球团高温强度差，还原膨胀大不能使用。但瑞典要建工业厂生产日本也还在研究此法。

美国卓尔法大致相似，但用蒸气养护法缩短养护期。

  （2）高压蒸养法。精矿粉中加入细磨石灰，造球后置入高压釜中以 60—80Pa 高压蒸汽养护4—8h，能使球团强度达到近1000N/球，其固结机理尚不清楚。用 X 光衍射未发现特殊情况，电镜分析发现球团联结桥中有 Ca、Si、Fe、Mg 等阳离子存在，有人认为可能是下列反应：

生成物 CaO·mSiO₂·nH₂O 是一种类似水泥的胶凝体，固结后成为联结桥。

这种球团在还原热态下，不但不发生膨胀，甚至发生收缩，高温下强度仅降低 50﹪。

此法缺点是矿石必须有 6﹪—8﹪的SiO₂才能有效固结。如SiO₂ 太少可配加 1﹪细磨石英。对要求高品位铁矿是一个问题。另外有些铁矿即使含有足够 SiO₂，蒸养后仍然达不到一定强度，原因不明。中国、美国、瑞典、日本都对此法进行了试验。

（3）氯化物对粉粒固结能起有效作用，其机理至今仍不十分清楚。20世纪20—40年代

在西欧曾用氯化镁（3﹪）、焦末（8﹪—10﹪）及铁屑（3﹪—5﹪）混合加入矿粉中压制团矿，经过几天熟化作用后可以达到良好的强度，能满足高炉使用要求。在硫酸渣中加入 1﹪—2﹪CaCl2，并在润湿磨机中再磨至 0.02mm 的细度，由于CaCl2 溶液均匀分布，生球强度可达 70—80N/球，而在300—400℃温度下充分干燥后，干球强度可达约500N/球，虽然 CaCl2 较贵，但在回转窑中处理硫酸渣氯化球团时可以回收若干贵重元素，我国南京钢铁厂曾建有这样的球团车间

    4.5.3  其他方法

A碳酸化球团 将精矿粉与CaO或Ca﹤OH﹥₂）混合造球，置于CO2气氛中在200—400℃中进行碳酸化十几小时，可在球团表面形成碳酸钙（CaCO3）薄层，强度达到 1000N/球。这种球团在高温下使用时，期望 CaCO3 分解前能形成新的熔结桥联结以保持球团强度，但实际上高温强度不足。

B 焦化法 焦炭 C的骨架作用在低温及高温下均有良好固结强度。把一定矿物混入焦煤中混合结焦是铁矿粉制团的一种方法，并且进行过多种试验，包括工业性试验，如热压焦矿法、半焦矿法。但这些方法都需要大量结焦性煤，而且焦炉受损严重，代价较大。