《球团理论与工艺》PPT课件.ppt

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1、review,1）干燥目的 中间作业，生球的破裂温度低于预热温度，故应先干燥，否则结构遭破坏，球层透气性，焙烧作业生产率，成品球质量。2）干燥过程=表面汽化+内部扩散 3）干燥过程中生球的行为：*生球强度的变化：生球主要靠毛细力的作用，使粒子彼此粘 结在一起而具有一定的强度。随着干燥的 进行，球的强度；大部分毛细水排除后（还有触点态毛细水），球出现强度峰值；毛细水消失，球的强度；失去弱结合水瞬 间，颗粒靠拢，分子力的作用，球的强度。,*结构破坏主要表现为裂纹和爆裂 湿度差引起收缩不均，表里收缩不匀时产生应力，应力 球表面的拉应力或剪应力极限时，生球表面产生裂纹，削 弱球团强度。在降速干燥阶段，

2、内部扩散控制为主，水分主要透过蒸汽 由内向外扩散的方式进行干燥，当传热过多，蒸汽多，来 不及扩散到表面，球内蒸汽压，当压力超过干燥表层的 径向和切向抗拉强度时，球团产生爆裂，结构遭破坏。4）提高生球破裂温度的途径*添加粘结剂*逐步提高干燥介质的温度和气流速度 先在低于T爆下干燥，水分，T爆，再提高干燥温度。*抽风+鼓风相结合,9.球团的焙烧理论基础,9.1 概述 9.1.1 目的 生球干燥后，干球抗压强度只有80100N/个。满足不了运 输和高炉冶炼要求（2500N/个）。提高球团矿的强度有许多方法，但95%通过焙烧固结，5%通 过低温固结。9.1.2 常用设备 竖炉 带式焙烧机 链箅机回转窑

3、,9.1.3球团矿焙烧过程 分为5个过程：1）干燥（200400）1段：水分蒸发，部分结晶水分解；2）预热（9001000）2段：脱除少量水，磁铁矿 氧化成Fe2O3，碳酸盐 硫化物分解，氧化，固相反应；,3）焙烧带（12001300）3段：铁氧化物的结晶和再结晶，晶粒长大，固相反应，部 分液相形成，球团矿体积收缩及结构致密化；4）均热带 4段：温度低于焙烧带，并保持一定时间使内部晶体长大，尽可能发育完善，矿物组成均匀化，消除部分内应 力；5）冷却：5段：1000下降到100200，冷却后便于皮带运输，冷却过程中，尚未氧化的Fe3O4 Fe2O3.。,9.2 球团中磁铁矿氧化及脱硫 9.2.1

4、 Fe3O4氧化机理 生产球团矿的原料主要是Fe3O4，也有赤铁矿，磁铁矿氧化为 Fe2O3对球团固结有重要意义。1）磁铁矿充分氧化成Fe2O3对球团固结的意义 Fe3O4氧化成Fe2O3时晶体结构变化 由等轴晶系六方晶系，新生晶体表面原子有较高的迁 移能力，有利于颗粒间形成晶桥。为放热反应，放出的热量几乎相当于焙烧球团矿总热量 的一半，所以充分氧化有利于节能。不利影响 氧化不充分时，有剩余Fe3O4进入高温焙烧带，易形成（与SiO2）低熔点物质，在球团内部出现液态渣相，冷 却时收缩，使球团内部出现同心裂纹，导致强度，还 原性恶化。,2)氧化机理 氧化阶段及其产物 从2001000，分为两个阶

5、段进行 第一阶段：4Fe3O4+O2 6r-Fe2O3(200400）第二阶段：r-Fe2O3 a-Fe2O3（4001000）氧化途径 成层状由表面向球中心进行，符合化学反应的吸附扩散学 说*大气中O2被Fe3O4颗粒吸附时，Fe2+Fe3+e，导致O2电 离，O2+e 2O2-，上述反应引起Fe3+扩散。*氧化反应起主要作用的是Fe3+、Fe2+、O2-在固相层内的扩 散，其中O2-扩散最慢。O2-失去电子变为原子，又不断与电 子结合变为O2-的交换方式扩散。每次由O2-O的瞬间，在晶 格结点间移动一段距离。,3）氧化时间 等温条件下，非熔剂性球团矿氧化时间可用扩散方程表示：其中 氧化转化

6、度，d 球团直径，cm x 氧化带深度，cm t 氧化时间，s k 氧化速度系数，cm2/s.球团完全氧化时，=1，k与介质含氧量有关，介质若为空气：k=（1.20.2）x10-4cm2/s；若为纯氧，k=（1.40.1）x10-3cm2/s。,9.2.2 球团矿脱S 1）预热为强氧化气氛，有利于脱S，脱除90%以上。磁铁矿中 硫一般以黄铁矿（FeS2）、磁黄铁矿（FeS）形式存在。2）脱S反应 FeS2在200300即开始分解 FeS2=FeS+S S+O2=SO2 2 FeS+7/2 O2=Fe2O3+2SO2,FeS,9.3 球团矿焙烧固结的机理 烧结矿固结靠液相将颗粒粘结起来，其固结又

7、称液相固结。液 相量3070%。球团矿固结靠固相固结，即固体质点扩散反应形成连接桥（颈），液相粘结起辅助作用（液相量57%），取决于SiO2含 量，SiO2 少，液相量少，否则液相多，焙烧时球团相只相互粘 结，透气性，产量。9.3.1固相扩散反应及其固结机理 1）固相扩散反应 塔曼温度 固态物质间开始反应的温度称为塔曼温度。盐类、氧化物：T塔=0.57 T熔 硅酸盐、有机物：T塔=（0.80.9）T熔,固相扩散反应动力 细磨物料具有高分散性，比表面积大，表面能高，晶格缺陷严重，在塔曼温度时质点可进行位移。内扩散 晶体内质点位置的交换 外扩散 晶体内质点扩散到晶体表面，也可扩散到与之相邻 晶体内

8、进行化学反应或聚集成较大的晶粒。影响固相扩散反应的因素(四个因素)*温度T：T,V扩*粉碎度（细度），V扩*活化能降低：晶形转变 结晶水分解 活化晶格 活化能，V扩 固溶体形成*液相：液相存在，对固相物质的扩散提供通道，也 V扩，强化固相扩散反应。预热段（900 1000）进行的反应 主要是固相扩散反应。,固相扩散反应类型(三种类型)a.Fe2O3单元系 Fe2O3固相扩散是球团矿固结的主要形式。*主要球团原料为Fe3O4，预热时氧化为Fe2O3，产生晶格变化，具有 巨大表面能，质点迁移能力强，通过扩散在A、B颗粒间形成Fe2O3 晶桥，将颗粒连接起来，使球团矿获得一定强度。,A,B,*由于不

9、同颗粒间结晶方向难以一致，故晶格结构不完善，只 有在12001250高温下，使Fe2O3再结晶和聚集再结晶；若 原料为Fe2O3，则在1300 1350 下再结晶，消除晶格缺陷，增加颗粒接触面积，提高球团矿致密状，使球团矿获得牢固 的固结和高的抗压强度。b.CaO(MgO)Fe2O3二元系*CaOFe2O3在500 600 开始产生固相反应，800 时已有80%CaOFe2O3生成；1000 时100%CaOFe2O3生成；若CaO过剩时，CaOFe2O3+CaO 2CaOFe2O3。*CaO与SiO2的亲和力 CaO与Fe2O3的亲和力，但Fe2O3浓度 大，SiO2 浓度小，低温下优先形成

10、CaOFe2O3，由于共熔点 低，出现液相，SiO2 与CaOFe2O3 液相中的CaO反应，置换出 Fe2O3重结晶析出。,*MgO与Fe2O3在600时开始反应，生成MgOFe2O3，由于MgO进 入Fe3O4晶格，使小部分Fe3O4晶格稳定下来，因此含MgO球团矿 中FeO含量高于一般球团矿。c.CaOSiO2二元系 CaO与SiO2在1200进行固相反应（等mol）；但过量CaO与 SiO2生成2CaOSiO2的固相反应在500700之间可进行。,2）球团矿固相固结机理 由于质点扩散，在颗粒接触处形成连接桥（颈），强度有所 提高。图a,a,b,在连接颈的凹曲面上，由于表面张力产生垂直于

11、曲颈向外的张 应力，使曲颈表面下的平衡空位浓度高于颗粒其他部位；过剩 空位浓度梯度将引起颈表面的空位向邻近的球表面发生体积扩 散，即物质沿相反途径向颈迁移，使颈体积增大（由于体积扩 散）。颈长大速度服从下列关系：与 成线性关系 颈高 球团半径 时间,c,温度愈高，体积扩散愈快，颗粒间接触面，粒子间距离（图b)，起初粒子间孔隙形状不一，相互连接，最后变成圆形 通道，这些通道收缩，孔隙率（图c），同时产生再结晶和 聚晶长大，使球团致密，强度。,9.3.2 液相固结 球团固结中，液相粘结起辅助作用。1）液相固结的作用 液相润湿颗粒表面，靠表面张力作用，使颗粒靠近、拉紧，并重新排列，使球团收缩，结构致

12、密化。使固体颗粒溶解和重结晶，重结晶析出的晶体，消除晶格缺陷，提高晶桥强度。促进晶体长大，加速固相固结，液相存在，可加快固体质点的扩散，促使晶体长大。,2）液相来源 固相（反应）扩散中形成的一些低熔点化合物或共熔物，随T熔，产生液相。球团原料中带入的低熔点矿物，如钾长石，在1100左右 便可熔化。添加剂：膨润土熔化温度较低，硼泥中B2O3 600 开始熔 融。3）液相量 适宜液相量57%以下 熔剂性球团矿液相量高于非熔剂性球团矿，对熔剂性球 团，严格控制焙烧温度和升温速度，防止温度波动过大，产生过量液相 液相量太多，a.阻碍固相颗粒直接接触 b.液相沿晶界渗透，使已聚晶长大的晶体“粉碎化”c.

13、球团发生变形，相互粘结，恶化料层透气性,9.4铁矿球团固结形式 9.4.1磁铁精矿球团固结形式(四种固结方式)1）Fe2O3微晶键连接 Fe3O4 Fe2O3（800时表面全氧化），新生Fe2O3晶体中原子 扩散能力强（产生内、外扩散），在颗粒间形成连接桥（微 晶），但赤铁矿晶体保持原有细小晶粒。微晶键连接使球团强度有所，但仍较低。2）Fe2O3再结晶连接 是铁精矿氧化球团矿固相固结的主要形式，是Fe2O3微晶键 固结形式的发展 预热到1000 时，有95%的Fe3O4氧化成Fe2O3并形成微晶 键，在最佳焙烧制度下，一方面，残存Fe3O4继续氧化，另一 方面，Fe2O3晶粒扩散，产生再结晶和

14、聚晶长大，颗粒之间 孔隙变圆，孔隙率，球体积收缩，球内各颗粒连接成一个 致密的整体，球团强度大大提高。,3)Fe3O4再结晶 在中性气氛或氧化不完全时，球团内的Fe3O4在900开始发 生再结晶，使球团各颗粒连接。Fe3O4再结晶速度比Fe2O3再结晶慢，因此以Fe3O4再结晶的球 团矿强度比Fe2O3再结晶的要低。4）液相粘结 球团中含一定量的SiO2,在中性气氛或弱氧化气氛中或氧化不完全，在1000时生 成2FeOSiO2(2FeO+SiO2=2FeOSiO2);焙烧温度1350，即使在氧化气氛中，3Fe2O3=2Fe3O4+1/2O2 Fe3O4与SiO2同样反应，生成2FeOSiO2，

15、上述液相冷却时凝 固，把球团矿固结起来，这种固结称为渣键固结（渣相固 结）；生产熔剂性球团矿时，氧化性气氛中产生的主要是铁酸钙 系，有利球团矿固结；氧化不完全时则为钙铁橄榄石液相，对球团矿固结不利。,5）固结方式的比较 Fe2O3再结晶最理想，所得球团矿强度高，还原性好；Fe2O3微晶键连接，强度低，在焙烧不均匀时出现，强度满 足不了运输及高炉冶炼要求；Fe3O4再结晶虽然强度较好，但生成了难还原的硅酸铁、钙 铁橄榄石等渣相，球团矿还原性；液相粘结中2FeOSiO2难结晶，易形成脆性的玻璃相，球团 矿强度；但在熔剂性球团矿中，CaO-Fe2O3系粘结相不仅 强度，而且还原性好。,9.4.2 赤

16、铁矿球团固结形式 1）小于1300时，颗粒间无任何连接；2）1300 时晶体颗粒明显长大，小晶粒间形成初期连接桥；3）1350 时再结晶，球团强度达最大；4）1350 时，Fe2O3分解，生成Fe3O4和O2，使球团矿强度,9.5球团矿的矿物组成与显微结构 和烧结矿相比，球团矿的矿物组成较简单*原料组成简单，一般一种铁精矿+少量粘结剂，熔剂性球 团矿添加少量熔剂*反应简单高温氧化，再结晶。9.5.1 酸性球团矿 1）矿物组成 95%以上为Fe2O3，少量Fe3O4（氧化不完全），独立SiO2颗 粒（SiO2+Fe2O3在氧化气氛不反应）、液相量极少（硅酸 盐）。,2）结构：氧化完全时：Fe2O

17、3再结晶，晶粒长大连成一片，气孔不规则 状，多为连通气孔，全气孔率和开口气孔率差别不大，强度 高，还原性良好。Fe3O4精矿球团氧化不完全时：呈三层结构 a.表层：氧化充分，和一般酸性球团矿矿物组成和结构相同 b.中间过渡层：Fe2O3为主，Fe2O3晶粒间，被硅酸铁和玻 璃质硅酸盐液相填充，有残余的Fe3O4 c.中心层：残余Fe3O4重结晶，被硅酸铁和玻璃质硅酸盐液 相填充，气孔多为圆形大气孔；冷却时体积收缩，形成同 心裂纹，即球团矿成双层结构，外层Fe2O3为主，内层以 Fe3O4和硅酸盐液相为主，中间被裂缝隔开，球团矿强度,9.5.2 熔剂性球团矿 1）矿物组成 比酸性球团矿复杂，以F

18、e2O3为主，还含有铁酸钙、硅酸 钙、钙铁橄榄石，液相量多。2）结构 气孔呈圆形大气孔，平均抗压强度低于酸性球团矿。,9.6 影响铁精矿球团矿焙烧的因素 球团矿强度 矿物组成 原料种类 取决于 取决于 还原性 结构 焙烧制度 焙烧温度*焙烧制度 焙烧气氛 高温保持时间 9.6.1 焙烧温度的影响 1)选择原则 两方面考虑 焙烧温度高，焙烧时间短，球团强度高，生产率，但 Tmax球团矿熔点及Fe2O3的分解温度；从设备使用寿命、燃耗、电耗考虑，焙烧温度应尽可能低。因T 愈高，投资，寿命，燃耗、电耗，Tmin应足以使生球中各 颗粒间形成牢固连接桥,2）选择方法 根据原料种类和成分，通过实验确定。3

19、）适宜温度 酸性球团矿 Fe3O4精矿为原料：12001250 Fe2O3精矿为原料：13001350 赤铁矿球团焙烧温度高于磁铁矿球团，原因为：Fe3O4氧 化成Fe2O3，活性，促进质点扩散，产生固相粘结，因此 Fe3O4球团在较低温度下固结；Fe2O3球团中晶格的质点扩 散只有在较高温度下，才发生晶粒长大的再结晶。熔剂性球团矿 含CaO的熔剂性球团矿对温度较敏感，T,液相量迅速，若温度分布不均，则液相量分布不均，使球团强度 含MgO球团矿，渣相熔点高液相量少，焙烧温度相对要高,9.6.2 加热速度 1）适宜的加热速度 57/min120/min 2）升温速度过快对球团矿质量的影响 升温过

20、快，会使Fe3O4 氧化不完全，使球团矿产生双层结 构，表层由Fe2O3 组成，内层由Fe3O4+2FeOSiO2,两层 间形成同心裂纹，强度 升温过快，球团内外造成较大温差，产生不同膨胀，导致 裂纹产生，球团强度 但升温过慢，生产率,9.6.3 高温保持时间 目的：在适宜的焙烧温度下保持足够时间，使再结晶及晶粒长 大得以完成，否则，球团强度，时间过长，产量，还可能引起熔化粘结，质量 9.6.4 焙烧气氛 1）焙烧气氛分类 根据燃烧产物中含O2决定 8%强氧化性气氛 48%正常氧化性气氛 1.5 4%弱氧化性气氛 1.0 1.5%中性气氛 1.0%还原性气氛,2）对球团矿质量的影响 磁铁矿球团

21、*氧化性气氛中焙烧效果最好，Fe3O4 氧化成Fe2O3后，质点 迁移活化能低于Fe3O4，原子扩散速度，有利于粒子间 固相固结和再结晶。*中性或还原性气氛中，Fe3O4 原子扩散速度慢，再结晶不 完全，靠硅酸铁、钙铁硅酸盐固结，与氧化性气氛所得球 团矿相比，强度低，还原性差 赤铁矿球团 只要不是还原性气氛即可,9.6.5 燃料燃烧 1）一般生产中所用燃料 重油、煤气或煤粉燃烧产生热废气时作为热源。2）少数球团厂将煤粉或焦粉掺入球团中，以期节省燃耗，降 低成本，日本加古川钢厂成功用于生产，但难以控制，防碍 Fe3O4 氧化 9.6.6 冷却制度的影响 1）冷却目的*适应冶炼厂要求，便于运输和储

22、存，否则，恶化劳动条 件，增加设备先期磨损*有效地利用废气热能，节省燃耗：750800的废气返回均热带或作带式机、回转窑的二 次助燃风；300 350热废气可作为干燥带的热介质或 一次助燃风,2）冷却制度确定 冷却速度 V冷，孔隙率，强度 原因：内应力增加，粘结键遭破坏。T最终，强度 冷却介质：空气介质比水好 生球尺寸d 1）d与单位热耗的关系：d，单位热耗 d=8mm，单位热耗1758KJ/Kg,Q热360KJ/Kg d=16mm，单位热耗2345KJ/Kg,Q热850KJ/Kg,2）d与焙烧及冷却时间的关系 d=10mm时，tr最短 d=12mm时，tc最短 综合焙烧和冷却时间看，d=11

23、mm较好,3）d与球团冷抗压强度的关系 单个球的抗压强度 d 粒径 K0 系数 指数，1.31.5 d，但/r2 4）d与转鼓强度（TI）和耐磨强度（AI）的关系*d=812mm时，TI94%，AI12mm or d8mm时，TI，AI，满足不了生产要求；d太小，比 表面积大，相互磨损厉害，d太大，焙烧固结不好（氧化不完全）综上所述，适宜的生球粒度以812mm为宜。,9.6.8 精矿粒度 造球原料粒度愈细，成品球强度。原因：粒度细，颗粒间接触点愈多，有利于质点扩散和粘 结，但生球破裂温度，V干 9.6.9 精矿含S量 1）影响 精矿含S时，高温氧化焙烧，脱硫率90%，但含S使球团 矿强度和氧化程度 2）原因；精矿中含S，防碍Fe3O4 氧化：*S与O的亲和力O与铁的，因此在球团矿遇O2时，首先与S 反应，生成SO2*SO2由内向外扩散，逸出，防碍空气（O2）向内扩散*球团矿内SO2的存在，使Fe3O4 颗粒表面O2浓度，影响 其氧化,使球团矿呈层状结构，产生同心裂纹，表层由Fe2O3 组成，内层Fe3O4+渣相组成 两层间产生空腔（裂纹），强度,