球团理论与工艺 7特殊球团法

压力 成本(美元/吨)
低
150
中
200
中
190
Baidu Nhomakorabea常压
270
常压
175
高
220
中
190
中
230
常压
170
低
180
常压
240
7 特殊球团法
7.1.3 金属化球团生产工艺 （1）回转窑法（SL-RN法）
含铁原料采用 块矿或氧化性 球团矿
7 特殊球团法
7.1.3 金属化球团生产工艺 （1）回转窑法
含铁原料为粉 矿或精矿
若作为电炉炼钢的原料，金属化程度一般较高（70～90%以 上），且酸性脉石要求愈少愈好。
金属铁增加10%，焦比降低5-6%， 生产率提高5-9%。
7 特殊球团法
7.1.2 金属化球团矿还原机理
（1）金属化球团矿还原过程 氧化球团矿的还原是逐段呈带状发展的。
①逐段是氧化铁与还原剂作用时，还原经过 Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe（570℃以上） 或Fe2O3→Fe3O4→Fe（570℃以下）等阶段完成。
原料 球团/块矿
粉矿 粉矿 球团/块矿 粉矿 粉矿 球团/块矿 粉矿 粉矿 球团/块矿 球团/块矿
还原剂 煤气 碳 煤气 碳 碳 煤气 煤气 煤气 碳 煤气 碳
还原设备 竖炉
流化床 流化床 回转窑 转底炉 流化床
竖炉 流化床 转底炉
竖炉 回转窑
温度 中等 高 低 高 非常高 中等 中等 低 非常高 中等 高
此时，在球团内部气相中的CO和CO2的比值，接近固体碳气 化反应的平衡值，这样就可防止外表金属铁被CO2再度氧化。
7 特殊球团法
7.1.3 金属化球团生产工艺
按还原剂和铁矿 石种类分直接还 原工艺
块矿/球团 固态
液态
Midrex HYLSA
SN/RL COREX
煤气
Circored Fior
FINMET
炭化铁
粉矿
Fastmelt Comet Inmetco Circofer
Itmk3
煤
7 特殊球团法
7.1.3 金属化球团生产工艺 不同直接还原工艺的主要特点比较
工艺 Arex Circofer Circred Day DRC Fastmet Finmet HYL Ⅲ 炭化铁 Inmetco MIDREX SL/RN
成球原料的性质、粘结剂用量、温度、速硬剂等均对水硬 性球团固结有很大的影响。
7 特殊球团法
3. 碳酸化固结球团矿 1. 基本原理
将配入石灰的铁矿粉球团置于含CO2的气流中，球团中的 CaO在有水存在的情况下生成Ca(OH)2，再从通过的气体介质 中吸收CO2生成CaCO3，同时在有水和CO2共同存在的条件下， 球团表面生成的CaCO3薄膜被溶解生成溶解度较大的 Ca(HCO3)2，它溶于水向球团内部扩散渗透并与球内部的 Ca(OH)2生成CaCO3，因而将球团固结。
回转窑法对矿石粒度的要求，由其还原性而定。块矿平均粒 度为5～15mm（易还原的可达20mm），球团矿的粒度约5～ 15mm。
回转窑内最高温度限制在1100℃左右。
7 特殊球团法
7.1.3 金属化球团生产工艺 （2）竖炉法（“Midrex”法）
还原剂主要是天然 气，最终产品的金属 化程度可达95％左右， 多作炼钢用原料。
7 特殊球团法
7.1.2 金属化球团矿还原机理
（2）气体还原剂对氧化铁的还原机理 ②若外表面形成一层比较致密的金属铁层时，还原气体无法进 入到球团矿内部，只能发生由球团表面除去氧的反应。而氧化铁 的还原则是通过Fe2＋（Fe3＋）和O2-在固相产物层晶格内的扩散 行的，反应速度受这些离子扩散控制的影响。
灰、硅藻土和蛋白石等水硬性材料，均可作为球团矿固结的粘 结剂而得到水硬性球团矿，由于不经高温焙烧固结，故又称为 冷固球团。
水硬性球团矿不需要高温处理，因此生产设备和工艺过程较 为简单。不适宜处理含硫、砷较高的一类矿石。
7 特殊球团法
7.2 水硬性球团矿 7.2.2 水硬性球团固结机理
水硬性球团固结机理，由水硬性粘结剂加水后的行为所决定。 水硬性粘结剂各组分在水溶液中与水作用生成凝胶： ①一些凝胶能在水中溶解，并能再结晶。如氢氧化钙凝胶和 水化铝酸钙凝胶。 ②另一些在水中的可溶性极小，因而不易于再结晶，长时期 内保持胶体状态，如水化硅酸钙和水化铁酸钙凝胶。
7 特殊球团法
7.1.2 金属化球团矿还原机理 （3）固体还原剂对氧化铁的还原机理 为什么铁氧化物不与碳反应生成CO2？
当反应温度高于900～1000℃时，只要球团矿内有足够数量 的固体还原剂，则直接还原产生的CO的浓度，从球团中心到 外表都超过Fe2O3和CO反应生成Fe和CO2时所需的CO平衡浓度。
7 特殊球团法
7.3 碳酸化固结球团矿 7.3.3 生产工艺
可生产铁精矿+消石灰 的溶剂性球团矿，也可添 加燃料。
可采用造球或压球成型。
由于CaCO3分解的逆过程使球团热强度不 理想，因此该方法未得到发展。
竖炉分作两部分，上部进行预还原，温度保持在800～1200℃ 之间，时间约为1.2h左右。下部通入冷惰性气体进行循环冷却 可使产品冷却到85℃。
7 特殊球团法
7.1.3 金属化球团生产工艺 （3）竖罐法（“HYL”法）
生产过程为间歇式， 非连续性生产，采用四 个罐交替进行反应，依 次轮流进行①主还原， ②次还原（部分还原）， ③冷却和④装卸料等四 个阶段。
7 特殊球团法
7.2 水硬性球团矿 7.2.2 水硬性球团固结机理
1 易于结晶的，首先结晶，并以它们的晶体贯穿于含水硅 酸钙和含水铁酸钙以及矿粒的孔隙中，这是硬化的初期。这时 整个凝胶还是松而不紧密的，相互的粘结能力较弱。 2 只有经过较长的时间，水化反应逐渐向颗粒内部扩散， 凝胶的水分减少，粒子互相接近，球团矿才具有一定的强度。
7 特殊球团法
1. 金属化球团矿 1. 概述
金属化球团矿是将生球或经氧化焙烧后的球团矿，在还原装 置中用还原剂（固体和气体）进行预还原，除去铁矿石中铁氧 化物的含氧量，从而可得到有一部分或绝大部分氧化铁转变为 金属铁的球团矿。
7 特殊球团法
1. 金属化球团矿 1. 概述
金属化程度较低（20～50%）和酸性脉石较高的球团矿，一 般用于炼铁的原料。
但是当球团较小时及气体 还原剂能自由穿透整个球团， 或者球团内配有固体还原剂 时，还原仅具有逐段性，而 没有明显的呈带性。
7 特殊球团法
7.1.2 金属化球团矿还原机理
（2）气体还原剂对氧化铁的还原机理 气体还原剂，氧化铁的还原有两种机理起决定性作用： 1）在固体与气体间的相界反应； 2）在固体反应剂相界上及其内部由于金属铁向较高含氧量区 域扩散而产生固相反应。 ①快速还原时，球团外表形成一层多孔的金属铁，还原气体 可以在固相层内扩散，在FexO/Fe界面上，浮士体被还原为金 属铁，铁离子向被还原的铁氧化物内扩散，使较高级铁氧化物 转变为较低级的铁氧化物，受FexO/ Fe界面反应所控制。
②呈带状是还原时，每个上列氧化物相形成包围价数比较高的 氧化铁，而中心是未还原的最高价氧化铁（Fe2O3或Fe3O4），最 外层是金属铁。
7 特殊球团法
7.1 金属化球团矿 7.1.2 金属化球团矿还原机理 随着还原反应向球团中心推移，外层的金属铁层及次层低
价氧化铁层的厚度不断增加，而内层的较高价氧化铁层则依次 缩小。
任何还原剂在回转 窑内，也是产生热量 的主要来源。
要求固体还原剂灰 分熔点高、含硫量低。
7 特殊球团法
7.1.3 金属化球团生产工艺
（1）回转窑法
无烟煤作还原剂时，必须添加天然气或重油作辅助燃料来提高 窑内温度；
烟煤和褐煤等高挥发分还原剂，因可产生大量可燃气体，无须 加辅助燃料，但因有一部分可燃气体在没有完全燃烧以前就排出 窑外，故使热量消耗要比无烟煤使用时高。 褐煤能得到最高的金属化程度，而无烟煤得到的产品强度最好。
7 特殊球团法
7.1.2 金属化球团矿还原机理
（3）固体还原剂对氧化铁的还原机理 还原剂为固体燃料时， 1 在不与铁矿物混合制成球团矿，而以单独的方式喷射入还 原设备的高温区内（回转窑），则煤粉燃料将受高温作用而氧 化成煤气，此时的还原过程基本上与气体还原剂相同。 2 若将固体还原剂经细磨后，混匀到球团内部，呈均匀分布 还原过程则时氧化铁与碳直接发生反应，生产较低级铁氧化物 和CO。
球团矿利用循环热废气进行干燥，预热和还原则用燃烧重油所产生的 热量进行，金属化产品用水冷却。
无论配入何种还原剂，都必须使预热区和还原区气氛中的氧含 量不得超过2％～3％和5％，以便获得金属化程度较高的产品。
7 特殊球团法
2. 水硬性球团矿 1. 概述 采用硅酸盐水泥（或无石膏的水泥熟料）、矿渣水泥、火山
每一个反应器每一阶段需要3h，整个循环的总时间为12h。
7 特殊球团法
7.1.3 金属化球团生产工艺 （4）带式机法（D-LM法）
固体还原剂与铁矿石共同配料细磨后造球，然后给到带式机上进行干 燥和还原焙烧，总共时间不到12min。
也可以将已固结的氧化性球团矿进行还原焙烧，还原剂多用气体。但 这种方法由于还原焙烧时间短，故最终产品的金属化程度很低，一般仅 有18～50％左右，这种产品通常只能用作炼铁原料。