球团理论与工艺

• 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，其固结又称液相固结。液
相量30～70%。
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5～7%），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↓。
③ 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。
若为纯氧， k=（1.4∓0.1）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。
FeS
2）脱S反应 FeS2在200∼300℃即开始分解 FeS2= FeS + S S + O2= SO2↑ 2 FeS + 7/2 O2 = Fe2O3+ 2SO2↑
800
600
400
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1
2
3
4
0
5
10
15
20
25
时 间 ， min
5
30
3）焙烧带（1200～1300℃）
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；
9.3.1固相扩散反应及其固结机理 1）固相扩散反应
①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=（0.8～0.9）T熔
• ② 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 晶体内进行化学反应或聚集成较大的晶粒。
2)氧化机理 ①氧化阶段及其产物 从200→1000℃，分为两个阶段进行 第一阶段：4Fe3O4 + O2 →6r - Fe2O3 (200～400℃） 第二阶段：r - Fe2O3 →a- Fe2O3 （400～1000℃） ②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。
5）冷却：
～ 5段：1000℃下降到100 200℃，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 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
① 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。
② 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③ 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。
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80 100N/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
• 9.1.3球团矿焙烧过程
分为5个过程：
1）干燥（200∼400℃）
1段：水分蒸发，部分结晶水分解；
2）预热（900∼1000℃）
2段：脱除少量水，磁铁矿
氧化成Fe2O3，碳酸盐
硫化物分解，氧化，
1400
固相反应；
1200
1000
温度 ， ℃
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 ↑。
• 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：
t
d2
1
3
1
w
2
1
1
w
3
k 2
3
其中w
—
氧化转化度，
w
1
d
x 3
d3
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，w=1，
t完
d2 6k
k与介质含氧量有关，介质若为空气：k=（1.2∓0.2）x104cm2/s；
*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，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 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。