铁矿球团生产工艺与关键技术详解

铁矿球团与球团化工艺概述

1950年代开始铁矿球团化，以利用细粒铁精矿炼钢。铁矿球团化有两大主流工艺：直线行程篦机（STG）工艺和链篦机-回转窑（GK）工艺。STG工艺中，固定球团床在无限行程篦机上通过干燥、氧化、烧结、冷却区。GK工艺中，干燥和大部分酸化在行程篦机固定球团床完成，随后球团装入回转窑烧结，再进环形冷却机冷却。

球团化工艺详见链接：https://www.ispatguru.com/iron-ore-pellets-and-pelletizing-processes/。

球团类型

球团可为酸性或熔剂球团。

• 酸性球团——碱度通常<0.1。烧结球团强度一定程度源于多晶结构赤铁矿桥。通常有大量开放气孔。还原气快速穿透气孔进入球团核心并同时多处攻击结构。导致低温下全球团体积早期结构变化。
• 熔剂球团——又称碱性球团。碱度>0.1可变。正常碱性球团碱度0.1-0.6，CaO%低。烧结时形成SiO₂、CaO、Fe₂O₃不同百分比玻璃相渣相。因增加熔剂加入，形成一定渣并与铁矿晶体渣结合。高碱度球团碱度>0.6。含较高CaO。不仅有主要由SiO₂、CaO、Fe₂O₃组成玻璃相，还有钙铁矿（CaO·Fe₂O₃）。烧结时CaO有效促进赤铁矿晶体生长。烧结后此类球团通常有高机械强度。

球团厂工艺流程

球团厂通常与铁矿选矿厂一体化。不一体化时，选矿浆通常经浆管道输送至球团厂。基于富铁矿粉球团厂罕见且不经济。整个球团化过程可分两大子工艺段：(i) 冷子工艺段，(ii) 热子工艺段。

冷子工艺段

• 浆池储存选矿厂铁精矿浆。矿浆中铁矿石粒度<45 μm颗粒约占80%。
• 按球团质量添加添加剂（白云石、石灰石、石灰、橄榄石等）。
• 滤除浆中大部分水。过滤后铁矿含水约9%。
• 混合机加入粘结剂（膨润土或有机粘结剂）获绿球足够机械强度。
• 圆盘造球机或球团筒制绿球。圆盘造球机更普遍。
• 振动筛分绿球不同级配。不合格球团回工艺，大球团破碎后回收。
• 合格（8-16 mm）球团经输送带进热子工艺段干燥工序。

热子工艺段

• 干燥炉热气流穿过床层除去绿球大部分水分。干燥球团进入球团烧结炉。
• 干燥球团在球团烧结炉焙烧（1250-1300℃）转化为成品。
• 热硬化球团在冷却机吹冷风冷却至~200℃。

上述多数子工艺现采用自动控制技术运行。某些子工艺高度依赖前道工艺正常运行。如颗粒太大、细粉太干、干燥不工作则无法生产球团。次关键情况是某些段次优运行。如加粘结剂混合不均，则绿球成型受影响。故铁矿球团化是高度依赖彼此性能的多子工艺链条。

粘结剂与添加剂作用

添加粘结剂到矿石有两大目的：(i) 使矿石塑性形成核心长成良好球团，(ii) 在操作、干燥、预热或烧结硬化前将球团粘结在一起。最优粘结剂应以最低成本生产高质量球团，引入尽可能少杂质。粘结剂也应无毒、易操作、无需先进给料系统。少量膨润土通过形成陶瓷键和绿球团滚动时颗粒更大程度压实促进结合。

绿球质量取决于输入参数：矿石矿物学、化学、颗粒度，造球参数：进料粒度、造球加水量、圆盘转速、圆盘底倾角、物料在圆盘停留时间等。

绿球中水的作用

水在绿球中起重要作用。它使矿石团聚并执行粘结液功能。湿团聚体因水量不同可存在多种状态，图1示意。

图1 湿团聚体不同状态示意

低饱和度下，颗粒靠液桥（摆态键、摆态）结合。张力状态（凹态）下，液填充毛细管和液桥共存。毛细管状态下，所有毛细管填液，毛细管力在孔口形成凹面。

液滴状态下，团聚体靠液体内聚力保持。伪液滴状态内部困住未填充空隙。共同特征：毛细管和液滴状态下，要么整个团聚体外表面有凹面毛细管开口，要么游离表面水。湿团聚体强度毛细管理论现已确立。

添加剂改善球团化操作与经济性

石灰（CaO）和消石灰[Ca(OH)₂]证明是球团生产有益添加剂。加入石灰或消石灰显著改善绿球、干球和烧结球团性能。

产品球团物理冶金质量影响因素

产品球团物理冶金质量广泛取决于：绿球质量、粘结剂/熔剂/添加剂种类用量、焙烧参数（焙烧温度时间等）。绿球成分在焙烧中反应生成产品球团不同相和微观结构。

这些相的种类、数量、化学性质和分布在后续炼铁还原过程中决定产品球团冶金性能。世界各地对磁铁矿和高品位赤铁矿低氧化铝精矿绿球及焙烧研究。但因化学矿物学差异，结果不能直接推解释高氧化铝（Al₂O₃）铁矿。高Al₂O₃铁精矿表现出不同球团化特性。

赤铁矿焙烧特性

赤铁矿焙烧因缺乏磁铁矿氧化放热反应：

4FeO + O₂ = 2Fe₂O₃

需从外部供应更多热量。赤铁矿球团生产能耗大于磁铁矿。且赤铁矿球团焙烧性能差，焙烧温度>1300℃前达不到足够物理强度。观察到<1200℃时赤铁矿颗粒和球团结构保持原形。赤铁矿颗粒尺寸不增大，Fe₂O₃晶格缺陷不消除，直到>1300℃。高温下晶粒间形成初始连接桥，Fe₂O₃重结晶发生。但焙烧温度>1350℃有害，因Fe₂O₃分解为Fe₃O₄：

6Fe₂O₃ = 4Fe₃O₄ + O₂

该反应热力学指示Fe₂O₃分解温度随氧分压升高而升。故须避免过高焙烧温度和低氧分压防止Fe₂O₃分解。因此赤铁矿球团需维持较高焙烧温度且焙烧温度范围窄，增加焙烧设备操作难度。

增强赤铁矿球团焙烧，实践中磁铁矿添加法和带碳负荷法为有利技术。

磁铁矿球团化特性

磁铁矿球团化时，球团开始氧化形成赤铁矿壳而核心仍为磁铁矿。两相热体积变化指示磁铁矿相烧结较早开始（950℃）对比赤铁矿相（1100℃）。两相烧结速率差在~1100℃最大。磁铁矿精矿越细，两相烧结速率增大。原料更细磨促进不想要双工结构形成，重烧结核心从壳剥离。恒定绿球原始孔隙下，磁铁矿精矿越细氧化速率降低，因烧结增强。但实际造球中，更细原料需更多水造球，导致绿球孔隙率增加。两相反效应抵消，氧化时间恒定。工业工艺条件下，双工结构差异仍预期存在，因焙烧前仅部分氧化。

石灰与消石灰影响

向铁矿粉加入石灰（CaO）略降低绿球产率，但提高绿球抗跌强度和抗压强度。球团强度与焙烧收缩直接成正比。熔剂球团中加石灰增加收缩从而增强强度。因石灰、二氧化硅、氧化铁反应生成硅酸钙和钙铁矿。加石灰导致细赤铁矿颗粒烧结，靠近原石灰颗粒位点极局部次生矿物键合支持。随温度和石灰浓度增加，形成更多渣固结结构、降低可及孔隙率。

消石灰[Ca(OH)₂]对绿球干球抗跌抗压强度有正面影响。也对烧结球团最终强度有好影响。

加入Ca(OH)₂用钙离子替换更有效钠离子降低膨润土粘结效率，转化为更钙质低效形式，导致球团性能恶化。故球团化过程中某些情况不宜同时加多种粘结剂，否则可能恶化性能而非增强。加入一定量Ca(OH)₂后，球团性能某些增强可归因于Ca(OH)₂作粘结剂效应。含0.4%膨润土和4% Ca(OH)₂理化性能最好球团还原动力学显示，还原受界面化学反应控制。