铁矿石球团和球团化工艺

铁矿石球团及球团化工艺

铁矿石造粒始于 1950 年代，以促进在钢铁生产中使用细磨铁精矿。对于铁矿石的球团，有两种主要的工艺类型，即直行炉排（STG）工艺和炉排窑（GK）工艺。在 STG 工艺中，一个固定的球团床在一个循环的移动炉排上通过干燥、氧化、烧结和冷却区域进行运输。在 GK 工艺中，干燥和大部分氧化是在移动炉排上运输的固定颗粒床中完成的。之后，球团被装入回转窑进行烧结，然后在循环冷却器中冷却。

造粒过程在链接 http://www.ispatguru.com/iron-ore-pellets-and-pelletizing-processes/ 下的文章中进行了讨论。

颗粒可以是酸性颗粒或助熔颗粒。

• 酸性颗粒 – 酸性颗粒的碱度通常小于 0.1。烧制球团的强度在一定程度上是由于多晶结构的赤铁矿桥。这些颗粒通常具有大量的开孔。还原气体迅速穿过这些孔隙进入丸芯，同时在许多地方攻击结构。这会导致早期的结构变化，这种变化始于整个颗粒体积的低温。
• 助焊剂颗粒 - 这些也称为基本颗粒。助焊剂颗粒的碱度大于 0.1 并且可以变化。普通碱性球团的碱度范围为 0.1 至 0.6，CaO 百分比较低。在这些球团的烧制过程中，形成了由不同百分比的 SiO2、CaO 和 Fe2O3 组成的玻璃渣相。由于助熔剂添加量的增加，会形成一些熔渣，并因此在一定程度上与铁矿石晶体形成熔渣结合。高碱度颗粒的碱度水平大于 0.6。这些颗粒含有较高水平的 CaO。这些粒料不仅具有主要由SiO2、CaO和Fe2O3组成的玻璃相，而且还具有铁酸钙(CaO.Fe2O3)。在这些球团的烧制过程中，CaO 的可用性大大有利于赤铁矿的晶体生长。这些颗粒在颗粒烧制后通常具有较高的机械强度。

球团厂通常与铁矿石选矿厂整合在一起。如果它们未集成，则通常通过浆液管道将浆液形式的浓缩铁矿石泵送到球团厂。以富铁矿粉为基础的球团厂很少见，而且不是很经济。整个造粒过程可以分为两个主要的子过程段，即（i）冷子过程段和（ii）热子过程段。

冷加工环节有以下子流程。

• 用于储存来自选矿厂的浓缩铁矿石浆液的浆液罐。约 80% 的颗粒在矿浆中的铁矿石粒度小于 45 微米。
• 将添加材料（如白云石、石灰石、石灰或橄榄石等，具体取决于要生产的颗粒的质量）添加到浆料中。
• 通过使用过滤器从浆料中去除大部分水。过滤后的铁矿石含水量在9%左右。
• 使用混合器添加粘合剂（膨润土或有机粘合剂）以获得足够的生丸机械强度
• 造粒圆盘或成球滚筒用于生产生颗粒。造粒圆盘更适合生产生颗粒。
• 振动筛通常用于分离不同部分的生球团。尺寸过小的颗粒会被回收到工艺流程中，而尺寸过大的颗粒会在回收前被粉碎。
• 其余的是按尺寸（8 毫米到 16 毫米）的颗粒，这些颗粒通过传送带输送到热工艺部分的干燥工艺。

热进程段有以下子进程。

• 干燥炉通过流经床的热空气去除生球团中的大部分水分。干燥后的球团进入球团炉。
• 将干燥的球团在球团炉中烧制（1250 摄氏度至 1300 摄氏度），以将生球团转化为最终产品
• 在冷却器中通过吹冷空气将热硬化颗粒冷却到 200 摄氏度左右。

如今，上述大多数子过程都在使用自动控制的控制技术的帮助下运行。一些子流程高度依赖于前一个子流程的良好运行。例如，如果粒度太大，或细粉太干，或干燥不工作，则无法生产颗粒。一个不太危急的情况是当某些段工作不理想时。例如，如果在添加粘合剂的过程中，粘合剂的混合不均匀，那么生粒的形成过程就会受到影响。因此，铁矿石球团工艺是一个由多个子工艺组成的链条，其性能高度依赖于彼此的性能。

向矿石中添加粘合剂有两个主要目的，它们是 (i) 使矿石具有可塑性，使其能够使种子成核并长成成型良好的颗粒，以及 (ii) 在处理、干燥和预热过程中将颗粒保持在一起，或直到它在烧制过程中通过硬化得到足够的强度。最佳粘合剂应以最低成本生产高质量颗粒，并尽可能少引入污染物。粘合剂也应该是无毒的、易于处理的并且不需要先进的进料系统。添加少量膨润土通过陶瓷键的形成和生球滚压过程中颗粒的更大压实来促进粘合。

生球团的质量取决于输入参数，如矿石的矿物学、化学和粒度，进料粒度等成球参数，造粒过程中添加的水量，圆盘转速，圆盘底部倾斜角和圆盘中物料的停留时间等等

在生颗粒中，水起着重要作用。它使矿石结块并起到结合液体的作用。取决于存在的水量，湿团聚体可以以多种不同状态存在。这些在图1中示意性地示出。结合液填充度或液体饱和度描述了填充有结合液的孔隙体积部分。

图1湿团聚体不同状态示意图

在低饱和度下，粒子通过液桥（摆动键，摆动状态）保持在一起。在张力状态下（索道），充满液体的毛细管和液桥共存。在毛细状态下，所有毛细血管都充满液体，由于毛细作用力，在孔洞开口处形成凹面。

当附聚物通过液体的内聚力保持在一起时，就会出现液滴状态。在伪液滴状态下，未填充的空隙仍然被困在液滴内。一个共同的特点是

在毛细管和液滴状态下，预计在整个团块外表面上会出现凹形毛细管开口或自由表面水。湿团聚强度的毛细理论已经确立。

添加剂已被用于改善造粒工艺的操作和经济性。石灰 (CaO) 和熟石灰 [Ca(OH)2] 被证明是颗粒生产过程中的有益添加剂。添加石灰或熟石灰后，生球、干球和烧制球团性能显着提高

产品球团的物理和冶金质量在很大程度上取决于生球团质量、使用的粘合剂、助熔剂和添加剂的类型和数量，以及烧结条件（如烧制条件（温度和时间等））。生球团的成分在烧制过程中发生反应，在产品球团中形成不同的相和微观结构。

这些相的类型和数量、它们的化学成分和分布在决定后续炼铁过程中还原过程中产品球团的冶金性能方面起着至关重要的作用。世界不同地区已经开展了对低氧化铝磁铁矿和高品位赤铁矿粉的生球团和硬化的研究。但由于化学和矿物学的差异，这些研究的结果不能直接解释为氧化铝（Al2O3）含量较高的铁矿石。 Al2O3含量较高的铁矿粉具有不同的球团特性。

对于赤铁矿的烧成，由于没有后续的磁铁矿氧化放热反应，需要从外部提供更多的热量。

4FeO + O2 =2Fe2O3

从赤铁矿粉生产球团所需的能量消耗大于将磁铁矿粉粒化所需的能量消耗。此外，由赤铁矿制成的球团焙烧性能较差，直到焙烧温度高于 1300 摄氏度才能达到足够的物理强度。据观察，如果温度低于 1200 摄氏度，赤铁矿颗粒和球团结构仍保持其原始形状。 C、赤铁矿颗粒尺寸没有变大，Fe2O3晶格缺陷也没有消除，直到温度高于1300℃。在高温下，晶粒之间形成初始连接桥，发生Fe2O3的再结晶。但是，如果焙烧温度高于 1350 ℃，则不利，因为 Fe2O3 会分解为 Fe3O4，如下式反应所示，这会不利地导致球团质量下降。

6Fe2O3=4Fe3O4+O2

该反应的热力学表明，Fe2O3 的分解温度随着氧分压的增加而增加。因此，应避免过高的烧制温度和过低的氧分压，以防止 Fe2O3 的分解。因此，必须保持较高的赤铁矿球团焙烧温度以及较窄的焙烧温度范围。这给点火设备的操作带来了困难。

为了提高赤铁矿球团的硬度，在实践中发现添加磁铁矿和碳负载法都是有利的技术。

在磁铁矿进行球团化的情况下，当球团开始氧化时，会形成赤铁矿壳，而球团核心仍然是磁铁矿。这两个阶段的热体积变化表明，与赤铁矿阶段（1100 摄氏度）相比，磁铁矿阶段的烧结开始（950 摄氏度）更早。磁铁矿和赤铁矿相之间的烧结速率差异在 1100 摄氏度左右更大。随着磁铁矿精矿细度的增加，两个相的烧结速率都增加。因此，对原材料进行更精细的研磨会促进形成不需要的双相结构，并从外壳中拉出更重的烧结芯。在生球团原始孔隙率不变的情况下，由于烧结增强，氧化速率随着磁铁矿精矿变得更细而降低。然而，在实际制球中，较细的原料需要在制球中使用更多的水，这导致生球团孔隙率增加。这两种相反的效果趋于平稳，氧化时间变得恒定。在工业工艺条件下，双相结构的差异仍然是可以预料的。这是因为在硬化之前只发生了部分氧化。

在铁矿粉中添加石灰 (CaO) 会略微降低生球团矿的生产率，但会增加生球团矿的抗跌落性和抗压强度。此外，颗粒的强度与颗粒烧制过程中发生的收缩成正比。在助熔颗粒的情况下，添加石灰会增加颗粒收缩，从而提高颗粒强度。这是由于石灰、二氧化硅和氧化铁之间的相互作用形成硅酸钙和铁酸钙。石灰的添加导致赤铁矿细颗粒的烧结，这些细小赤铁矿颗粒由原始石灰颗粒位置附近的非常局部的次生矿物键合支撑。随着温度的升高和石灰浓度的增加，更多的熔渣形成，使结构更加坚固，可及孔隙率降低。

熟石灰 [Ca(OH)2] 的使用对生球团和干球团的抗跌落性和抗压强度有积极影响。 Ca(OH)2对烧制球团的最终强度也有很好的影响。

添加 Ca(OH)2 会降低膨润土作为粘合剂的效率，因为钙离子会取代更有效的钠离子，从而将其转化为钙质更高且效率更低的钠离子，从而导致颗粒性能下降。因此，在某些情况下，不希望在造粒过程中同时添加一种以上的粘合剂，因为这可能导致颗粒性能劣化而不是增强。添加一定量的 Ca(OH)2 后，颗粒性能得到一定程度的提高，这可归因于 Ca(OH)2 在造粒过程中作为粘合剂的作用。含0.4 %膨润土和4 % Ca(OH)2的球团具有最高的物理化学性质，其还原动力学表明，这些球团的还原受界面化学反应控制。