球团理论与工艺-2造球理论

2造球理论球团生产的基本工艺过程含铁原料配料混合添加剂造球水生球筛分返料干燥预热焙烧均热冷却筛分成品球团矿返矿煤粉高炉冶炼2造球理论造球（balling）又叫滚动成型，是细磨物料在造球设备中被水润湿并在机械力及毛细力作用下的连续过程。生球质量与：造球工艺过程、原料的物理化学性质和准备方法等有关。各种物料的成球性能取决于：①物料表面性质；②与水的亲和能力。2造球理论2.1物料的表面性质2.1.1液体的表面性质（1）液体的表面层、表面能和表面张力液面下厚度约等于分子作用半径的一层液体，叫表面层。不平衡力场表面层内分子比液体内部所具有的更大的位能，称作表面能。2造球理论2.1.1液体的表面性质（1）液体的表面层、表面能和表面张力不平衡力场液体具有尽可能缩小其表面的趋势，液体表面就好像一拉紧了的弹性膜，处在沿着表面的使表面有收缩倾向的张力作用下，这种力称作表面张力。Lf2造球理论（2）弯曲液面下的附加压强水平液面的表面张力也是水平的弯曲液膜有取平面的趋势：凸膜变平的趋势对下层的液体施以压力；凹膜变平的趋势对下层的液体起着拉伸的作用；2.1.1液体的表面性质2造球理论（2）弯曲液面下的附加压强弯曲液面对液体内部都施以附加压强，凸面为正，凹面为负。）（附2111RRPRP2附（2-4）（2-3）2造球理论2.1.2液体和固体的作用（1）润湿现象由于液体分子与固体分子之间的相互引力大于或小于液体分子之间的相互引力，同一种液体，能润湿某些固体的表面，而不能润湿另一些固体的表面。附着力是两种不同物质接触部分的相互吸引力。内聚力又叫粘聚力，是在同种物质内部相邻各部分之间的相互吸引力。2造球理论2.1.2液体和固体的作用（1）润湿现象在液体和固体接触处，厚度等于分子作用半径的一薄层液体叫附着层。附着力内聚力附着力内聚力平衡时位能最小原理2造球理论2.1.2液体和固体的作用（1）润湿现象润湿：①附着层的伸张力向上②表面张力与表面相切，一分力向下③形成凹形液面不润湿：①附着层的收缩力向下②表面张力与表面相切，一分力向上③形成凸形液面2造球理论2.1.2液体和固体的作用（1）润湿现象在液体和固体接触处，液体表面的切面和固体表面所成的角称为接触角。完全润湿润湿不润湿完全不润湿2造球理论2.1.2液体和固体的作用（2）毛细现象浸润液体在毛细管里升高的现象和不浸润液体在毛细管里降低的现象，叫做毛细现象。管径小于2mm的管子叫毛细管。ghRP2附（2-5）cosrRgrhcos2（2-6）Julen公式管子越细，液体上升高度越高凹液面附加压强为负，液面上升高度为正；凸液面附加压强为正，液面上升高度为负2造球理论2.1.3细磨物料的表面特性细磨物料特点：分散度和比表面积较大较大表面能表面电性荷负电：方解石、石英、膨润土、金属、金属硫化物等荷正电：氢氧化铁、氢氧化铝2造球理论2.2水分在细磨物料中的形态及作用2.2.1水分子的构造与性质水分子具有偶极子构造可与具有某种电荷的其他物体相缔合形成瞬时复合体造球过程中水的形态吸附水、薄膜水、毛细水2造球理论2.2水分在细磨物料中的形态及作用2.2.2吸附水的特性及作用在静电引力作用下被吸附在固体颗粒的表面的水分子叫做吸附水。吸附水层的厚度在2～8nm之间。吸附水被牢牢吸附在颗粒表面，不能自由转移，只有在烘干时才能变为蒸汽。细磨粉料表面通常带有电荷，在颗粒表面空间形成电场，水分子又具有偶极构造，在电场作用下发生极化，被极化的水分子和水化离子与细磨粉料之间因静电引力而相互吸引。2造球理论2.2.2吸附水的特性及作用仅有吸附水，物料尚不能成球。吸附水的密度大于1g/cm3，不导电，不结冰，又称为固态水。砂粒状细磨物料（0.1-1.0mm），呈散粒状态粘土状细磨物料（~1.0µm），呈坚硬固体状态仅含吸附水时，2造球理论2.2.3薄膜水的特性及作用薄膜水是由形成吸附水以后剩余的未被平衡的分子力所吸引的分子水层；分为强结合水和弱结合水。（1）强结合水最接近固相表面的薄膜水称为强结合水，一般仅相当于几个水分子的厚度；结合水具有固态和液态水的双重性质；即自身重力作用下不能运动，施加外力作用下，才能够流动和变形。2造球理论2.2.3薄膜水的特性及作用矿粒具有强结合水时，为牢固状态，无塑性。移动方向与重力无关，速度远慢于普通水，冰点小于零度。最大分子水=吸附水+强结合水。2造球理论2.2.3薄膜水的特性及作用（2）弱结合水是薄膜水外缘部分的水，性质接近自由水。受电分子引力的吸引，具有粘滞性。薄膜水由于受静电力和分子力的作用，水分子排列紧密，具有很大粘滞性，使相邻的矿粉颗粒不容易发生相对移动。2造球理论2.2.3薄膜水的特性及作用（2）弱结合水当矿粉颗粒相距很近时，可以形成公共的水化膜（图中阴影部分），使颗粒彼此粘结，这就是细磨物料成球后具有一定机械强度的原因。物料达到最大分子结合水以后，在外力作用下表现出可塑性，这时成球过程才能开始。2造球理论2.2.4毛细水的特性及作用当物料润湿到超过薄膜水时，水分开始充填在物料颗粒之间的空隙中，形成毛细水。毛细水是靠水的表面张力形成的，在矿粉颗粒的空隙中形成弯曲的液面，产生毛细压力。2造球理论2.2.4毛细水的特性及作用在毛细压力和外力的作用下，水滴周围的矿粉颗粒被拉向水滴的中心，形成小球。因此，物料的亲水性越强，颗粒越细，排列越紧密，毛细力的作用越大，成球速度也越快。成球过程中毛细水起主导作用。2造球理论2.2.4毛细水的特性及作用当矿粉被水润湿超过薄膜水时，在颗粒之间出现了毛细水，开始出现的叫做触点状毛细水，它使颗粒连系起来。继续增加水，以及毛细水表面张力或外力作用，使颗粒靠拢，于是在它们之间形成了蜂窝状毛细水，这时毛细水在颗粒之间开始连接起来，可以迁移。进一步润湿，则出现了饱和毛细水，这时达到了最大毛细水含量。2造球理论2.2.4毛细水的特性及作用精矿粉成球，毛细水起主导作用，最适宜的含水量介于触点状和蜂窝状毛细水之间。精矿粉成球速度决定于毛细水的迁移速度。亲水性强的物料，可使毛细水迁移速度加快。2造球理论2.2水分在细磨物料中的形态及作用2.2.5重力水的特性及作用由于重力总是向下的，因此重力水总是向下运动。由于重力水对矿粒有浮力作用，故对成球不利。当矿粉完全被水饱和时，还存在重力水。它是在重力和压力差的作用下能移动的自由水。所以，只有当水分处于毛细水含量范围以内时，对矿粉成球才有实际意义。2造球理论2.2水分在细磨物料中的形态及作用2.2.6四种形态水的作用吸附水：是无效水，呈固态水性质；薄膜水：增加球团机械强度，呈粘滞性；可提高生球强度，可使物料呈现塑性；毛细水：起主导作用，使颗粒成核；重力水：饱和水，对成球不利。2造球理论2.3细磨物料的成球过程2.3.1成球机理生球的强度靠自然力将矿粒维持在一起，决定着矿粒的尺寸、表面电荷、结晶构造、添加剂等。主要的自然力是毛细压力。影响成球的力：自然力和机械力。还需借助机械力使润湿颗粒接触，即在造球设备中，以滚动、转动、挤压等方式使物料作机械运动而形成生球。2造球理论2.3.1成球机理在机械力的作用下粒子互相靠紧，由于粒子间的毛细作用，而聚集成核。（1）成核机理是任何新球形成必不可少的过程。核的形成是造球过程的第一步，核的强度及长大速度都将影响生球产质量。已经形成的球，因表层水分不足或粘附不牢，在磨剥过程中被磨损。（6）磨损机理（7）磨剥转移机理一定数量的原料从一个球转移到另外一个球上。不存在交换。已经形成的球核，在滚动过程中聚集新料，而逐渐长大。（2）成层机理（3）聚结机理几个小球核连结在一起，称为聚结。可以是两个或多个核聚结，长大速度大于成层，生球尺寸范围较宽。已经形成的球核又被压碎。增加粘结剂可改善。（4）粉碎机理（5）破损机理已经形成的球，由于冲击或碰撞而破裂成碎片。与造球机工艺参数有关。对母球长大起主导作用的是聚结和成层机理。2.3.1成球机理2造球理论2.3.2成球阶段成核阶段：薄膜水围绕松散细磨物料，通过降低总的气液界面而成核，触点状+蜂窝状连接使母球中空气减少。母球仍是多孔状，由固-液-气三相组成，强度不高。润湿/毛细力起主导作用包括：成核阶段、过渡阶段和长大阶段。2造球理论2.3.2成球阶段包括：成核阶段、过渡阶段和长大阶段。为形成母球，必须创造条件，造成毛细水含量较高的颗粒集合体，这可以用两种方法来达到：一是对物料进行不均匀的点滴润湿；二是利用机械外力作用于粉料的个别部分，使其颗粒之间接触紧密，形成更细的毛细管。2造球理论2.3.2成球阶段过渡阶段：母球彼此碰撞，饱和毛细水使空隙逐渐减小，形成毛细管连接。润湿/毛细力和机械力起主导作用小球密度增加，仍具较大塑性，粒度范围宽。长大阶段：①间断造球以成核和聚结机理为主导；②连续造球以成层机理为主。机械力起主导作用2造球理论2.4造球机圆盘造球机圆筒造球机2造球理论2.4造球机2.4.1圆盘造球机盘上装有喷水管及刮料板等装置。细磨物料加进盘内被水湿润后，不断翻滚形成料粒→母球→大料球，大料球位于表面和圆盘的边缘。因此，当总给料量大于圆盘的填充量时，大颗粒的合格生球即自盘内排出。2造球理论2.4.1圆盘造球机特点：不同粒径的球粒分别沿各自不同的轨道运行，按大小分级，排出尺寸合格的生球。所需料量相当于排出的生球量。2造球理论2.4.2圆筒造球机圆筒造球机的筒体内装有与筒壁平行的刮刀，在筒体的前段设有喷水装置（亦可喷入液状的造球所需的粘结剂，以增强生球的强度）。从筒壁上刮下的物料大部分已粘结称成块，在圆筒中翻滚，很快就成球，加速了造球的作用。由于刮刀从筒壁上刮下的料块度和水分都不均匀，尽管造球的时间相等，但生球的粒径不够均匀。2造球理论2.4.2圆筒造球机特点：不具备分级作用，需与网筛构成闭路，筛下料返回造球。循环负荷在100%以上，有时高达400%。2造球理论2.5影响造球的因素2.5.1原料影响精矿成球的因素很多，概括起来，可分为两类，一是原料的性质，二是造球工艺条件。（1）原料的自然性质造球原料的自然性质中，以颗粒表面的亲水性、颗粒形状，对其成球性影响最大。颗粒表面亲水性愈高，固相与液相界面的接触角愈小，颗粒容易被水润湿，薄膜水和毛细水含量高，毛细水的迁移速度也高，从而成球性好。铁矿石亲水性（从弱到强）：磁铁矿赤铁矿菱铁矿褐铁矿矿石名称含铁矿物名称和化学式理论含铁量/%密度/t.m-3颜色条痕冶炼性能实际含铁有害杂质强度及还原性磁铁矿(黑矿）磁性氧化物铁矿石磁性氧化铁Fe3O472.45.2黑色或灰色黑色45-70S、P高坚硬、致密、难还原赤铁矿（红矿）无水氧化铁矿石赤铁矿Fe2O370.04.9-5.3红色至淡灰色甚至黑色红色55-60少较易破碎、较易还原褐铁矿含水氧化铁矿石褐铁矿2Fe2O3·3H2O60.03.0-4.2褐色至黑色37-55S、P高疏松、大部分属软矿石，易还原菱铁矿碳酸盐铁矿石碳酸铁FeCO348.23.8灰色带黄褐色灰色或带黄色30-40少在自然界中，由于氧化作用，可使部分磁铁矿氧化成赤铁矿，成为既含Fe2O3又含Fe3O4的矿石，但仍保持原磁铁矿结晶形态。这种现象称为假象化，多称为假象赤铁矿或半假象赤铁矿。为衡量磁铁矿的氧化程度。即：TFe/FeO＜2.7时为原生磁铁矿TFe/FeO＝2.7-3.5时为混合矿TFe/FeO＞3.5时为氧化矿对纯磁铁矿而言，TFe/FeO的值为2.3(理论值)上述划分比值只是对矿物成分简单，具有比较单一的磁铁矿和赤铁矿组成的铁矿床或矿石才适用。若矿石中含有硅酸盐，硫化铁和碳酸铁等，因其中FeO不具磁性。在计算时计入FeO范围内时就易出现假象，分析可靠性降低。矿石名称含铁矿物名称和化学式理论含铁量/%密度/t.m-3颜色条痕冶炼性能实际含铁有害杂质强度及还原性磁铁矿(黑矿）磁性氧化物铁矿石磁性氧化铁Fe3O472.45.2黑色或灰色黑色45-70S、P高坚硬、致密、难还原赤铁矿（红矿）无水氧化铁矿石赤铁矿Fe2O370.04.9-5.3红色至淡灰色甚至黑