球团矿具有较好的冷态强度、
还原性和
粒度组成。在
钢铁工业中球团矿与
烧结矿同样成为重要的高炉炉料,可一起构成较好的炉料结构。也应用于有色金属冶炼。
球团矿生产 先将矿粉制成粒度均匀、具有足够强度的
生球。
造球通常在圆盘或
圆筒造球机上进行。矿粉借助于水在其中的
毛细作用形成球核;然后球核在物料中不断滚动,粘附物料,球体越来越大,越来越密实。矿粉间借分子水膜维持牢固的粘结。采用
亲水性好、粒度细(小于0.044毫米的矿粉应占总量的90%以上),
比表面积大和接触条件好的矿粉,加适当的水分,添一定数量的
粘结剂(
皂土、
消石灰和
生石灰等),可以获得有足够强度的生球。
生球经过干燥 (300~600℃)和预热(600~1000℃)后在
氧化气氛中
焙烧。在预热和焙烧阶段出现
氧化铁的氧化、
石灰石分解和去硫等反应。焙烧是球团固结的主要阶段。球团固结过程中,
固相反应和
固相烧结起重要作用,而
液相烧结只在一定的条件下才得到发展。
焙烧温度一般是1200~1300℃,主要用气体或
液体燃料,有时也可用
固体燃料。
氧化铝:随着AI2O3,球团内部的液相量减少,
气孔率增大,Fe2O3含量增加,球团矿
显微结构中铁
氧化物与
硅酸盐矿物结合趋于紧密,并形成逐渐多及大的不规则气孔。 由于AI2O3增加时
硅酸盐粘结相粘度降低,在
焙烧过程中显著改变了
矿粒间的团聚程度和晶粒生长方式,从而使粘结相趋于致密。同时,过多的AI2O3在球团局部形成
大孔薄壁结构,不利于晶粒的发育生长,大孔周围析出再生
赤铁矿。而由于Fe2O3和AI2O3的晶格相近,所以这种再生赤铁矿中的主要杂质为AI2O3。AI2O3可以降低硅酸盐液相的熔点,促进Fe2O3生成和降低
FeO含量,另外AI2O3和FeO还将形成
固溶体,促进再生的自由Fe2O3
晶体生成,所以
球团矿的强度降低。
氧化镁:随着MgO增加,液相量减少,液相粘度增大,
孔隙率增大,
体积收缩变差,加上有大气孔的存在,气孔形状不规则,
应力集中,所以
抗压强度下降。 通过
化学分析,FeO随着MgO的增加而降低,这是因为铁-铁尖晶石(FeO·Fe2O3)的
晶体结构为反尖晶石结构,即有一半的三价
铁离子(Fe3+)填充在
四面体空隙中,
二价铁离子(Fe2+)和另一半三价铁离子(Fe3+)则充填在
八面体空隙中。在MgO-FeO系统中,由于MgO和
FeO都具有
氯化钠(NaCl)型结构,属于
立方晶系,面心立方点阵。由于二者
晶胞参数非常相近,
粒子大小相近,电价相同,所以金属
阳离子极易发生置换。高温
焙烧过程中,Mg2+离子将Fe2+置换出来。此时Fe2+具有较高的活性,另一方面,由于
孔隙率提高使氧离子到达
磁铁矿表面的阻力减少,所以Fe2+更容易氧化,致使Fe2O3增多,FeO减少。
酸性球团矿实验发现,加入MgO的球团氧化时,磁铁矿中MgO含量增高,而FeO减少,这表明Fe2+被MgO置换出来,球团氧化
反应速度和反应物层
扩散速度加快,促进了球团氧化。
氧化硅:
球团矿中的SiO2越低越好,但现实中有些矿则是
高硅低铁矿,所以研究SiO2的影响是有意义的。当SiO2含量从5%增加到6.4%时,
抗压强度从3700N/球上升到4500N/球,随着SiO2进一步增加,抗压强度下降。从显微结构上看,SiO2为5%时,Fe2O3和Fe3O4多以自型晶、半自型晶存在,硅酸盐呈大块板状,中间有较少的圆形气孔并有细长的裂纹存在;SiO2为6.4%时Fe3O4多以半自型晶存在,有少量细丝状微晶粒,再结晶较好,气孔形状和分布不规则,有大孔、大裂纹存在,Fe3O4增多,
气孔率上升,硅酸盐中有较多的中等孔隙,
中孔薄壁,裂纹较长;SiO2为7.8%时,Fe2O3、Fe3O4多以细丝微晶存在,硅酸盐以絮状存在,与
铁氧化物交错分布,液相量在40%以上,圆形中等孔隙,微气孔较多,
气孔分布均匀,Fe3O4有增多趋势,液相量过大,Fe3O4
晶面上又极其严重的黑圆点状游离SiO2,硅酸盐之间有较多的孔隙;SiO2从5%到6.5%这个阶段,随着SiO2增大,液相量增加,粘结作用加强,在SiO2为6.5%时,铁氧化物形成交织结构,液相填充孔隙,主要形成闭气孔,结构致密,此时的
密实度最大,
抗压强度也最大;SiO2继续增加,气孔形状变得不规则,并且游离SiO2增多,气孔率升高,硅酸盐矿物以絮状存在,硅酸盐之间有很多裂纹,铁氧化物之间
连晶较少,抗压强度下降。由于
气孔率升高,氧气更容易扩散,Fe3O4容易被氧化,FeO含量降低。
氧化钙:CaO的变化是用碱度的变化来表示的,随着
碱度从0.2升高到1.0,抗压强度从3000N/球增加到4700N/球,而后则随碱度的升高呈下降趋势。这是因为随着CaO的加入,
硅酸盐渣相减少,
铁酸钙出现,
液相的粘度降低,流动性变好,填充了气孔,使气孔率降低,结构致密,从而强度上升。在碱度为1.0时,结构最为致密,强度最高。进一步提高碱度,则由于液相量过多,造成气孔较多,气孔与气孔之间相互连通,形成大孔薄壁结构,造成强度下降。对于FeO来说,由于CaO使硅酸盐矿物的熔点降低,硅酸盐液相量增大,且液相的粘度降低,因此粘结铁氧化物的能力增强,在高温过程中,Ca2+向晶格
内扩散,而Fe2+则反方向朝液相中扩散,FeO 与SiO2易于结合形成
铁橄榄石等硅酸盐矿物,含钙
磁铁矿的出现不利于Fe3O4的氧化,FeO增加。随着
碱度的进一步升高,
球团矿中局部形成
大孔薄壁结构,表现为球团矿的
孔隙率升高,氧离子的扩散阻力减小,促进Fe3O4氧化,FeO降低。
结论:随着AI2O3的升高,球团矿的
抗压强度下降,孔隙率上升,FeO降低;随着MgO的增加,球团矿的抗压强度降低,孔隙率增加,FeO降低;SiO2在6.4%时,球团矿的抗压强度最大,SiO2进一步增大,球团矿的抗压强度降低,在整个过程中,
孔隙率升高,FeO降低;随着CaO进一步增加,
球团矿的抗压强度降低,孔隙率上升,FeO降低。 因此结果表明,SiO2在6.5%时,球团矿的抗压强度高;AI2O3、MgO含量高对球团矿强度不利,应尽量降低他们的含量;在低
碱度范围内,提高碱度对改善球团抗压强度有利,但FeO含量将升高。
球团矿的
焙烧设备 主要有
竖炉、
带式焙烧机和
链篦机-
回转窑三种。用竖炉焙烧,单机能力小,
加热不均,对原料适应性差;但设备简单,操作方便。中国在竖炉
焙烧技术方面有所突破。带式焙烧机主要是德腊沃-鲁奇型(Dravo-Lurgi),具有单机能力大、有余热利用系统、设备简单可靠、操作方便等优点;是目前世界上球团焙烧的主要设备,生产的球团占世界
总产量一半以上。链篦机-回转窑具有焙烧均匀、单机能力大等优点,但设备环节多。