[科普中国]-铁矿石球团法

铁矿石球团法 (pelletizing of iron ores)铁矿石造块方法之一。将各种铁精矿或磨细的天然矿配以水和球团黏结剂做成生球，再经高温或低温焙烧制成球团矿。球团矿具有含铁品位高、粒度均匀、还原性能好、机械强度高、耐贮存等特性。

简介铁矿石球团法 (pelletizing of iron ores)铁矿石造块方法之一。将各种铁精矿或磨细的天然矿配以水和球团黏结剂做成生球，再经高温或低温焙烧制成球团矿。球团矿具有含铁品位高、粒度均匀、还原性能好、机械强度高、耐贮存等特性1。

简史1912年瑞典人安德森(A.G.Anderson)开始研究利用铁精矿生产球团矿的方法，并取得了专利。1913年布莱克尔斯贝尔格(C.A.Brackelsberg)取得了德国专利。他提出将粉矿加水或黏结剂混合，造球，然后在一定温度下焙烧固结，并于1926年在克虏伯公司莱茵豪森钢铁厂建造了一座日产能力为120t的球团试验厂。第二次世界大战期间，美国由于富矿储量几近枯竭，遂开始开发密萨比(Mesabi)矿区。该矿区的矿系贫铁矿，含铁量只有30%，即常说的铁燧岩。这种铁燧岩质地坚硬，且嵌布粒度很细，通过细磨精选，获得了小于0.044mm(325目)粒级在85%以上的铁精矿。此种细精矿，由于降低了烧结混合料的透气性，不能进行烧结。1943年明尼苏达大学矿山实验站开展了铁燧岩精矿球团工艺的研究，并在1944年发表了第一批研究结果。瑞典钢铁研究院于1946年成立了一个应用铁精矿的委员会，建立了数座小型工业性球团厂，这些厂所生产的球团矿是专门供给威伯格(Wiberg)法直接还原用的。美国于1948年进行了年产20万t的工业试验，获得了成功。并于1955年在里塞夫矿山公司建成了一座大型带式机焙烧球团厂，在伊利矿山公司建成了一座大型竖炉焙烧球团厂，合计年产球团矿能力1200万t。由于球团矿工艺特别适用于细精矿，且球团矿的质量好，从60年代后，球团矿的生产，得到了迅速发展。

中国球团矿的试验研究工作，开始于20世纪50年代初。最初鞍山钢铁公司和本溪钢铁公司在铁精矿中配入2%～3%的消石灰作为黏结剂，加入一定数量的水分，经混合、压块，送入隧道窑中焙烧，得到方团矿。1958年鞍山钢铁公司通过试验，将方团矿改造为隧道窑焙烧球团矿，以后本溪钢铁公司、包头钢铁公司也相继建成了隧道窑，生产球团矿。1968年济南钢铁厂和杭州钢铁厂，建成了具有中国特色的，设有干燥床和导风墙的8m。竖炉，生产球团矿。从此在中、小企业竖炉焙烧球团法有了较大发展。1970年武汉钢铁公司建成了两台135m。的带式球团焙烧机。后因工艺及材质不合理而停止生产。1973年和1989年包头钢铁公司和鞍山钢铁公司先后建成162m2及321.6m2带式球团焙烧机。1982年承德钢铁厂建成了一台内径为3m、长30m、年产球团矿20万t的链算机--回转窑。从此，三种主要生产球团矿的设备，在中国都有了较大的发展。1990年中国球团矿的产量已占高炉入炉原料的6%以上。

随着钢铁工业的发展，细精矿的产量显著增加，而球团法可将细精矿或细粒粉矿造成粒度均匀、产量高、强度好的人造富矿，直接入炉；通过氧化焙烧，可将H2O、CO2 、S等挥发脱除，减少有害元素对高炉生产的影响；此外，球团法可加入各种不同的添加剂，改变球团矿的矿物组成。所以从1960年以来球团矿的产量一直保持上升趋势。球团矿在高炉炉料中的比例，也逐渐增加1。

球团矿固结机理在300～800℃的温度下，磁铁矿被氧化，生成Fe2O3微晶。新生成的Fe2O3微晶具有高度的迁移能力，促使微晶长大形成连接桥(又称Fe2O3微晶键)，将生球中各颗粒互相粘结起来。但这种微晶的长大非常有限，所以此时球团强度不高，只有当生球在强氧化性气氛中，加热到1000～1300℃时，Fe2O3的微晶才能够再结晶，长成相互紧密连成一片的赤铁矿晶体，这时球团强度达到最高；若加热温度高于1300℃时，则由于下列反应，而使颗粒之间的固结作用减弱，球团矿强度下降。

所以，磁铁矿球团在强氧化性气氛及1100～1300℃的焙烧温度下，其颗粒之间形成晶桥，微晶长大，以及发生再结晶，是球团矿固结的基本形式。但在焙烧过程中，精矿中的脉石矿物以及配加的各种添加剂(如皂土、硝石灰、白云石等)，有的熔化成液态渣相，有的与铁矿物反应形成硅酸盐、铁酸钙等低熔点的矿物，这些渣相均有助于球团矿的固结。

在赤铁矿球团焙烧过程中，球团矿的强度也是通过晶粒长大和再结晶来提高的。但这是一个比较困难的过程。晶体的长大只有在1200℃以上时才能观测到。在此温度下，矿石颗粒及球团结构，都一直保持其原有形态。各颗粒虽彼此靠近，但无任何连接，只有在1300℃时，赤铁矿颗粒才结晶，过程进行非常缓慢。若要使赤铁矿内形成足够的键桥，则需在最佳焙烧温度下，焙烧较长的时间。这就影响了球团焙烧设备的产率。如果焙烧温度过高(高于1300～1350℃)，则会引起Fe2O3的分解，导致球团矿强度下降2。

工艺流程球团矿的生产是一个多工序的连续过程，一般需要经过配料、混合、造球、布料及焙烧等工序。前两道工序是将生产球团矿的各种原料，包括各种不同性质的铁精矿、粉矿、炉尘、皂土、消石灰等，按要求的比例进行混配获得具有均匀的化学成分的混合料；后三道工序则是制成生球后经焙烧成球团矿的过程3。

配料一般使用圆盘给料机。它是由转动圆盘(直径有1m、2m不等)、套筒、调节排料量的刀闸及传动机构所组成。当圆盘转动时，料仓内的物料在压力的作用下，向出口一方移动，经闸刀或刮刀卸到皮带运输机上。通过调节圆盘给料机的转速、排料闸门的大小或刮刀的位置，并把它们与电子皮带秤相联合，及时调节下料量，使其在一定时间内，从料仓中放出一定数量的物料，以保证获得预定成分的混合料。对于一些粒度很细，用量较少的添加剂，如皂土、消石灰、炉尘等，也可使用螺旋给料机或槽式振动给料机，以准确控制其配比较少的下料量2。

混合常用的设备为圆筒混合机。它由钢板焊成的圆筒、固定在圆筒上的钢箍、支持圆筒的托辊、防止圆筒纵向运动的定向轮、以及钢质齿环和电动机等部分组成。混合机是由电动机(经减速机)、齿轮将动力传给固定在圆筒上的齿环，使圆筒转动的。也有可使用胶轮摩擦传动。圆筒混合机安装成一定的倾角，物料从给料端加入，圆筒转动时，物料被带到一定的高度后抛下，如此反复，物料成螺旋形运动而被混合，最后从卸料端排出。圆筒混合机的直径与长度根据产量的需要，可选用各种不同的规格。除圆筒混合机外，还有双轴搅拌机、轮式混合机以及强力混合机等2。

造球制成生球的过程。造球设备主要有圆筒造球机、圆盘造球机和圆锥造球机3种。

(1)圆筒造球机。在球团生产的最初年代，它是惟一的造球设备。圆筒造球机的长度通常大于直径的2～3倍，倾角为2°～5°，单机产量大，运转较平稳。但由于造出的球团粒度不均匀，必须经过筛分，因此流程复杂，动力消耗较大。

(2)圆盘造球机。早期用于水泥工业的生料制粒和化肥制粒，直到1949年至1950年，才将其用于铁矿石球团生产。圆盘造球机是由中心轴、圆盘和安在盘面上的刮刀及加料、加水装置所组成，圆盘由钢板制成，直径2～7.5m；大型造球机还专设托轮将盘边托住，圆盘转动是由电动机带动中心轴旋转来完成的。圆盘造球机的最大优点是球团粒度均匀、不需过筛、质量轻、电耗小。但单机产量低，当圆盘尺寸较大时，运转不够平稳。使用圆盘造球机，生球粒度9～15mm的粒级可占85%～92%，小于5mm粒级的粉末低于3%。

(3)圆锥造球机。这种造球机的造球方式介于圆筒和圆盘两种造球机之间，造球的滚动原理也相同，造球时，圆锥内部可以产生分级作用，并只排出粒度最大的生球，生球不需筛分。圆锥角度、圆锥直径以及同水平面的倾角都是可调节的。美国伯利恒钢铁公司的一些球团厂，曾在工业中采用过圆锥造球机2。

布料把生球分布于焙烧机上的一道工序。主要设备为辊式布料机，它是加拿大国际镍公司(INCO)为了解决所属球团厂生球输送问题而专门研制的，并已取得了专利权。辊式布料机由10～20组圆辊排列组成，辊间隙为1.5～2.0mm，由链条或齿轮传动，辊式布料机的工作由辊子的转动而完成。辊子构成一个联合系统，按特定的倾斜度，从较大的高度向下输送生球。生球向下滚动的旋转方向同辊子的旋转方向相反。辊径和辊隙同生球粒度有一定的关系。生球在辊式布料机上滚动，其强度可进一步提高。辊式布料机工作可靠，布料均匀，操作方便，是一种理想的布料设备。此外，还有使用梭式皮带和宽皮带布料的2。

焙烧使生球发生一系列物理、化学变化，显著提高其机械强度，以满足运输及高炉冶炼的要求。焙烧包括干燥、预热、焙烧、均热和冷却5个过程。干燥过程的温度一般为200～400℃，主要反应是蒸发生球的水分，并排除物料中部分结晶水。预热过程的温度为900～1000℃，主要反应是磁铁矿氧化成赤铁矿、碳酸盐矿物分解、硫化物的分解和氧化以及某些固相反应；焙烧过程的温度为1200～1300℃，主要反应为：铁氧化物的结晶和再结晶，晶粒长大，固相反应及因此而产生的低熔点化合物或共晶的熔化和形成部分液相，球团矿体积收缩及组织致密化。均热过程的温度略低于焙烧温度，主要目的是使球团内部晶体长大并尽可能发育完整，使矿物组成均匀化，消除一部分内部应力。冷却过程是将球团矿的温度从1000℃以上冷却至运输皮带可以承受的温度。对于不同的原料、不同的焙烧设备，每个过程的温度水平、延续时间以及气氛均不相同1。

工艺方法生产铁矿石球团的方法以高温焙烧固结法为主，主要设备有竖炉、带式焙烧机及链算机-回转窑三种。竖炉是最早用以焙烧球团矿的一种设备，其结构简单，使用普通耐火材料，基建费用低；但炉内的温度和气氛分布难以控制，单机生产能力低，只宜使用磁铁矿原料的球团矿，故已很少使用。带式焙烧机可处理各种矿粉的球团矿，单机生产能力大，生产过程易于控制，但需要高温耐热合金材料，基建费用较高。链算机一回转窑可处理各种矿粉的球团矿、单机生产能力大，并可根据生产工艺要求，控制窑内气氛，生产氧化球团、预还原球团矿以及综合处理多金属矿物的氯化及钠化球团等；该设备基建投资高，但动力消耗及经营费用低，操作不当时易结圈3。

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所