球团理论与工艺2造球理论.ppt

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1、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： 物料表面性质；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

2、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。,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。,（2-4）,（2-3）,2 造球理论,2

3、.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： 附着层的伸张力向上 表面张力与表面相切，一分力向下 形成凹形液面,不

4、润湿： 附着层的收缩力向下 表面张力与表面相切，一分力向上 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。,（2-5）,（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

5、,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28nm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

6、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（1.0m），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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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,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,

12、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： 间断造球以成核和聚结机理为主导； 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

13、 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

14、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

15、水性（从弱到强）：,磁铁矿,赤铁矿,菱铁矿,褐铁矿,因含结晶水不同，褐铁矿可分为五种： 水赤铁矿2Fe2O3H2O 针赤铁矿2Fe2O3H2O 水针铁矿3Fe2O34H2O 黄针铁矿Fe2O32H2O 黄赭石Fe2O33H2O 自然界中的褐铁矿绝大部分以褐铁矿 (2Fe2O33H2O)形态存在,褐铁矿是由其他矿风化而成，其结构松 软，密度小，含水量大，气孔多，且在 温度升高时结晶水脱除后又留下新的气 孔，故还原性皆比前两种铁矿高。,褐铁矿因含结晶水和气孔多，用烧结 球团造块时收缩性很大，使产品质量 降低，只有用延长高温处理时间，产品 强度可相应提高，但导致燃料消耗增大， 加工成本提高。,在碳酸

16、盐内的一部分铁可被其他金属混 入而部分生成复盐，如(CaFe)CO3和 (MgFe)CO3等。在水和氧作用下，易转 变成褐铁矿而覆盖在菱铁矿矿床的表面。 在自然界中分布最广的粘土质菱铁矿， 其夹杂物为粘土和泥沙。,在烧结球团造块时，因收缩量大、导致产 品强度降低和设备生产能力低，燃料消耗 也因碳酸盐分解而增加。,2 造球理论,2.5.1 原料,（2）原料的水分 原料水分对于成球影响很大。对于不同的原料，生球有不同的适宜水分。 若原料含水过低，虽然在造球时可以洒水补充，但成球速度慢，生产率降低，而且往往由于洒水不均匀，使生球脆弱。 如果原料含水过高，会给造球带来极大困难，使生球粒度不均匀，相互粘

17、结、形成大块。在这种情况下，必须将原料预先干燥，降低其水分。,在正常生产条件下，需经常维持原料水分略低于生球的适宜水分。,2 造球理论,2.5.1 原料,（3）原料的粒度与粒度组成 原料具有适宜的粒度组成，可使颗粒排列紧密，毛细管平均直径缩小，颗粒之间的结合力增大。 -0.074mm80%-90%，-0.044mm 60%-80%，比表面积1500-1900cm2/g 粒度过细的不利影响： 毛细管直径愈小，水在颗粒间的迁移速度下降，从而使成球速度降低。,2 造球理论,2.5.1 原料,（4）添加剂的影响 在造球原料中配加某些添加剂，可以改善物料的成球性。 1）改善物料的亲水性和比表面积； 2）

18、改善物料颗粒间的连结，增加生球机械强度。,2 造球理论,2.5 影响造球的因素,2.5.2 工艺条件,造球工艺对成球的影响可以概括为操作与设备两方面。,（1）加水方法 造球物料的水分应控制在略低于适宜造球的水分，造球时补加少量水，以控制母球的形成和生球的长大。 大部分补加水以滴状加在“成球区”的料流上，使散状精矿粉较快地形成母球，少部分的水以雾状加到“长球区”的母球表面上，促使母球迅速长大，而在“紧密区”不加水，以防表面过湿的球遇水发生粘结，以及水过量而降低强度。,工艺操作,2 造球理论,2.5 影响造球的因素,2.5.2 工艺条件,造球工艺对成球的影响可以概括为操作与设备两方面。,（1）加水

19、方法,工艺操作,滴水成球，雾水长大，无水紧密,2 造球理论,2.5 影响造球的因素,2.5.2 工艺条件,（2）加料方法 加料的方式必须兼顾生成母球和母球长大，要防止形成过多的母球。 原料加在“成核区”和“长球区”。这样，在造球机转动过程中有一部分未参加造球的散料就会被带至“紧密区”，吸收生球表面的多余水分。 在保证生球达到要求尺寸的前提下，应使母球的生成速度与生球的长大速度达到平衡。,工艺操作,2 造球理论,2.5 影响造球的因素,2.5.2 工艺条件,（3）成球时间 滚动成球的时间，与对球团矿粒度的要求，以及原料成球的难易有关。 球团矿的粒度大，要较长的造球时间；原料成球性差，造球时间也会

20、延长。 一般的规律是：延长造球时间，有利于提高生球的强度，特别对于粒度很细的原料，更须要较长的造球时间，才能使生球具有更高的强度。,工艺操作,造球的大部分时间是用在母球长大阶段。,2 造球理论,2.5 影响造球的因素,设备影响,（1）圆盘的直径大小不等，但倾斜角度一般在45 50 之间。 圆盘的倾角和边高是由混合料的休止角（自然堆角）来确定。 （2）倾角固定时，造球盘的速度可在一定范围内调节，以造球盘的周边切线速度计，经常保持在1.02.0m/s之间。,2.5.2 工艺条件,如果周速过小或周速过大？,2 造球理论,设备影响,（2）周速过小，物料上升不到圆盘的上部区域，一方面造球盘的面积得不到充

21、分利用，另一方面生球在盘内滚动获得的位能低，因而滚动时动能小，球与球相互碰撞得机械作用力小，因而成球慢，生球的强度低。 若周速过大，由于离心力作用，物料抛向边缘，跟随造球盘旋转，中心出现无料区，滚动成球的作用受到破坏，甚至无法成球。 造球盘的倾角较大时，要求较高的圆周速度，使盘内物料滚动次数增加，有利于提高生球的产量和增加它的强度。,2.5.2 工艺条件,2 造球理论,设备影响,（3）造球盘的边高与其直径有关，直径 5.5m的大型造球盘边高600650mm， 边高影响造球盘的充填率（10%20%），造球机的边高大， 倾角小，在给料不变的条件下，物料在造球盘中停留时间长，有利于提高生球的强度。 料粗、粘性小时，边高适当增加；料细、粘性大时，边高适当降低。,2.5.2 工艺条件,2 造球理论,设备影响,（4）刮料板的位置也很重要，它将粘在造球盘上的物料刮下，保持适当的底料厚度，避免粘料过多，加重驱动马达的负荷。 此外刮料板还起疏导料流的作用，使成核区和长大区分开，以便于控制生球的成长。,2.5.2 工艺条件,刮板位置应不破坏料流运动轨迹，保证制粒分区为宜。,