氧化球团项目
孙康映雪的故事-慧可
2023年2月21日发(作者：曹瞒传)焙烧温度对氧化球团性质及其气基直接还原过程的影响
黄柱成;易凌云;彭虎;姜涛
【摘要】考查焙烧温度对氧化球团抗压强度、孔隙率、Fe3O4含量及显微结构等
性质的影响,研究不同焙烧温度下球团的还原行为,计算其还原过程动力学并确定还
原过程的限制性环节.研究结果表明:随着焙烧温度的升高,氧化球团抗压强度增大,晶
粒间互联及渣相增多,球团内Fe3O4含量及孔隙率则明显降低;在1200℃焙烧时球
团还原最快,其次为1150℃和1250℃,最慢的是1100℃焙烧球团;在1100,1150
和1200℃焙烧球团还原过程受界面化学反应控制,而1250℃焙烧球团在还原过
程前期受界面化学反应控制,后期受内扩散控制.%Effectsofroasttemperature
onthepropertiesofoxidepellets,suchascompressivestrength,porosity,
udied-Andtheeffectsofroast
temperatureonthegas-baseddirectreductioncoursewerealso
ultsshowthatcompressivestrengthofthepellets
increaseswiththeincreaseofroasttemperature,however,theporosity
uctionrateofpellets
roastedat1200℃isfaster,thanthatroastedat1150"Cand1250℃,
andthereductionrateofpelletsroastedat1100℃istheslowestofall
ekineticsanalysis,thewholereductionprocessesof
pelletsroastedat1100,1150and1200℃arecontrolledbyinterfacial
thepelletsroastedat1250℃,the
prophaseandanaphasearedeterminedbyinterfacialchemicalreaction
mechanismandgaseousdiffusionmechanism,respectively.
【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2012(043)008
【总页数】7页(P2889-2895)
【关键词】氧化球团;焙烧温度;显微结构;还原速率;还原动力学
【作者】黄柱成;易凌云;彭虎;姜涛
【作者单位】中南大学资源加工与生物工程学院,湖南长沙,410083;中南大学资源
加工与生物工程学院,湖南长沙,410083;长沙隆泰微波热工有限公司,湖南长
沙,410126;中南大学资源加工与生物工程学院,湖南长沙,410083
【正文语种】中文
【中图分类】TF046.2
直接还原铁由于其成分稳定而纯净，是公认的电炉炼钢的理想原料和必不可少的稀
释剂。从世界范围看，电炉钢产量日益增长，而高质量废钢的供给又严重不足，直
接还原铁未来的需求量将会不断增大[1-2]。氧化球团矿具有粒度均匀、冷态强度
高、铁品位高、还原性好等优点，是优质的直接还原炼铁原料[3-4]。而焙烧固结
是球团制备过程中的复杂工序，许多物理和化学反应在此阶段完成，并对球团矿的
冶金性能如强度、孔隙率、还原性等有重大影响。其中，预热过程的温度为
900～1000℃，此过程中的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。焙烧段的温度一般为1200～1300℃，
预热过程中尚未完成的反应，如分解、氧化、脱硫、固相反应等在此阶段继续进行。
其主要反应有铁氧化物的结晶和再结晶，晶粒长大，固相反应以及由之而产生的低
熔点化合物的熔化，形成部分液相，球团矿体积收缩及结构致密化[3-8]。目前，
人们对球团的氧化焙烧进行了大量研究[8-9]，但是，对氧化球团的性质与其还原
过程联系进行系统的研究较少。在此，本文作者研究不同焙烧制度对氧化球团性质
及其直接还原的影响，力求为直接还原用球团矿生产工艺研究及其参数优化提供可
靠依据。
1原料性能与研究方法
1.1原料性能
试验所用原料包括磁铁精矿和膨润土，其化学成分(质量分数)和物理性能如表1～
4所示。试验所用铁精矿为细磨-磁选铁精矿，0.074mm以下粒级的含量约90%，
铁品位为66.72%，满足生产直接还原的原料要求。
表1铁精矿化学成分(质量分数)Table1Chemicalcompositionofraw
materials%TFeFeOSiO2Al2O3CaOMgO66.7224.733.870.70
0.540.29MnOK2ONa2OPSLOI0.160.0510.180.0310.0290.97
表2铁精矿粒度分布Table2Sizedistributionofmagnetiteconcentrate%
＞0.147mm0.147～0.074mm0.074～0.044mm0.044～0.037mm＜0.037
mm0.6310.3716.534.6767.8
表3膨润土的主要化学成分Table3Chemicalcompositionof
bentonite%Fe2O3SiO2Al2O3CaOMgO2.6960.4315.601.743.88
K2ONa2OPSLOI0.771.840.160.0311.80
表4膨润土的主要物理性能Table4Physicalandchemicalpropertiesof
bentonite胶质价/(mL·(3g)-1)96膨胀容/(mL·g-1)吸水率/%10.4346.9吸兰量
/(g·(100g)-1)蒙脱石质量分数/%粒度＜0.074mm膨润土质量分数/%30.569
99.9
由表3～4可知：试验所用膨润土主要成分为硅、铝，其含量占总量的76%左右，
粒度较小，0.074mm以下粒级含量达到99.9%。
1.2研究方法
试验流程如图1所示，配料量为5kg，膨润土质量分数为2%，造球水份(质量分
数)为7.5%，所用造球机的圆盘直径为1.0m，造球时间20min。预热、焙烧试
验在卧式管状电炉中进行，条件为：预热温度900℃，预热10min，焙烧15
min。采用LeicaDMRXP型偏反两用显微镜对球团矿进行矿相研究。
图1试验流程图Fig.1Flowsheetofexperiment
根据前期的研究工作[10-11]，确定还原条件为温度900℃，还原气成分为34%
H2，34%CO，30%N2和2%CO2，气基还原炉装置如图2所示。不同时间还
原率的计算方法为：
其中：Δmt为球团还原时间t时的质量损失，g；Δm为球团完全还原时的理论质
量损失，g。
图2气基直接还原装置示意图Fig.2Schematicdiagramofapparatus
2试验结果与分析
2.1焙烧温度对球团性质的影响
为研究不同焙烧温度对氧化球团性质的影响，选择膨润土质量分数2.0%、预热温
度900℃、预热时间10min、焙烧时间15min条件下进行试验。焙烧温度(1
100～1250℃)对氧化球团孔隙率、Fe3O4含量(质量分数)及球团抗压强度影响
分别如图3和图4所示。
图3焙烧温度对球团孔隙率及Fe3O4含量的影响Fig.3Effectsofroast
temperatureonporosityandFe3O4contentofpellets
图4焙烧温度对球团抗压强度的影响Fig.4Effectofroasttemperatureon
compressivestrength
由图3可知：随着焙烧温度的改变，球团孔隙率在26.68%～15.58%之间变化，
并且随温度的升高呈减小趋势；而球团中Fe3O4含量也随着温度的升高而减少，
当焙烧温度为1100℃时，Fe3O4含量为10.85%，1150℃焙烧时为3.74%，1
200℃时减少为0.88%；温度继续升高到1250℃时球团中Fe3O4含量变成
0.26%，这说明氧化过程进行得比较彻底。由图4可知：各温度下焙烧所得球团
都具有较大强度，基本都在2kN及以上；而随着焙烧温度的升高，球团抗压强度
明显提高。
不同焙烧温度下球团边缘及中心的显微结构如图5所示。由图5(a)和5(b)可见：
当焙烧温度1100℃时，结晶状况不佳，球团边缘晶粒多呈独立结构仅有少量细
颗粒之间存在互联，孔隙为大孔、小孔和晶粒间缝隙3种共存状态，其中以晶粒
间缝隙数量居多，而球团中心颗粒间相互独立的状态愈加明显，孔隙以晶粒间宽大
裂缝为主。当焙烧温度1150℃时(图5(c)和5(d))，晶粒间出现互联状态，晶间
裂缝缩小，孔隙同样以大孔、小孔和晶粒间缝隙3种共存状态，但晶粒间缝隙明
显减少，而由晶粒互联形成的小孔增多；当焙烧温度继续升高至1200℃(图5(e)
和5(f))，球团结构有明显改善，之前的晶粒间裂缝结构已经消失，由于晶粒间互
联形成的大、小孔洞均匀分布在整个区域，而在球团中心渣相与赤铁矿物相呈交替
的分布状态；当焙烧温度为1250℃时(图5(g)和5(h))，由于晶粒间的进一步迁
移长大，球团内部小孔明显减少，仅存少量大孔，渣相、赤铁矿以及孔隙在球团内
部均匀分布，使球团矿具有较大的强度。
由以上研究可知：一方面，随着焙烧温度的升高磁铁矿颗粒氧化以及结晶互联更完
全，使得球团结构更加致密；另一方面，温度的升高可增大球团内部起粘结作用的
液相量，并改善其在球团内部的分布状况，从而使得球团内部孔隙率减小以及强度
提高。
图5不同焙烧温度下球团显微结构Fig.5Microstructureofpelletsroastedat
differenttemperatures
2.2不同焙烧温度下球团的还原行为
2.2.1球团焙烧温度对还原速率的影响
根据前期的研究工作，确定还原温度为900℃，还原气氛成分(体积分数)为34%
H2，34%CO，30%N2，2%CO2。不同氧化焙烧温度下球团矿的还原曲线如图
6所示。
图6不同焙烧温度下球团的还原率Fig.6Reductionrateofpelletsroastedat
differenttemperatures
由图6可知：在还原过程前期，还原速率最快；随着时间的延长，还原速率逐渐
变慢直至还原过程结束。不同焙烧温度制备球团的还原速率存在差异，于1200℃
焙烧球团的还原速率最快(50min还原率达到97.35%)，其次为1150℃和1
250℃焙烧球团(50min还原率分别为94.46%和92.48%)，还原最慢的为1100℃
下焙烧球团，其50min还原率仅为85.1%。
在相同的还原条件下，球团的还原过程存在差异，主要在于还原之前氧化球团的性
质有差异。于1200℃焙烧的球团氧化充分，Fe3O4含量少(质量分数为0.88%)，
而且孔隙较发达并分布均匀，为还原气体的扩散提供了良好的通道，此时，球团具
有良好的还原性，因此，其还原速率最快。于1150℃焙烧的球团虽然孔隙数量
及分布状态与1200℃时的相似，但是，该球团中心残留的尚未完全氧化的
Fe3O4(质量分数为3.74%)影响了本身的还原性[12-13]，使还原速率变慢。当焙
烧温度升高至1250℃时，晶粒间进一步互联长大、熔融渣相数量及流动性增强，
一方面，使得球团内部结构致密、孔隙率明显减少，影响到还原气体在球团内部的
扩散；另一方面，由于部分的铁进入相对稳定的渣相使得还原过程难度加大[14-
16]。而在1100℃焙烧时，球团中心残留较多未被氧化的Fe3O4(质量分数为
10.85%)是影响其还原速率的主要原因。
2.2.2还原过程动力学
为了确定不同温度焙烧球团还原过程的限制性环节，了解直接还原过程的机理，对
球团还原动力学进行研究。采用收缩未反应核模型[17-19]，即假设组成球团的颗
粒为球形，并以收缩未反应核模型来求解反应的相关参数。
先将图6所示的还原率转换成还原分数x，分别用界面化学反应控制的函数、内扩
散控制的函数和混合控制的函数(式(1)～(3))：对反应时间t作图，以得到较好的
直线，找出最吻合的速率控制模型[10]。
不同焙烧温度下球团还原的1-(1-x)1/3与t的拟合曲线如图7所示。从图7可知：
焙烧温度为1100，1150和1200℃时，还原过程中1-(l-x)1/3与t的线性关
系最好；而当焙烧温度为1250℃时，在还原过程前期1-(1-x)1/3与t的线性关
系最好；在还原后期，1-(1-x)2/3-2x/3与t的线性关系最好(如图8所示)。
由图7可知：在1100，1150和1200℃条件下焙烧的球团其还原过程受界面
化学反应控制；而1250℃下焙烧的球团在还原过程前期(30min，还原率0～
68.59%)受界面化学反应控制，后期(还原率＞68.59%)受内扩散控制。由图7和
图8中拟合直线的斜率可得出各球团还原反应速率常数k及内扩散系数De(表5)。
图7不同焙烧温度下球团还原的1-(1-x)1/3与t的拟合Fig.7Relationship
between1-(1-x)1/3andtimeatdifferentroasttemperatures
图8于1250℃焙烧球团还原后期1-(1-x)2/3-2x/3与t的拟合Fig.8
Relationshipbetween1-(1-x)2/3-2x/3andtimeroastedat1250℃(final
stage)
表5各焙烧温度下球团还原的表观速率常数及内扩散系数Table5Apparent
rateconstantanddiffusioncoefficientatdifferentroasttemperatures焙烧
温度/℃速率常数k/(µm·min-1)内扩散系数De/(cm2·min-1)110092.6—1
150124.0—1200141.8—1250106.10.0066
由以上分析可知，不同的焙烧制度会引起氧化球团各方面性质的差异，如氧化结晶
状况、孔隙及其分布、渣相的数量以及分布状态等，而这些方面差异同样会影响其
后续的还原过程，具体表现在影响还原速率及还原过程控制环节等许多方面。因此，
在保证氧化球团的强度等基本性能的基础上，应优化焙烧制度，使球团内部形成合
理结构以利于后续还原的同时，达到节能减排的目的。
3结论
(1)随着焙烧温度的升高，氧化球团抗压强度增大，球团内Fe3O4含量及孔隙率
则明显降低。温度升高时，一方面，磁铁矿颗粒氧化结晶更完全；另一方面，球团
内部黏结相增多且分布均匀，从而使得球团内部孔隙率减小结构更加致密。
(2)于1200℃焙烧球团氧化充分且具有良好的孔隙结构还原性最好，其次为1
150℃和1250℃，还原最慢的为1100℃条件下焙烧球团。
(3)当氧化焙烧温度为1100，1150和1200℃时，球团的还原过程受界面化学
反应控制；而1250℃焙烧球团在还原过程前期(还原率0～68.59%)受界面化学
反应控制，后期(还原率＞68.59%)受内扩散控制。
(4)在球团生产过程中应适当优化焙烧制度，在使球团内部形成合理结构以利于后
续还原的同时，达到节能减排的目的。
【相关文献】
[1]范晓慧,邱冠周,姜涛,等.我国直接还原铁生产的现状与发展前景[J].炼铁,2002,21(3):53-
o-hui,QIUGuan-zhou,JIANGTao,tstatusanddevelopment
prospectofironoredirectreduction[J].Ironmaking,2002,21(3):53-56.
[2]黄柱成.冷固结球团直接还原技术及其应用[D].长沙:中南大学资源加工与生物工程学院,2002:
-bondedpelletcoal-baseddirectreductiontechnologyand
application[D].Changsha:ofMineralsProcessingand
Bioengineering,2002:6-10.
[3]傅菊英,姜涛,朱德庆.烧结球团学[M].长沙:中南工业大学出版社,1996:-ying,
JIANGTao,ingandpelleting[M].Changsha:CentralSouthUniversity
ofTechnologyPress,1996:281-286.
[4]叶匡梧.努力推进我国球团矿的生产[J].烧结球团,2007,32(5):y
pushforwardthepelletsproductionofourcountry[J].SinteringandPelleting,2007,32(5):
1-5.
[5]王莜留.钢铁冶金学(炼铁部分)[M].北京:冶金工业出版社,2005:u-liu.
FerrousMetallurgy(Ironmaking)[M].Beijing:MetallurgicalIndustryPress,2005:87-95.
[6]张一敏.球团理论与工艺[M].北京:冶金工业出版社,2002:ory
andtechnicsofpelleting[M].Beijing:MetallurgyIndustryPress,2002:15-24.
[7]肖琪.球团理论与实践[M].长沙:中南工业大学出版社,1991:and
practiceofpelletizing[M].Changsha:CentralSouthUniversityofTechnologyPress,1991:
93-97.
[8]黄柱成,吕丽丽,朱良柱,等.新生Fe2O3对磁铁精矿预热球团强度的影响[J].中南大学学报:自
然科学版,2011,42(5):hu-cheng,LÜLi-li,ZHULiang-zhu,
ofneonatalFe2O3onpreheatedmagnetiteconcentratepelletsstrength[J].Journalof
CentralSouthUniversity:ScienceandTechnology,2011,42(5):1175-1180.
[9]陈许玲,甘敏,范晓慧,等.有机粘结剂氧化球团固结特性及强化措施[J].中南大学学报:自然科学
版,2009,40(3):-lin,GANMin,FANXiao-hui,tionproperties
oforganic-binderoxidatepelletsandstrengthenmeasures[J].JournalofCentralSouth
University:ScienceandTechnology,2009,40(3):550-555.
[10]YILing-yun,HUANGZhu-cheng,mentalresearchonthenovel
processofironoredirectreductionbycoalgas[J].AdvancedMaterialsResearch,2011:
311/312/313:891-897.
[11]黄柱成,易凌云,彭虎,等.铁矿球团煤制气直接还原试验研究[C]//全国非高炉炼铁年会,北京,
2010:hu-cheng,YILing-yun,mentalresearchondirect
reductionofironorepelletsbycoalgas[C]//TheNationalAnnualMeetingofNon-blast
g,2010:174-179.
[12]HiguchiK,nceofsinteringconditionsonthereductionbehavior
ofpurehematitecompacts[J].MineralsEngineering,2003,16:463-477.
[13]WANGHai-tao,soffiringandreductionconditionsonswellingand
ironwhiskerformationduringthereductionofironoxidecompact[J].ISIJInternational,
2011,51(6):906-912.
[14]El-GeassyAA,nceoforiginalstructureonthekineticsand
mechanismsofcarbonmonoxidereductionofhematitecompacts[J].ISIJInternational,
1990,30(6):417-425.
[15]HsiehLH,ingconditionsforsimulatingtheformationofmineral
phasesinindustrialironoresinter[J].ISIJInternational,1989,29(1):24-32.
[16]DwarapudiS,GhoshTK,ShankarA,ofpelletbasicityandMgOcontent
onthequalityandmicrostructureofhematitepellets[J].InternationalJournalofMineral
Processing,2011,99(1/2/3/4):43-53.
[17]庞建明,郭培民,赵沛,等.氢气还原氧化铁动力学的非等温热重方法研究[J].钢铁,2009,44(2):
an-ming,GUOPei-min,ZHAOPei,csofreductionofhematite
byH2usingnonisothermalthermogravimetricmethod[J].IronandSteel,2009,44(2):11-
15.
[18]郭宇锋.钒钛磁铁矿固态还原强化及综合利用研究[D].长沙:中南大学资源加工与生物工程学院,
2007:nstrengthenthesolid-statereductionand
comprehensiveutilizationofvanadiferoustianomagnetite[D].Changsha:CentralSouth
ofMineralsProcessingandBioengineering,2007:35-41.
[19]莫鼎成.冶金动力学[M].长沙:中南工业大学出版社,1987:-cheng.
Metallurgicalkinetics[M].Changsha:CentralSouthUniversityofTechnologyPress,1987:
193-207.