礦粉中的四種水分對球團生產的影響

郭會良，紀召毅，亓 磊，徐佳峰，吳 艷

（山東泰山鋼鐵集團有限公司，山東 濟南271100）

1 球團礦粉成球作用

鐵礦粉的成球是球團生產的首要環節，它是在多種力的共同作用下完成的，包括宏觀方面的機械力和微觀方面的分子間作用力，機械力主要有物質的重力、摩擦力、支持力等，而分子間的作用力主要是水分、粘結劑與礦粉產生的毛細力、吸附力、化學反應力等，多種力的作用影響了礦粉成球性能。另外，原料種類、加量、物化性質、設備類型及操作參數等也是影響成球性能的重要原因。成球性能的好壞對后續作業的影響也是深遠的，這種影響在干燥、預熱、焙燒等都能表現出來，甚至影響作用在冶煉階段得到疊加，因此，鐵礦粉的成球在冶金行業鋼鐵生產中起到關鍵作用。

礦粉需要在一定的粘結力作用下才能相互粘結或滾動成球，這種粘結力主要靠礦粉中的水分來提供，水分不僅自身存在粘性，在與礦粉結合時也能促使礦粉中不飽和鍵的形成，從而增強粘結作用。但是水分也能起到相反的作用，大量水分的聚集能導致礦粉的溶解，從而降低粘結效果，所以了解不同水分的分類和作用對礦粉成球至關重要。

2 礦粉中水分的分類及其作用

2.1 吸附水特性

水分作為礦物中的重要組成部分，其理化性質對礦物的各項性能產生一定影響，尤其是對礦物的表面性質和礦物顆粒群之間的作用力等。當顆粒與水分子接觸時顆粒的表面性質與水分子的特性是影響彼此之間作用效果的重要因素。顆粒是具有一定外形尺寸和形貌的固體物質，除了粒徑和粒度分布外比表面積也是顆粒性質的重要表現指標，比表面積是顆粒表面積與質量的比值，一般顆粒粒度越小，比表面積越大。通常顆粒呈電中性，但是經過破碎后產生了大量的新表面，這些表面的產生都是來自于原顆粒的斷裂面，而斷裂面在斷裂之前存在一定的分子力或化學鍵，新表面的產生意味著這些作用力消失，分子間作用力或化學鍵產生了斷裂，形成了大量不飽和鍵，具有一定能量，即表面能。表面能的產生是由于表面分子處在不均衡力的作用下，因此，在其周圍會產生一定的力場，對周圍產生電場力和機械力的作用。

分子根據結構特點可分為非極性分子和極性分子，非極性分子內各原子以共價鍵結合，電荷分布均勻，正負電荷中心重合，通常分子空間結構為中心對稱。極性分子是電荷分布不均勻，正負電荷中心不重合。在極性分子內會產生一定的偶極性，即正負電荷中心不一致時產生電荷分離的現象，當分子一端為正電荷區域時，另一端為負電荷區域，但整體正負電荷的電量相等，整個分子仍為電中性，當產生偶極性時分子會在靜電力作用下產生靜電吸附或排斥現象。非極性分子中也會出現偶極性，雖然在分子中正負電荷中心一致，但由于電子做無規則運動，會產生順時正負電荷中心不一致現象，即產生順時偶極矩。另外，在周圍極性分子的影響下也會產生電子的定向運動，從而產生感應偶極性。

顆粒表面存在一定范圍的力場，水分子具有一定的極性，當兩者相互靠近并接觸時會在靜電力的作用下產生相互吸引，從而使得水分子定向排列并均勻平鋪在顆粒表面，形成具有一定固體性質的水分子層，這部分水分子稱為吸附水。吸附水不參與組成晶格，其含量也不固定，當溫度達到100～110 ℃時，吸附水就全部逸出；在水分逸出時，并不引起礦物品格的破壞，吸附水一般呈液態，但也可以呈氣態或固態存在。

吸附水在顆粒表面的排列見圖1，顆粒表面力場的作用范圍極小，一般在1?（10-8cm）以內，而水分子的直徑較大，因此，表面力場一般僅作用于單層水分子，在靜電力的作用下定向排列。第一層水分子的排列較為緊密，幾乎全部覆蓋顆粒表面，水分子完全失去運動特性，與固體物質極為類似，僅保留一定的彈性，又被稱為固態水。該層密度較大，一般在1.2～2.4 g/cm3，一般顆粒粒度越小、表面能越大，吸附水的密度越大。當第一層水分子吸附到顆粒表面后會在靜電力的作用下產生一定的偶極性，在遠離顆粒表面的一端感應出正負電荷，由于這些水分子具有固體物質的性質，會產生固體顆粒表面力場的效果，因此，在靜電力的作用下第二層水分子也會產生定向吸附。第二層的吸附與第一層不同，僅靠靜電力產生吸附效果，而第一層有表面力場的作用，第二層水分子之間的作用力減小，彼此間距略有增加，固體性質下降，運動特性增強，密度略有下降。根據相同的作用，第三層、第四層等逐漸產生靜電吸附，但是隨著吸附層數的增加水分子定向排列現象逐漸減弱，逐漸恢復成為自由移動的水分子。

圖1 礦物表面水分子的分布

雖然顆粒表面力場和靜電力的作用范圍極小，但是其作用力非常大，吸附在顆粒表面第一層的水分子要想完全除去需要106 J 以上是能量，但是隨著顆粒與水分子之間距離的增加作用力急劇下降（見圖2），當兩者間距達到十幾個水分子直徑大小時兩者之間幾乎不產生力的作用，因此，當兩顆粒間距離極小時其彼此吸附作用會較大。要使得兩顆粒在自然狀態下相互接近必須降低其粒度，通常當兩顆粒直徑在1 mm左右時即使兩者間距極小也難以產生成球效果，而當顆粒粒度降至1 μm時，彼此接近后會產生一定的吸附力，進而形成結構緊密的集合體。

2.2 薄膜水特性

圖2 不同水分子間的作用力

吸附水層的厚度隨著礦物成分或親水性有所不同，同時也隨著料層中相對水蒸汽壓力的增加而增大，當相對水蒸汽壓達到100%時的吸附水含量達到最大值，稱為最大吸附水，吸附水膜的厚度在（30～400）×10-8mm，一般相當于10～140 個水分子的厚度。當固體顆粒表面達到最大吸附水層后，還有未平衡掉的力，如顆粒表面的引力、吸附水內層的分子引力等，這些力與吸附水之間的作用力相比較小，同樣能使水分子發生定向排列，但是排列方向性較差，結構較為松弛，這些水稱為薄膜水。在薄膜水內層與吸附水交界處，其分界線不明顯，相互之間的作用力也能達到吸附水的層次，但是薄膜水的平均密度較小，僅在1.25 g/cm3左右，另外，薄膜水存在固液兩方面的性質，這是由于具有一定的定向排列性，固體性質較為明顯，但是在一定壓力下具有彈性，形變性較強，具有一定的液體性能。

薄膜水重要的特點之一是具有遷移性，即在一個礦物表面自發轉移到另一礦物表面。在自然分散的礦物顆粒表面，薄膜水的厚度有較大差異（見圖3），甲乙兩礦物顆粒的大小相等，性質相同，但是甲顆粒薄膜水厚度較厚，當兩顆粒相互靠近使得薄膜水相互接觸時，其交點A處的薄膜水受力不均勻，由于離乙顆粒較近，受到乙的范德華力較大，使得A點水分向乙顆粒遷移。隨著遷移的進行，兩顆粒薄膜水重合的區域變大，從而促使兩顆粒的薄膜水趨于相等。薄膜水在兩顆粒之間的遷移極為緩慢，這是由于薄膜水兼具固體和液體的性質，比普通水具有更大的粘滯性。每個顆粒都有引力作用范圍，對進入該范圍的水分子起到吸引的作用，從而產生薄膜水，當兩顆粒相互靠近使得ac（見圖3）距離小于它們的引力范圍ab和cd之和時，會產生一定的引力重合區域，即debf，該區域內的水分同時受到兩顆粒的引力，水分的粘滯性更大，兩顆粒的結合力增加，因此，在造球過程中礦物顆粒之間距離越小，其引力重合面積越大，水分的粘滯性增大，顆粒結合越為緊密，生球強度越好。

薄膜水根據受力大小和位置可分為強結合水和弱結合水，強結合水位于薄膜水內側，與吸附水接觸一層或多層水膜。強結合水排列相對緊密，分子不能自發運動，在較強外力作用下能產生一定的位置轉換和形變，其導電性較弱，冰點在零度以下。弱結合水為薄膜水的外層，厚度是強結合水的3～10倍，平均層間距是強結合水的2～5倍，具有較弱的流動性，水分子定向排列較差。

圖3 薄膜水在顆粒之間的遷移

通常將吸附水和強結合水之和稱為最大分子結合水，見表1。當礦物顆粒達到最大分子結合水后其吸附能力降低，但是顆粒表現為一定的塑性性能，在一定的外力作用下會產生顆粒之間的粘結，從而使得顆粒逐漸長大，此時會表現為較強的成球效果。而弱結合水在這一過程中有的被較強的外力干擾從而與顆粒分離，有的則進入顆粒之間的間隙，成為球團的重要組成成分。

表1 球團中主要成分的水分含量

2.3 毛細水特性

在薄膜水外側，水分子不受顆粒的引力作用，但是在固液、氣液或三相交界面上會受到表面力的作用，這些水分稱為毛細水，見圖4。毛細水比吸附水和薄膜水多，一般當兩顆粒之間的距離在0～1 mm 時會大量存在，而當兩顆粒距離較大時會使表面力降低，轉化成自由移動的水分。

圖4 顆粒之間的毛細水

根據毛細水與顆粒的相對位置可將毛細水分為觸點狀毛細水、蜂窩狀毛細水和飽和毛細水。觸點狀毛細水是指當兩顆粒接觸時在接觸點附近存在的水分，當兩顆粒相互接觸后周圍存在半封閉的空間，而空間相對狹小，有毛細水存在的前提條件，因此，在該區域容易出現毛細水的聚集，此時的毛細水存在一定的間斷性，為不連續的集合體。見圖5，兩球型顆粒接觸點為A，在點A上下各形成一定的接觸式毛細水，由于毛細水存在表面張力作用，使得在毛細水上表面出現一定的凹液面，稱為彎液面。彎液面存在一定的曲率半徑，與顆粒表面和空氣性質有關，而接觸點到曲率半徑最低點的距離稱為觸點水環半徑，數值越大，觸點狀毛細水的含量越大。彎液面所對的圓心角用θ表示，θ越大，兩顆粒的接觸力越大，宏觀表現形式為生球強度增加。

圖5 觸點狀毛細水的參數

當兩接觸的顆粒逐漸分離時接觸點消失，被分離的接觸狀毛細水重新變為連續的水體，當兩顆粒間距小于1 mm 且中間充滿水分時，稱為蜂窩狀毛細水，兩顆粒之間的空間稱為毛細管。毛細水可在毛細管內自由移動，也可傳遞某些力的作用，蜂窩狀毛細水同樣存在彎液面，由于表面張力的作用彎液面存在自發縮小的趨勢，因此在蜂窩狀毛細水的上表面會產生一定的聚合力，聚合力的作用使得兩顆粒逐漸靠攏，而在毛細管內部，由于聚合力的作用使得兩顆粒對毛細管產生壓力，促使毛細管變窄，這個力稱為毛細壓力。在聚合力的作用下，顆粒之間的粘結力更強，促使顆粒形成更大的集合體。

飽和毛細水是指兩顆粒間毛細水達到理論的最大值，此時兩顆粒之間的距離稱為極限距離，當繼續增大距離時毛細水現象被破壞，成為彼此分離的自由水，球團工藝中各物質的最大毛細水見表1。當物質達到最大毛細水時彼此之間也存在一定的粘結力，但是此時粘結力較小，完全由水分子的粘性提供，并非是成球過程的最佳狀態，一般在觸點狀毛細水和蜂窩狀毛細水時物質具有極強的成球性能和成球速度。

2.4 重力水特性

當顆粒達到最大毛細水后處于水分的飽和狀態，繼續增加水分則不能被毛細力束縛，只能在重力或壓力差的作用下沿著顆粒表面或縫隙移動，這種水稱為重力水或自由水。重力水完全表現為液態水的性質，如導電性、沸點、粘性、密度與普通水一致，重力水會產生一定的浮力且對接觸的物質產生溶解的作用，會使得顆粒變的松散，因此，重力水對成球過程是有害的。在實際生產中會由于加水的不均勻性導致局部重力水的產生，會使得該區域泥化現象嚴重，隨著造球的進行會產生大型顆粒或流動的泥漿，常見的處理措施是微調水分的添加量，使得后續物料對重力水產生稀釋的作用，從而消除影響，或者直接取出少量泥化物質，重新分散或晾干后進入流程中。

3 結 語

總體來說，礦粉中的四種水分對球團生產有利的為薄膜水和毛細水，它們都有利于顆粒之間的聚集并提高顆粒群的強度；而吸附水屬于固態水，對球團的成球無利也無害，但在干燥階段會吸收一定的熱量來進行相變轉化；重力水完全屬于有害水，在生產中要盡量減少其含量。一般在理想狀態下，重力水的含量為零，毛細水、薄膜水和吸附水含量依次降低。