制粒小球的行為對燒結制粒過程的影響

薛成大，徐佳鋒，張海敬，孟海燕

（1 山東泰威冶金材料制造有限公司，山東濟南 271100；2 山東泰山鋼鐵集團有限公司，山東濟南 271100）

1 前 言

制粒過程是影響燒結指標的重要因素。在混合制粒過程中，混合料中的顆粒分為核顆粒、中間顆粒和黏附粉。核顆粒單體體積較大，也有可能是彼此連接緊密的組合顆粒，黏附粉的粒度最小，多數為粉狀的鐵精礦、焦粉、熔劑等，中間顆粒是除核顆粒和黏附粉之外的其他顆粒，其粒度居中間。在制粒過程中，核顆粒居于小球中心，黏附粉以物理作用吸附在核顆粒的表面，隨著黏附粉的增加，制粒小球粒度和體積變大。通常核顆粒與黏附粉之間沒有嚴格的界線，隨原料的粒度分布而不同，當原料粒度普遍較大時，核顆粒的粒度也隨著變大。根據研究，混合料中＞0.7 mm的顆粒成為核顆粒的概率較大，＜0.2 mm 的顆粒絕大多數為黏附粉，兩者之間的為中間顆粒，因此，0.7 mm、0.2 mm可作為3種顆粒的分界線。

2 制粒小球物化性質的差異

制粒小球的粒度組成有一個共性，即不同粒級的制粒小球中含量最多為＜0.5 mm的粉末，其次為與制粒小球同粒級的顆粒和比制粒小球小一粒級的顆粒，這就使得＜0.5 mm的粉末在制粒小球中顯得格外重要，其物理化學性質的變化對制粒過程影響極大。一般情況下，＜0.5 mm的粉末大都為黏附粉，所以，黏附粉的穩定對于制粒和燒結的質量提升具有重要意義。

制粒小球中黏附粉的化學成分是影響燒結指標的重要因素，在制粒后不同粒級的小球中均有黏附粉的存在，將各粒級小球分級后提取出相應的黏附粉，對其進行化學成分分析，具體數據見表1。從表中可以看出，黏附粉的化學成分在各粒級中均勻分布，這是由于在各種原燃物料中＜0.5 mm的粒級產品相對穩定，在經過混合后黏附粉可以充分混勻，各區域的物理化學性質相對穩定，制粒后均勻黏附在核顆粒上形成小球。

表1 制粒小球中黏附粉的化學成分 %

制粒小球作為燒結過程中物料的重要載體，其化學成分的穩定同樣至關重要，將其按粒度分級后分別進行檢測，數據見表2。大顆粒（＞5 mm）中，Fe、SiO2的含量明顯較多，而CaO 和C 的含量較少，這主要是由于大顆粒中其核顆粒主要是粗粒的鐵礦石或脈石礦物，主要成分就是Fe 和SiO2，這就導致其含量明顯升高。而在其他細粒物料中，核顆粒多為較細的鐵礦石、熔劑、固體燃料等，而且黏附粉的含量相對較大，從而使得以細粒為主的熔劑、固體燃料的化學成分相應升高。

表2 各粒級小球的化學成分 %

3 不同因素對制粒過程的影響

在制粒過程中，判定制粒效果的參數有平均粒徑、形狀系數、粒度組成、干粉脫粉率、孔隙率等，其中平均粒徑和細粒級含量是影響燒結過程的重要參數，平均粒徑過小，整體含粉率過大，導致燒結時料層的透氣性不佳。

3.1 黏附粉的影響

黏附粉作為混合料的重要組成成分，其性質對制粒小球的平均粒徑影響關系見圖1。

圖1 黏附粉比表面積對制粒效果的影響

比表面積是指單位質量物料所具有的總面積，對于理想的非孔性物質只有外表面積，而對于多孔性物料還需要考慮孔洞內的面積，即內表面積。在實際生產中，尤其針對燒結混合料，屬于多孔性物料，數值越大，表面積越大，物質的孔洞越多；另一方面，比表面積越大，也可表明物料的粒度越小。從圖1 中可以看出，黏附粉的比表面積越大，制粒后-1 mm 含量就越少，小球的平均粒徑就越大，這是由于黏附粉比表面積升高后其表面孔洞增加，可吸附更多的游離水，水分子具有一定的黏性，更容易與其他顆粒結合形成更大的顆粒，這就導致微細粒含量下降，同時使得制粒小球的整體粒徑升高。由此可知，要強化制粒過程，提高黏附粉的比表面積或降低黏附粉的粒徑是重要的途徑。

3.2 孔隙率的影響

制粒小球的孔隙率是指在其堆積過程中孔隙體積與堆積總體積的比值，它是影響強化制粒和燒結指標的重要參數。孔隙率較大時，堆積顆粒彼此之間存在較大間隔，整個料層松軟，透氣性增大，不利于熱量的利用；而孔隙率較小時，堆積料層密實，孔洞較少，透氣性下降，惡化燒結指標。由于制粒小球的體積較小，堆積時相互擠壓使孔隙小而多，進而使得游離水產生毛細現象進行填充，因此，假設孔隙全部充滿游離水，其計算公式如下：

式中：ε為孔隙率，%；ρd為制粒小球的堆密度，kg/m3；ρs為制粒小球的視密度，kg/m3；ω為制粒小球的含水率，%；ρz為制粒小球的真密度，kg/m3；ρg為水密度，kg/m3。

一般認為，固體物質的孔隙率與空間利用率和填充率類似，即固體物質真實體積或孔隙體積與占有的空間體積的比值，孔隙率越大，空間利用率和填充率越小。通常情況下，制粒后小球的孔隙率40%～50%，這也是物料的最適孔隙率，過大或過小都會影響物料的燒結指標。孔隙率是制粒小球堆積后的結果，因此，制粒小球的物理性質對孔隙率有極大的影響，尤其是制粒小球的粒度分布。圖2中＜1 mm 的粒級屬于細粒級產品，其含量的增加可大大降低整體的孔隙率，這是由于制粒小球的粒徑大都在3 mm 以上，當這些大顆粒堆積時產生大量縫隙，細顆粒會填充在縫隙中導致大量剩余空間被充分利用，進而提高填充率，降低孔隙率。

圖2 不同粒級含量對孔隙率的影響

混合料中＞3 mm的小球對孔隙率的影響較為復雜，如圖2所示。當混合料中＞3 mm的物料含量較少且逐漸增加時，其孔隙率逐漸降低，這是由于大小顆粒之間產生了鑲嵌堆積，即小顆粒填充在大顆粒之間，使得整體填充率上升，隨著＞3 mm粒級含量的增加，小顆粒含量減少，鑲嵌堆積作用減弱，孔隙率上升，當＞3 mm粒級達到80%以后，其孔隙率達到最高值并基本趨于穩定。

混合料作為一個整體，不同粒級的制粒小球均勻分布，其相互作用下對孔隙率的影響是巨大的，為了研究這種作用，將整體物料進行篩分，分別以＞8 mm、＞5 mm、＞3 mm 作為基準顆粒，然后配加50%的其他顆粒，其孔隙率的變化如圖3。當以＞8 mm為基準顆粒并配加50%的2 mm制粒小球時，其孔隙率達到最小值，隨著配加粒級的增加，孔隙率逐漸增加，當配加粒級在6 mm 左右時達到孔隙率的最高值，進而逐漸下降。以＞3 mm 為基準顆粒時，其表現出的趨勢與＞8 mm類似，只是曲線略有左移。當以+5 mm為基準顆粒時，其變化趨勢較為復雜，分別在1.5、3、4.5 mm處出現拐點。

圖3 不同粒級配加時的相互影響

4 孔隙率對制粒的影響機理

為了進一步說明鑲嵌堆積對孔隙率影響，假設制粒小球為規則的球形，相互堆積時緊密排列（相切），其孔隙部分為3個小球中間的區域，見圖4。假設制粒小球的直徑為R，三角虛線的面積為，而空白面積則為R2/4-πR2/8 ，其孔隙率近似等于兩數比值，即9.36%。當該空白區域被某一內切小球占據，內切小球的最大直徑r為，近似為0.08R，此時其孔隙率達到最小值，該值為8.37%，與未鑲嵌小球時降低了0.99%。因此，當粗顆粒與小于其直徑的0.08 倍的細顆粒配加時可明顯降低孔隙率。但當粗顆粒與較大顆粒鑲嵌（大球鑲嵌）時，其孔隙率隨著鑲嵌顆粒的增大而降低，一般認為，當大顆粒直徑是粗顆粒直徑的1/2～2/3 時達到孔隙率的最小值。因此，當制粒小球以粗顆粒5～8 mm為主且孔隙率較低時，可適當增加-1 mm的粒級含量或降低2～4 mm粒級含量。

圖4 鑲嵌堆積原理

在優化配料過程中，制粒小球的行為是影響燒結質量的首要因素，而制粒小球的物理化學性質則通過配料的參數確定，因此，保障配料的穩定是制粒小球穩定的前提。另外，制粒小球對燒結過程的影響是多方面的，包括自身的因素和潛在的操作因素，這就使得考慮制粒小球行為的同時需要結合現場實際情況，做到參數與操作的有機結合。

5 結 語

在生產中，為了優化制粒過程，需要做到如下幾點：（1）保證多種原材料的均勻混合，切勿出現嚴重偏析的現象。（2）要想強化制粒過程，提高黏附粉的比表面積或降低黏附粉的粒徑是重要的途徑。（3）孔隙率對制粒過程影響較為復雜，需要合理配置不同粒級的產品的比例。