礦粉中的四種水分對球團生產(chǎn)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(chǎn)的首要環(huán)節(jié)，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(zhì)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(jié)劑與礦粉產(chǎn)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(zhì)、設備類型及操作參數(shù)等也是影響成球性能的重要原因。成球性能的好壞對后續(xù)作業(yè)的影響也是深遠的，這種影響在干燥、預熱、焙燒等都能表現(xiàn)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(yè)鋼鐵生產(chǎn)中起到關(guān)鍵作用。

礦粉需要在一定的粘結(jié)力作用下才能相互粘結(jié)或滾動成球，這種粘結(jié)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(jié)合時也能促使礦粉中不飽和鍵的形成，從而增強粘結(jié)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(jié)效果，所以了解不同水分的分類和作用對礦粉成球至關(guān)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(zhì)對礦物的各項性能產(chǎn)生一定影響，尤其是對礦物的表面性質(zhì)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(zhì)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(zhì)，除了粒徑和粒度分布外比表面積也是顆粒性質(zhì)的重要表現(xiàn)指標，比表面積是顆粒表面積與質(zhì)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(jīng)過破碎后產(chǎn)生了大量的新表面，這些表面的產(chǎn)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(chǎn)生意味著這些作用力消失，分子間作用力或化學鍵產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生一定的力場，對周圍產(chǎn)生電場力和機械力的作用。

分子根據(jù)結(jié)構(gòu)特點可分為非極性分子和極性分子，非極性分子內(nèi)各原子以共價鍵結(jié)合，電荷分布均勻，正負電荷中心重合，通常分子空間結(jié)構(gòu)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(nèi)會產(chǎn)生一定的偶極性，即正負電荷中心不一致時產(chǎn)生電荷分離的現(xiàn)象，當分子一端為正電荷區(qū)域時，另一端為負電荷區(qū)域，但整體正負電荷的電量相等，整個分子仍為電中性，當產(chǎn)生偶極性時分子會在靜電力作用下產(chǎn)生靜電吸附或排斥現(xiàn)象。非極性分子中也會出現(xiàn)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(guī)則運動，會產(chǎn)生順時正負電荷中心不一致現(xiàn)象，即產(chǎn)生順時偶極矩。另外，在周圍極性分子的影響下也會產(chǎn)生電子的定向運動，從而產(chǎn)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(chǎn)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(zhì)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(tài)，但也可以呈氣態(tài)或固態(tài)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(nèi)，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(zhì)極為類似，僅保留一定的彈性，又被稱為固態(tài)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?shù)谝粚铀肿游降筋w粒表面后會在靜電力的作用下產(chǎn)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(zhì)的性質(zhì)，會產(chǎn)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(chǎn)生定向吸附。第二層的吸附與第一層不同，僅靠靜電力產(chǎn)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(zhì)下降，運動特性增強，密度略有下降。根據(jù)相同的作用，第三層、第四層等逐漸產(chǎn)生靜電吸附，但是隨著吸附層數(shù)的增加水分子定向排列現(xiàn)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(chǎn)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(tài)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(chǎn)生成球效果，而當顆粒粒度降至1 μm時，彼此接近后會產(chǎn)生一定的吸附力，進而形成結(jié)構(gòu)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(nèi)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(fā)生定向排列，但是排列方向性較差，結(jié)構(gòu)較為松弛，這些水稱為薄膜水。在薄膜水內(nèi)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(zhì)，這是由于具有一定的定向排列性，固體性質(zhì)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(fā)轉(zhuǎn)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(zhì)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(qū)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(zhì)，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(chǎn)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(chǎn)生一定的引力重合區(qū)域，即debf，該區(qū)域內(nèi)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(jié)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(jié)合越為緊密，生球強度越好。

薄膜水根據(jù)受力大小和位置可分為強結(jié)合水和弱結(jié)合水，強結(jié)合水位于薄膜水內(nèi)側(cè)，與吸附水接觸一層或多層水膜。強結(jié)合水排列相對緊密，分子不能自發(fā)運動，在較強外力作用下能產(chǎn)生一定的位置轉(zhuǎn)換和形變，其導電性較弱，冰點在零度以下。弱結(jié)合水為薄膜水的外層，厚度是強結(jié)合水的3～10倍，平均層間距是強結(jié)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(jié)合水之和稱為最大分子結(jié)合水，見表1。當?shù)V物顆粒達到最大分子結(jié)合水后其吸附能力降低，但是顆粒表現(xiàn)為一定的塑性性能，在一定的外力作用下會產(chǎn)生顆粒之間的粘結(jié)，從而使得顆粒逐漸長大，此時會表現(xiàn)為較強的成球效果。而弱結(jié)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(cè)，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(zhuǎn)化成自由移動的水分。

圖4 顆粒之間的毛細水

根據(jù)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(qū)域容易出現(xiàn)毛細水的聚集，此時的毛細水存在一定的間斷性，為不連續(xù)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(xiàn)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(zhì)有關(guān)，而接觸點到曲率半徑最低點的距離稱為觸點水環(huán)半徑，數(shù)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(xiàn)形式為生球強度增加。

圖5 觸點狀毛細水的參數(shù)

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?yōu)檫B續(xù)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(nèi)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(fā)縮小的趨勢，因此在蜂窩狀毛細水的上表面會產(chǎn)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(nèi)部，由于聚合力的作用使得兩顆粒對毛細管產(chǎn)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(jié)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(xù)增大距離時毛細水現(xiàn)象被破壞，成為彼此分離的自由水，球團工藝中各物質(zhì)的最大毛細水見表1。當物質(zhì)達到最大毛細水時彼此之間也存在一定的粘結(jié)力，但是此時粘結(jié)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(tài)，一般在觸點狀毛細水和蜂窩狀毛細水時物質(zhì)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(tài)，繼續(xù)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(xiàn)為液態(tài)水的性質(zhì)，如導電性、沸點、粘性、密度與普通水一致，重力水會產(chǎn)生一定的浮力且對接觸的物質(zhì)產(chǎn)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(chǎn)中會由于加水的不均勻性導致局部重力水的產(chǎn)生，會使得該區(qū)域泥化現(xiàn)象嚴重，隨著造球的進行會產(chǎn)生大型顆?；蛄鲃拥哪酀{，常見的處理措施是微調(diào)水分的添加量，使得后續(xù)物料對重力水產(chǎn)生稀釋的作用，從而消除影響，或者直接取出少量泥化物質(zhì)，重新分散或晾干后進入流程中。

3 結(jié) 語

總體來說，礦粉中的四種水分對球團生產(chǎn)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(tài)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(zhuǎn)化；重力水完全屬于有害水，在生產(chǎn)中要盡量減少其含量。一般在理想狀態(tài)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。