郭會(huì)良，紀(jì)召毅，亓 磊，徐佳峰，吳 艷

（山東泰山鋼鐵集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南271100）

1 球團(tuán)礦粉成球作用

鐵礦粉的成球是球團(tuán)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(jī)械力和微觀方面的分子間作用力，機(jī)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(xì)力、吸附力、化學(xué)反應(yīng)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(shè)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(duì)后續(xù)作業(yè)的影響也是深遠(yuǎn)的，這種影響在干燥、預(yù)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(dòng)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(shí)也能促使礦粉中不飽和鍵的形成，從而增強(qiáng)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(dǎo)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(duì)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(duì)礦物的各項(xiàng)性能產(chǎn)生一定影響，尤其是對(duì)礦物的表面性質(zhì)和礦物顆粒群之間的作用力等。當(dāng)顆粒與水分子接觸時(shí)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(biāo)，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(xué)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(xué)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(huì)產(chǎn)生一定的力場(chǎng)，對(duì)周圍產(chǎn)生電場(chǎng)力和機(jī)械力的作用。

分子根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(jià)鍵結(jié)合，電荷分布均勻，正負(fù)電荷中心重合，通常分子空間結(jié)構(gòu)為中心對(duì)稱。極性分子是電荷分布不均勻，正負(fù)電荷中心不重合。在極性分子內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一定的偶極性，即正負(fù)電荷中心不一致時(shí)產(chǎn)生電荷分離的現(xiàn)象，當(dāng)分子一端為正電荷區(qū)域時(shí)，另一端為負(fù)電荷區(qū)域，但整體正負(fù)電荷的電量相等，整個(gè)分子仍為電中性，當(dāng)產(chǎn)生偶極性時(shí)分子會(huì)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(huì)出現(xiàn)偶極性，雖然在分子中正負(fù)電荷中心一致，但由于電子做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生順時(shí)正負(fù)電荷中心不一致現(xiàn)象，即產(chǎn)生順時(shí)偶極矩。另外，在周圍極性分子的影響下也會(huì)產(chǎn)生電子的定向運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生感應(yīng)偶極性。

顆粒表面存在一定范圍的力場(chǎng)，水分子具有一定的極性，當(dāng)兩者相互靠近并接觸時(shí)會(huì)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(dāng)溫度達(dá)到100～110 ℃時(shí)，吸附水就全部逸出；在水分逸出時(shí)，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(chǎng)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(chǎng)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(yùn)動(dòng)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(dāng)?shù)谝粚铀肿游降筋w粒表面后會(huì)在靜電力的作用下產(chǎn)生一定的偶極性，在遠(yuǎn)離顆粒表面的一端感應(yīng)出正負(fù)電荷，由于這些水分子具有固體物質(zhì)的性質(zhì)，會(huì)產(chǎn)生固體顆粒表面力場(chǎng)的效果，因此，在靜電力的作用下第二層水分子也會(huì)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(chǎng)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(yùn)動(dòng)特性增強(qiáng)，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(fù)成為自由移動(dòng)的水分子。

圖1 礦物表面水分子的分布

雖然顆粒表面力場(chǎng)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(dāng)兩者間距達(dá)到十幾個(gè)水分子直徑大小時(shí)兩者之間幾乎不產(chǎn)生力的作用，因此，當(dāng)兩顆粒間距離極小時(shí)其彼此吸附作用會(huì)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(dāng)兩顆粒直徑在1 mm左右時(shí)即使兩者間距極小也難以產(chǎn)生成球效果，而當(dāng)顆粒粒度降至1 μm時(shí)，彼此接近后會(huì)產(chǎn)生一定的吸附力，進(jìn)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(shí)也隨著料層中相對(duì)水蒸汽壓力的增加而增大，當(dāng)相對(duì)水蒸汽壓達(dá)到100%時(shí)的吸附水含量達(dá)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(dāng)于10～140 個(gè)水分子的厚度。當(dāng)固體顆粒表面達(dá)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(dá)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(qiáng)，具有一定的液體性能。

薄膜水重要的特點(diǎn)之一是具有遷移性，即在一個(gè)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(dāng)兩顆粒相互靠近使得薄膜水相互接觸時(shí)，其交點(diǎn)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(diǎn)水分向乙顆粒遷移。隨著遷移的進(jìn)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(gè)顆粒都有引力作用范圍，對(duì)進(jìn)入該范圍的水分子起到吸引的作用，從而產(chǎn)生薄膜水，當(dāng)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(shí)，會(huì)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(shí)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(qiáng)度越好。

薄膜水根據(jù)受力大小和位置可分為強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水，強(qiáng)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(qiáng)結(jié)合水排列相對(duì)緊密，分子不能自發(fā)運(yùn)動(dòng)，在較強(qiáng)外力作用下能產(chǎn)生一定的位置轉(zhuǎn)換和形變，其導(dǎo)電性較弱，冰點(diǎn)在零度以下。弱結(jié)合水為薄膜水的外層，厚度是強(qiáng)結(jié)合水的3～10倍，平均層間距是強(qiáng)結(jié)合水的2～5倍，具有較弱的流動(dòng)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(qiáng)結(jié)合水之和稱為最大分子結(jié)合水，見表1。當(dāng)?shù)V物顆粒達(dá)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(huì)產(chǎn)生顆粒之間的粘結(jié)，從而使得顆粒逐漸長(zhǎng)大，此時(shí)會(huì)表現(xiàn)為較強(qiáng)的成球效果。而弱結(jié)合水在這一過程中有的被較強(qiáng)的外力干擾從而與顆粒分離，有的則進(jìn)入顆粒之間的間隙，成為球團(tuán)的重要組成成分。

表1 球團(tuán)中主要成分的水分含量

2.3 毛細(xì)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(huì)受到表面力的作用，這些水分稱為毛細(xì)水，見圖4。毛細(xì)水比吸附水和薄膜水多，一般當(dāng)兩顆粒之間的距離在0～1 mm 時(shí)會(huì)大量存在，而當(dāng)兩顆粒距離較大時(shí)會(huì)使表面力降低，轉(zhuǎn)化成自由移動(dòng)的水分。

圖4 顆粒之間的毛細(xì)水

根據(jù)毛細(xì)水與顆粒的相對(duì)位置可將毛細(xì)水分為觸點(diǎn)狀毛細(xì)水、蜂窩狀毛細(xì)水和飽和毛細(xì)水。觸點(diǎn)狀毛細(xì)水是指當(dāng)兩顆粒接觸時(shí)在接觸點(diǎn)附近存在的水分，當(dāng)兩顆粒相互接觸后周圍存在半封閉的空間，而空間相對(duì)狹小，有毛細(xì)水存在的前提條件，因此，在該區(qū)域容易出現(xiàn)毛細(xì)水的聚集，此時(shí)的毛細(xì)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(diǎn)為A，在點(diǎn)A上下各形成一定的接觸式毛細(xì)水，由于毛細(xì)水存在表面張力作用，使得在毛細(xì)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(diǎn)到曲率半徑最低點(diǎn)的距離稱為觸點(diǎn)水環(huán)半徑，數(shù)值越大，觸點(diǎn)狀毛細(xì)水的含量越大。彎液面所對(duì)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(qiáng)度增加。

圖5 觸點(diǎn)狀毛細(xì)水的參數(shù)

當(dāng)兩接觸的顆粒逐漸分離時(shí)接觸點(diǎn)消失，被分離的接觸狀毛細(xì)水重新變?yōu)檫B續(xù)的水體，當(dāng)兩顆粒間距小于1 mm 且中間充滿水分時(shí)，稱為蜂窩狀毛細(xì)水，兩顆粒之間的空間稱為毛細(xì)管。毛細(xì)水可在毛細(xì)管內(nèi)自由移動(dòng)，也可傳遞某些力的作用，蜂窩狀毛細(xì)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(shì)，因此在蜂窩狀毛細(xì)水的上表面會(huì)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(xì)管內(nèi)部，由于聚合力的作用使得兩顆粒對(duì)毛細(xì)管產(chǎn)生壓力，促使毛細(xì)管變窄，這個(gè)力稱為毛細(xì)壓力。在聚合力的作用下，顆粒之間的粘結(jié)力更強(qiáng)，促使顆粒形成更大的集合體。

飽和毛細(xì)水是指兩顆粒間毛細(xì)水達(dá)到理論的最大值，此時(shí)兩顆粒之間的距離稱為極限距離，當(dāng)繼續(xù)增大距離時(shí)毛細(xì)水現(xiàn)象被破壞，成為彼此分離的自由水，球團(tuán)工藝中各物質(zhì)的最大毛細(xì)水見表1。當(dāng)物質(zhì)達(dá)到最大毛細(xì)水時(shí)彼此之間也存在一定的粘結(jié)力，但是此時(shí)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(diǎn)狀毛細(xì)水和蜂窩狀毛細(xì)水時(shí)物質(zhì)具有極強(qiáng)的成球性能和成球速度。

2.4 重力水特性

當(dāng)顆粒達(dá)到最大毛細(xì)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(xì)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(dòng)，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(dǎo)電性、沸點(diǎn)、粘性、密度與普通水一致，重力水會(huì)產(chǎn)生一定的浮力且對(duì)接觸的物質(zhì)產(chǎn)生溶解的作用，會(huì)使得顆粒變的松散，因此，重力水對(duì)成球過程是有害的。在實(shí)際生產(chǎn)中會(huì)由于加水的不均勻性導(dǎo)致局部重力水的產(chǎn)生，會(huì)使得該區(qū)域泥化現(xiàn)象嚴(yán)重，隨著造球的進(jìn)行會(huì)產(chǎn)生大型顆?；蛄鲃?dòng)的泥漿，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(duì)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(jìn)入流程中。

3 結(jié) 語

總體來說，礦粉中的四種水分對(duì)球團(tuán)生產(chǎn)有利的為薄膜水和毛細(xì)水，它們都有利于顆粒之間的聚集并提高顆粒群的強(qiáng)度；而吸附水屬于固態(tài)水，對(duì)球團(tuán)的成球無利也無害，但在干燥階段會(huì)吸收一定的熱量來進(jìn)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(xì)水、薄膜水和吸附水含量依次降低。