矿粉中的四种水分对球团生产的影响

郭会良，纪召毅，亓 磊，徐佳峰，吴 艳

（山东泰山钢铁集团有限公司，山东 济南271100）

1 球团矿粉成球作用

铁矿粉的成球是球团生产的首要环节，它是在多种力的共同作用下完成的，包括宏观方面的机械力和微观方面的分子间作用力，机械力主要有物质的重力、摩擦力、支持力等，而分子间的作用力主要是水分、粘结剂与矿粉产生的毛细力、吸附力、化学反应力等，多种力的作用影响了矿粉成球性能。另外，原料种类、加量、物化性质、设备类型及操作参数等也是影响成球性能的重要原因。成球性能的好坏对后续作业的影响也是深远的，这种影响在干燥、预热、焙烧等都能表现出来，甚至影响作用在冶炼阶段得到叠加，因此，铁矿粉的成球在冶金行业钢铁生产中起到关键作用。

矿粉需要在一定的粘结力作用下才能相互粘结或滚动成球，这种粘结力主要靠矿粉中的水分来提供，水分不仅自身存在粘性，在与矿粉结合时也能促使矿粉中不饱和键的形成，从而增强粘结作用。但是水分也能起到相反的作用，大量水分的聚集能导致矿粉的溶解，从而降低粘结效果，所以了解不同水分的分类和作用对矿粉成球至关重要。

2 矿粉中水分的分类及其作用

2.1 吸附水特性

水分作为矿物中的重要组成部分，其理化性质对矿物的各项性能产生一定影响，尤其是对矿物的表面性质和矿物颗粒群之间的作用力等。当颗粒与水分子接触时颗粒的表面性质与水分子的特性是影响彼此之间作用效果的重要因素。颗粒是具有一定外形尺寸和形貌的固体物质，除了粒径和粒度分布外比表面积也是颗粒性质的重要表现指标，比表面积是颗粒表面积与质量的比值，一般颗粒粒度越小，比表面积越大。通常颗粒呈电中性，但是经过破碎后产生了大量的新表面，这些表面的产生都是来自于原颗粒的断裂面，而断裂面在断裂之前存在一定的分子力或化学键，新表面的产生意味着这些作用力消失，分子间作用力或化学键产生了断裂，形成了大量不饱和键，具有一定能量，即表面能。表面能的产生是由于表面分子处在不均衡力的作用下，因此，在其周围会产生一定的力场，对周围产生电场力和机械力的作用。

分子根据结构特点可分为非极性分子和极性分子，非极性分子内各原子以共价键结合，电荷分布均匀，正负电荷中心重合，通常分子空间结构为中心对称。极性分子是电荷分布不均匀，正负电荷中心不重合。在极性分子内会产生一定的偶极性，即正负电荷中心不一致时产生电荷分离的现象，当分子一端为正电荷区域时，另一端为负电荷区域，但整体正负电荷的电量相等，整个分子仍为电中性，当产生偶极性时分子会在静电力作用下产生静电吸附或排斥现象。非极性分子中也会出现偶极性，虽然在分子中正负电荷中心一致，但由于电子做无规则运动，会产生顺时正负电荷中心不一致现象，即产生顺时偶极矩。另外，在周围极性分子的影响下也会产生电子的定向运动，从而产生感应偶极性。

颗粒表面存在一定范围的力场，水分子具有一定的极性，当两者相互靠近并接触时会在静电力的作用下产生相互吸引，从而使得水分子定向排列并均匀平铺在颗粒表面，形成具有一定固体性质的水分子层，这部分水分子称为吸附水。吸附水不参与组成晶格，其含量也不固定，当温度达到100～110 ℃时，吸附水就全部逸出；在水分逸出时，并不引起矿物品格的破坏，吸附水一般呈液态，但也可以呈气态或固态存在。

吸附水在颗粒表面的排列见图1，颗粒表面力场的作用范围极小，一般在1Å（10-8cm）以内，而水分子的直径较大，因此，表面力场一般仅作用于单层水分子，在静电力的作用下定向排列。第一层水分子的排列较为紧密，几乎全部覆盖颗粒表面，水分子完全失去运动特性，与固体物质极为类似，仅保留一定的弹性，又被称为固态水。该层密度较大，一般在1.2～2.4 g/cm3，一般颗粒粒度越小、表面能越大，吸附水的密度越大。当第一层水分子吸附到颗粒表面后会在静电力的作用下产生一定的偶极性，在远离颗粒表面的一端感应出正负电荷，由于这些水分子具有固体物质的性质，会产生固体颗粒表面力场的效果，因此，在静电力的作用下第二层水分子也会产生定向吸附。第二层的吸附与第一层不同，仅靠静电力产生吸附效果，而第一层有表面力场的作用，第二层水分子之间的作用力减小，彼此间距略有增加，固体性质下降，运动特性增强，密度略有下降。根据相同的作用，第三层、第四层等逐渐产生静电吸附，但是随着吸附层数的增加水分子定向排列现象逐渐减弱，逐渐恢复成为自由移动的水分子。

图1 矿物表面水分子的分布

虽然颗粒表面力场和静电力的作用范围极小，但是其作用力非常大，吸附在颗粒表面第一层的水分子要想完全除去需要106 J 以上是能量，但是随着颗粒与水分子之间距离的增加作用力急剧下降（见图2），当两者间距达到十几个水分子直径大小时两者之间几乎不产生力的作用，因此，当两颗粒间距离极小时其彼此吸附作用会较大。要使得两颗粒在自然状态下相互接近必须降低其粒度，通常当两颗粒直径在1 mm左右时即使两者间距极小也难以产生成球效果，而当颗粒粒度降至1 μm时，彼此接近后会产生一定的吸附力，进而形成结构紧密的集合体。

2.2 薄膜水特性

图2 不同水分子间的作用力

吸附水层的厚度随着矿物成分或亲水性有所不同，同时也随着料层中相对水蒸汽压力的增加而增大，当相对水蒸汽压达到100%时的吸附水含量达到最大值，称为最大吸附水，吸附水膜的厚度在（30～400）×10-8mm，一般相当于10～140 个水分子的厚度。当固体颗粒表面达到最大吸附水层后，还有未平衡掉的力，如颗粒表面的引力、吸附水内层的分子引力等，这些力与吸附水之间的作用力相比较小，同样能使水分子发生定向排列，但是排列方向性较差，结构较为松弛，这些水称为薄膜水。在薄膜水内层与吸附水交界处，其分界线不明显，相互之间的作用力也能达到吸附水的层次，但是薄膜水的平均密度较小，仅在1.25 g/cm3左右，另外，薄膜水存在固液两方面的性质，这是由于具有一定的定向排列性，固体性质较为明显，但是在一定压力下具有弹性，形变性较强，具有一定的液体性能。

薄膜水重要的特点之一是具有迁移性，即在一个矿物表面自发转移到另一矿物表面。在自然分散的矿物颗粒表面，薄膜水的厚度有较大差异（见图3），甲乙两矿物颗粒的大小相等，性质相同，但是甲颗粒薄膜水厚度较厚，当两颗粒相互靠近使得薄膜水相互接触时，其交点A处的薄膜水受力不均匀，由于离乙颗粒较近，受到乙的范德华力较大，使得A点水分向乙颗粒迁移。随着迁移的进行，两颗粒薄膜水重合的区域变大，从而促使两颗粒的薄膜水趋于相等。薄膜水在两颗粒之间的迁移极为缓慢，这是由于薄膜水兼具固体和液体的性质，比普通水具有更大的粘滞性。每个颗粒都有引力作用范围，对进入该范围的水分子起到吸引的作用，从而产生薄膜水，当两颗粒相互靠近使得ac（见图3）距离小于它们的引力范围ab和cd之和时，会产生一定的引力重合区域，即debf，该区域内的水分同时受到两颗粒的引力，水分的粘滞性更大，两颗粒的结合力增加，因此，在造球过程中矿物颗粒之间距离越小，其引力重合面积越大，水分的粘滞性增大，颗粒结合越为紧密，生球强度越好。

薄膜水根据受力大小和位置可分为强结合水和弱结合水，强结合水位于薄膜水内侧，与吸附水接触一层或多层水膜。强结合水排列相对紧密，分子不能自发运动，在较强外力作用下能产生一定的位置转换和形变，其导电性较弱，冰点在零度以下。弱结合水为薄膜水的外层，厚度是强结合水的3～10倍，平均层间距是强结合水的2～5倍，具有较弱的流动性，水分子定向排列较差。

图3 薄膜水在颗粒之间的迁移

通常将吸附水和强结合水之和称为最大分子结合水，见表1。当矿物颗粒达到最大分子结合水后其吸附能力降低，但是颗粒表现为一定的塑性性能，在一定的外力作用下会产生颗粒之间的粘结，从而使得颗粒逐渐长大，此时会表现为较强的成球效果。而弱结合水在这一过程中有的被较强的外力干扰从而与颗粒分离，有的则进入颗粒之间的间隙，成为球团的重要组成成分。

表1 球团中主要成分的水分含量

2.3 毛细水特性

在薄膜水外侧，水分子不受颗粒的引力作用，但是在固液、气液或三相交界面上会受到表面力的作用，这些水分称为毛细水，见图4。毛细水比吸附水和薄膜水多，一般当两颗粒之间的距离在0～1 mm 时会大量存在，而当两颗粒距离较大时会使表面力降低，转化成自由移动的水分。

图4 颗粒之间的毛细水

根据毛细水与颗粒的相对位置可将毛细水分为触点状毛细水、蜂窝状毛细水和饱和毛细水。触点状毛细水是指当两颗粒接触时在接触点附近存在的水分，当两颗粒相互接触后周围存在半封闭的空间，而空间相对狭小，有毛细水存在的前提条件，因此，在该区域容易出现毛细水的聚集，此时的毛细水存在一定的间断性，为不连续的集合体。见图5，两球型颗粒接触点为A，在点A上下各形成一定的接触式毛细水，由于毛细水存在表面张力作用，使得在毛细水上表面出现一定的凹液面，称为弯液面。弯液面存在一定的曲率半径，与颗粒表面和空气性质有关，而接触点到曲率半径最低点的距离称为触点水环半径，数值越大，触点状毛细水的含量越大。弯液面所对的圆心角用θ表示，θ越大，两颗粒的接触力越大，宏观表现形式为生球强度增加。

图5 触点状毛细水的参数

当两接触的颗粒逐渐分离时接触点消失，被分离的接触状毛细水重新变为连续的水体，当两颗粒间距小于1 mm 且中间充满水分时，称为蜂窝状毛细水，两颗粒之间的空间称为毛细管。毛细水可在毛细管内自由移动，也可传递某些力的作用，蜂窝状毛细水同样存在弯液面，由于表面张力的作用弯液面存在自发缩小的趋势，因此在蜂窝状毛细水的上表面会产生一定的聚合力，聚合力的作用使得两颗粒逐渐靠拢，而在毛细管内部，由于聚合力的作用使得两颗粒对毛细管产生压力，促使毛细管变窄，这个力称为毛细压力。在聚合力的作用下，颗粒之间的粘结力更强，促使颗粒形成更大的集合体。

饱和毛细水是指两颗粒间毛细水达到理论的最大值，此时两颗粒之间的距离称为极限距离，当继续增大距离时毛细水现象被破坏，成为彼此分离的自由水，球团工艺中各物质的最大毛细水见表1。当物质达到最大毛细水时彼此之间也存在一定的粘结力，但是此时粘结力较小，完全由水分子的粘性提供，并非是成球过程的最佳状态，一般在触点状毛细水和蜂窝状毛细水时物质具有极强的成球性能和成球速度。

2.4 重力水特性

当颗粒达到最大毛细水后处于水分的饱和状态，继续增加水分则不能被毛细力束缚，只能在重力或压力差的作用下沿着颗粒表面或缝隙移动，这种水称为重力水或自由水。重力水完全表现为液态水的性质，如导电性、沸点、粘性、密度与普通水一致，重力水会产生一定的浮力且对接触的物质产生溶解的作用，会使得颗粒变的松散，因此，重力水对成球过程是有害的。在实际生产中会由于加水的不均匀性导致局部重力水的产生，会使得该区域泥化现象严重，随着造球的进行会产生大型颗粒或流动的泥浆，常见的处理措施是微调水分的添加量，使得后续物料对重力水产生稀释的作用，从而消除影响，或者直接取出少量泥化物质，重新分散或晾干后进入流程中。

3 结 语

总体来说，矿粉中的四种水分对球团生产有利的为薄膜水和毛细水，它们都有利于颗粒之间的聚集并提高颗粒群的强度；而吸附水属于固态水，对球团的成球无利也无害，但在干燥阶段会吸收一定的热量来进行相变转化；重力水完全属于有害水，在生产中要尽量减少其含量。一般在理想状态下，重力水的含量为零，毛细水、薄膜水和吸附水含量依次降低。