粉末冶金- 粉体成型

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定义粉体成型是指粒度较细的粉体物料加水润湿后，借助于外力将其加工成具有一定尺寸和形状的块状物体的过程。2粉体成型6/13/20211湖北工业大学王志伟 功能使粉末成为具有一定尺寸和形状的块状物体成型制品具有一定的机械强度，以保证制品在工艺流程中转运和进一步加工时，其尺寸与形状不会破坏；赋予制品进一步加工的良好加工性能6/13/20212湖北工业大学王志伟 成型是一个中间环节，原料的性能不同、制品的用途不同，粉体成型方法也不尽相同。按照外力施加方式的不同分为：滚动成型、压力成型按照润湿程度不同分为：半干法（物料水分5%左右）可塑法（物料水分15%左右）注浆法（物料水分40%左右）2.1粉体成型的基本方法6/13/20213湖北工业大学王志伟 定义滚动成型属半干法成型，是将粉状物料加水润湿，在不断滚动的过程中，由机械力和毛细力共同作用而成型，常用于冶金过程的原料预处理，制品为对尺寸要求不很严格的球状物料。2.1.1滚动成型6/13/20214湖北工业大学王志伟 说明：在冶金工业的球团生产中，滚动成型称为造球，目的是将粒度为－0.075mm约占80%以上的细磨精矿制成9-15mm的球团矿；烧结生产中，滚动成型称为制粒，目的是将0-10mm的粉矿中的细粒物料粘附于粗颗粒上，形成制粒小球，以改善烧结过程的透气性。6/13/20215湖北工业大学王志伟 滚动成型设备及工艺原理主要设备圆盘造球机和圆筒造球机（或制粒机）工艺原理相同点：造球机旋转时，物料靠造球机内壁摩擦而上升运动至一定高度，然后物料靠重力而向下滚动，当物料滚动到造球机下部时，又靠造球机内壁摩擦而上升运动，如此循环往复，由于水分的作用，物料在滚动过程中互相粘附成型。6/13/20216湖北工业大学王志伟 不同点：圆盘具有自动分级的特点，成型生球粒度较均匀。圆筒卸出的生球粒度差别大，作为造球设备，生球必须经过筛分，不合格生球返回圆筒造球机；作为制粒设备，卸出的制粒小球则直接进入下一道工序。6/13/20217湖北工业大学王志伟 定义压制成型是指借助于机械压力和模型将粉体加工成规定尺寸和形状的制品的过程，广泛应用于粉末冶金、耐火材料、建筑材料、型煤生产等工业中，也可以用于生产规模较小的冶金原料预处理工艺。2.1.2压制成型6/13/20218湖北工业大学王志伟 压制成型的方法机压成型可塑成型注浆成型等静压成型振动成型捣打成型挤压成型对辊成型,等6/13/20219湖北工业大学王志伟 机压成型法机压成型法是目前耐火材料生产中使用最多的成型方法。该方法使用压砖机和钢模具将粉体压制成坯体。因机压成型一般均指含水量为4%-9%的半干料成型方法，因而也称半干法成型。该法常用的设备有摩擦压砖机、杠杆压砖机和液压机等。6/13/202110湖北工业大学王志伟 机压成型法机压成型过程的实质是一个使物料内颗粒密集和空气排出、形成致密坯体的过程。机压成型的制品具有密度高、强度大、干燥收缩和烧成收缩小、制品尺寸容易控制等优点，所以该法在耐火材料生产中占主要地位。6/13/202111湖北工业大学王志伟 可塑成型法定义是指用含水量为16%以上呈塑性的泥料制成制品的方法。成型过程将预制好的物料投入挤泥机中，挤成泥条，然后切割，按所需要的尺寸制成荒坯，再将荒坯用压机压制，使物料具有规定的尺寸和形状。缺点坯体水分大，砖坯强度低，外形尺寸不准确，干燥过程复杂，收缩有时达到10%以上。6/13/202112湖北工业大学王志伟 注浆成型法定义将泥浆注入石膏模型，借助于模型吸水制成坯体的方法。注浆成型的方式有空心浇注、实心浇注、压力浇注、离心浇注、真空浇注等，其中空心浇注是最主要的浇注方式。6/13/202113湖北工业大学王志伟 注浆成型法空心浇注的特点石膏模不带任何型芯，所以又称单面浇注或单面吸浆。泥浆注入石膏模型后，在模腔内壁形成坯体的外形，适合于薄壁中空制品。实心浇注的特点石膏模腔内放置一个或几个型芯，以形成注件的内表面，所以又称为双面浇注或双面吸浆，适合于壁厚大件或外形复杂的制品。6/13/202114湖北工业大学王志伟 注浆成型的特点泥浆水分一般达40%左右，它主要用于生产中空壁薄的高级耐火制品及特种耐火制品，在陶瓷工业中，注浆成型是一种适应性大、生产效率高的成型方法。凡是形状复杂或不规则、以及薄胎等制品，均可采用注浆成型法来生产。6/13/202115湖北工业大学王志伟 等静压成型法定义应用帕斯卡原理，依靠高压液体或气体在粉体各个方向上施加等同压力进行成型的方法。常用的压力传递介质为液体。因刹车油或无水甘油的可压缩性极小，几乎可以把全部压力传递到弹性模具上，故多用这两种液体作为压力传递介质。6/13/202116湖北工业大学王志伟 等静压成型的特点粉体各部分受压均匀且压力很高，这样得到的制品密度高且均匀，从而使制品在烧成过程中的变形和收缩等大为减少，也不会出现一般成型法成型制品因密度差产生应力而导致的烧成裂纹。6/13/202117湖北工业大学王志伟 等静压成型方法按施压介质及成型温度可分为冷等静压成型法（介质为常温液体）和热等静压成型法（介质为气体，加压与加热同时进行）。通常所称等静压成型法是指冷等静压成型法。6/13/202118湖北工业大学王志伟 振动成型法定义利用振动作用使粉体成型方法。适用于形状复杂及大型的制品，也适用于密度相差不太悬殊的物料。由于成型时物料不受破坏，容易水化的物料如焦油白云石、焦油镁砂料等，多用此法成型。6/13/202119湖北工业大学王志伟 振动成型法原理是物料在频率很高（一般为3000-12000次/min）的振动作用下，质点相互撞击，动摩擦代替质点间的静摩擦，粉体变成具有流动性的颗粒，在自重和外力作用下逐渐堆集密实形成致密的制品。特点颗粒具有三维空间的活动能力，颗粒密集并填充于模型的各个角落而将空气排挤出去。在很小的单位压力下既可得到密度较高的制品。6/13/202120湖北工业大学王志伟 捣打成型法定义用手动、风动或电动捣锤将粉体捣实成型的方法。捣打成型法一般用于成型形状复杂、体积较大的制品。捣打成型的粉体水分大多控制在4%~6%的范围内，粉体的临界颗粒度比机压成型时要大，这有利于提高坯体的密度。6/13/202121湖北工业大学王志伟 挤压成型法定义强力挤压可塑性粉体使其通过孔模成型挤压成型与可塑成型都是采用可塑性粉体，两者的区别在于挤压成型需用强力挤压的挤压机，多用于特殊耐火材料的生产。特殊耐火材料用的原料大多属于瘠性料，不具有可塑性。在挤压成型前通常加入塑化剂或粘结剂使其成为可塑料，如糊精、工业糖浆、羧甲基纤维素、聚醋酸乙烯脂、聚乙烯醇等有机塑化剂。6/13/202122湖北工业大学王志伟 对辊成型对辊成型广泛应用于氮肥工业中的煤球生产、竖罐炼锌的制团等处理量较小的工艺。压团采用对辊压团机。团矿的成型压力、型态及大小等对团矿的强度、制团效率和蒸馏效率都有直接影响。6/13/202123湖北工业大学王志伟 2.2水分在成型的过程中的作用粉体物料的特性分散度大，比表面积大，具有较大的表面能。从热力学角度，高的比表面能是粉体成型的推动力。表面分子处于不均衡的力场中，当其与周围介质（气体或液体）接触时，颗粒表面就显示出电荷，并在颗粒表面的空间形成电场。6/13/202124湖北工业大学王志伟 粉体物料中水分的存在形式当干燥固体颗粒与水接触时，在电场范围内的极性水分子被吸附于颗粒表面，依次形成吸附水、薄膜水；水分进一步增加时，则在粉体中形成毛细水。水分使粉体颗粒相互靠近、粘结，在外力作用下完成粉体成型。6/13/202125湖北工业大学王志伟 颗粒表面极化水分子的排列及电分子力的分布情况6/13/202126湖北工业大学王志伟 2.2.1吸附水的特性及其作用1)吸附水的形成粉体颗粒表面带有电荷，在静电引力作用下具有偶极结构的水分子被吸附在固体颗粒的表面形成吸附水层，颗粒表面过剩能量因放出润湿热而减少。6/13/202127湖北工业大学王志伟 吸附水的形成不－定将颗粒放入水中，或往颗粒中加水，当干燥的颗粒与潮湿大气接触时，会吸附大气中的气态水分子。当相对水蒸汽压很低时，靠颗粒表面的离子和水的偶极分子之间的静电吸引形成单分子层吸附，这种吸引力的作用半径约1Å(10-10m)或几个Å。6/13/202128湖北工业大学王志伟 在距颗粒表面超出水分子直径的地方，被吸附的多水分子层是靠范德华力。被吸附的水偶极分子在吸附作用下失去了活动性，同时水偶极子以正极或负极靠拢吸着点而呈定向排列状态，第一层偶极分子吸引着第二层偶极分子，第二层又吸着第三层，以此类推。6/13/202129湖北工业大学王志伟 随着矿物成分或亲水性不同吸附水层的厚度不同，同时也随着料层中相对水蒸汽压力的增加而增大。吸附水层的厚度一般在0.002-0.008μm之间。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。6/13/202130湖北工业大学王志伟 2)吸附水的特性特点吸附水的性质不同于－般液态水的性质，常被称为固态水没有溶解盐类的能力没有从－个颗粒直接转移列另－个颗粒的能力，其转移只能以水蒸汽方式进行吸附水密度大于1（大约1.2-2.4），－般为1.5不导电，在低于零下78℃的温度时不结冰6/13/202131湖北工业大学王志伟 原因水分子力在极小的范围内作用力非常大例加，直接附着在固体表面的第－层分子水的作用力相当于980MPa，在受范德华力作用的地方，其作用半径的大小至少可达数个水分子直径。作用力虽与距离按六次方成反比的递减，但吸附水的偶极分子呈定向排列的静电引力给予了补充，产生了极大的力，使被吸附的多层水分子仍能牢固地保持在颗粒上。6/13/202132湖北工业大学王志伟 作用当细磨物料(颗粒直径约为0.1-1.0mm)呈砂粒状态时，如果仅含有吸附水，仍是散粒状。当细磨物料呈粘土状态时(颗粒直径约为1μm)，如果只含有吸附水，可以成为坚硬的固体。结论适宜滚动成型的物料层中，如果仅存在吸附水时则说明成型过程尚未开始。6/13/202133湖北工业大学王志伟 2.2.2薄膜水的特性及其作用1)薄膜水的形成固体颗粒表面达到最大吸附水层后，再进一步润湿颗粒，由于颗粒表面吸着吸附水后，还有存在未被平衡掉的静电引力（主要是颗粒表面的引力，其次是吸附水内层的分子引力），在这些残余静电引力的作用下，在吸附水的周围就形成薄膜水。6/13/202134湖北工业大学王志伟 2)薄膜水的特点残余静电引力较小使水分子定向排列较差，较松弛。薄膜水与颗粒表面的结合力比吸附水和颗粒表面的结合力要弱得多，但难使它从颗粒表面排出。薄膜水内层与最大吸附水相接，引力为304×104Pa，外层为61×104Pa。6/13/202135湖北工业大学王志伟 2)薄膜水的特点薄膜水的平均密度为1.25，溶解溶质的能力较弱，冰点为-4℃。在分子力的作用下，薄膜水可从水膜厚处移向水膜薄处。6/13/202136湖北工业大学王志伟 3)薄膜水的方式迁移相邻且直径相等的颗粒甲和乙，当甲颗粒薄膜水较乙颗粒薄膜水厚，颗粒甲薄膜水A开始向颗粒乙移动。直到两个颗粒的水膜厚度相等时为止，这种迁移速度非常缓慢。薄膜水由于受到表面引力的吸引，具有比普通水更大的粘滞性。6/13/202137湖北工业大学王志伟 当两个颗粒间的距离ac小于两个颗粒的表面引力半径ab、cd之和时，两颗粒间引力相互影响范围ebfd内的薄膜水，它同时受到两个颗粒的分子引力的作用，而具有更大的粘滞性。颗粒间距离越小，薄膜水的粘滞性就越大，颗粒就越不容易发生相对移动。对成型制品来说，制品的强度就越好。6/13/202138湖北工业大学王志伟 4)细磨物料成型后具有强度的原因吸附水和薄膜水合起来组成分子结合力，在力学上可以看作是颗粒的外壳。在外力作用下结合水和颗粒－起变形，并且分子水膜使颗粒彼此粘结。结论当物料达到最大分子结合水后，细磨物料就能在外力（搓揉滚压）的作用下表现出塑性性能，在造球机中，成球过程才明显开始。6/13/202139湖北工业大学王志伟 5)铁矿石及常用添加物的最大分子结合水含水量铁矿石磁铁矿最大分子结合水的含量最小褐铁矿最大分子结合水的含量最大，且其数值随着矿石粒度的减少而增大添加物膨润土因亲水性最好、比表面积最大，其分子结合水最大值，消石灰次之。6/13/202140湖北工业大学王志伟 2.2.3毛细水的特性及其作用1)毛细水的形成当细磨物料被润湿，并超过最大分子结合水时，物料层中就出现毛细水。它是颗粒表面引力作用范围以外的水分。毛细水的形成是靠表面张力的作用。毛细水是在直径为0.001～1mm的毛细管中，受毛细管引力作用保持的一种水分。根据物料的亲水性和毛细管的直径，其所受引力的大小在0.98×l04～2.45×104Pa之间。6/13/202141湖北工业大学王志伟 当颗粒被水润湿超过薄膜水时，在颗粒之间出现了毛细水，开始出现的毛细水叫做触点态毛细水，它使颗粒连系起来。6/13/202142湖北工业大学王志伟 继续增加水，在毛细水表面张力或外力作用，下使颗粒靠拢，在它们之间形成蜂窝状毛细水，毛细水在颗粒之间开始连接起来，可以迁移。6/13/202143湖北工业大学王志伟 进一步润湿，则出现了饱和毛细水，这时达到了最大毛细水含量。6/13/202144湖北工业大学王志伟 2)毛细水的作用毛细水能够在毛细压和能引起毛细管形状和尺寸改变的外力作用下发生迁移。毛细力将水滴周围的颗粒拉向水滴中心，而形成小球。在造球过程中，毛细水起着主导作用。当物料润湿到毛细水阶段，物料的成球过程才获得应有的发展，物料的成球速度决定于毛细水的迁移速度。6/13/202145湖北工业大学王志伟 2.2.4重力水的特性及其作用1)重力水的形成当细磨物料层完全为水所饱和，即超过最大毛细水含量之后，超过的水分子不能为毛细管引力所保持，而受重力的支配，沿着颗粒间大孔隙向下移动，这种水分叫做重力水。2)重力水的作用重力水在成球过程中是有害的。6/13/202146湖北工业大学王志伟 2.2.5水分对成型过程的作用毛细力将颗粒拉向水滴而成球，范德华力能使颗粒粘在一起。毛细水在形成生球的过程中起主要作用。分子水在某种程度上能增加生球的机械强度。重力水对成球过程是有害的颗粒表面上的吸附水、薄膜水、毛细水和重力水的总和称为全水量。6/13/202147湖北工业大学王志伟 2.3粉体成型机理2.3.1滚动成型机理在烧结、球团生产中，成球是将物料加水润湿，在机械力和毛细力作用下滚动而形成－定粒度的生球，它是烧结、球团矿生产过程中的重要工序之－。生球质量的好坏在很大程度上影响着烧结矿、球团矿生产的产质量。生球质量受原料种类、物化特性、粘结剂种类和用量、成型设备工艺参数和操作等因素的影响。6/13/202148湖北工业大学王志伟 1)细磨物料的滚动成型造球机理细磨物料在成球过程中的行为成核湿料加到造球机中，或干料在造球机中加水润湿后，在滚动过程中，颗粒互相靠拢，由于颗粒之间机械力和毛细力的作用而聚集成核。6/13/202149湖北工业大学王志伟 细磨物料开始形成小球的过程称为成核过程。这是任何新球形成必不可少的过程。核的形成是造球的第一步，因此，核的形成速度与强度将影响生球的产质量。6/13/202150湖北工业大学王志伟 成层在连续往球核上加料加水的条件下，表面潮湿的核，由于毛细力的作用，在滚动时粘附上颗粒，使球的粒度连续增大。球核在滚动过程中，其表面聚集新料而逐渐长大的过程，称为成层长大。6/13/202151湖北工业大学王志伟 聚结生球长大是由于小的球核在造球机内“瀑布式”的料流中，互相碰撞和挤压，球核逐渐变得密实，毛细管中的水被挤到球表面，在继续碰撞中彼此聚结在一起，因而导致球的长大。球核的聚结是两个或多个球可核，以成对的或四面体的形式聚结在一起。几个小球核连结在一起叫聚结。球以聚结方式长大时，其长大速度比成层长大的快，成品的粒度范围比成层长大的宽。6/13/202152湖北工业大学王志伟 粉碎（散开）在造球过程中，部分原料虽然暂时聚集在一起，但由于水分少，毛细粘结力小，球核强度小，在其他球核的撞击下而破碎，已经形成的球核又被压碎。这部分散料在继续造球过程中会粘附到其他球核上。对于粒度较粗、亲水性较差或难成球的物料，球核破碎的几率很大，往往导致造球过程不能顺利进行，必须添加某些粘结剂以改善其成球性。6/13/202153湖北工业大学王志伟 破损已经形成的球，在继续长大过程中，由于冲击或碰撞而破裂成碎片，这种碎片往往形成球核或同其它的球聚结。若出现大量的球破碎，则说明造球机的工艺参数不适宜，必须加以调整。6/13/202154湖北工业大学王志伟 磨损已经形成的球，在继续长大中，有些球表面因水分不足或无粘结剂而粘附不牢，在互相磨剥过程中被磨损。这些磨损下来的粒子，又粘附到其它的球上。6/13/202155湖北工业大学王志伟 磨剥转移在造球过程中，球由于相互作用和磨剥，一定数量的物料从一个球转移到另一个球上，这称为“磨剥转移”。磨剥转移是在球相互碰撞时，非常少的物料从一个球的表面转移到另一个球的表面，不存在交换。6/13/202156湖北工业大学王志伟 生球的粘结机理生球依靠自然力把颗粒粘结在－起，并具有一定的强度。自然力中对颗粒粘结起主导作用的是界面力和毛细力。当物料颗粒之间孔隙中液体充满率较小时，颗粒间存在界面力和毛细力。如果孔隙完全被液体充满，并且液体表面呈弧形时，颗粒之间的粘结力主要为毛细力。6/13/202157湖北工业大学王志伟 两个大小相同球形颗粒之间形成－个双凹透镜形的液体连接桥。由于它的侧面是凹凸形的、所以具有两种曲率半径r1和r2。根据拉普拉斯公式：6/13/202158湖北工业大学王志伟 Pk为毛细压，凹液面毛细压为负，凸液面为正值。因为，那么就得出毛细力Fk为：两颗粒的三相（气液固）界面力FR为：6/13/202159湖北工业大学王志伟 总粘结力FH：FH=FK+FR=r1和r2与连接桥所对半角、接触角、颗粒直径d和两颗粒之间的距离a有关：当＝0o，a＝0及＝10o~40o时，6/13/202160湖北工业大学王志伟 当＝0o，a＝0，可以得出此时，颗粒之间连接桥非常小。当液固体积比（VL/VS）变小时，粘结力对距离比值的变化反应很灵敏。6/13/202161湖北工业大学王志伟 如果液体连接桥由于颗粒之间的距离增大而被拉长，当颗粒距离达到临界值时，连接桥变得不稳定而脱落。连接桥越小这种不稳定状态就越容易出现。这解释了生球水分太低生球强度小的原因。6/13/202162湖北工业大学王志伟 细磨物料的成球过程细磨物料造球分为连续造球和批料造球。成球过程大致可分为三个阶段，即成核阶段、球核长大阶段和生球紧密阶段。连续造球过程的三个阶段成核阶段当细磨物料表面达到最大分子结合水后，继续加水润湿，则在颗粒表面上裹上一层水膜。6/13/202163湖北工业大学王志伟 颗粒物料彼此有许多接触点，由于水膜的表面张力作用，在两颗颗粒之间便形成液体连接桥、使颗粒连接在－起。6/13/202164湖北工业大学王志伟 颗粒在造球机内通过运动，含有两颗或数颗颗粒的各个小水珠相互结合，形成了最初的聚集体。这种聚集体靠液体连接桥使各个颗粒呈网状地保持在一起。液体填充率仅20%左右，但聚集体是疏松的。6/13/202165湖北工业大学王志伟 在机械力的作用和增加水分的情况下，聚集体的粒子重新排列，部分孔隙被水充填，液体倾向融合，形成连续的水网。聚集体为蜂窝状毛细水所连接，当其中孔隙体积变小，形成坚实稳定的球核，又称母球。这就是成核阶段，成核的速度与物料的比表面积和水分有关。6/13/202166湖北工业大学王志伟 这时的球核仍然是由固一液一气三相组成，球核强度不高。这一阶段，具有决定意义的作用是润湿。6/13/202167湖北工业大学王志伟 球核长大阶段已经形成的球核，在机械力的作用下颗粒彼此靠拢、所有孔隙被水充满，球核内蜂窝状毛细水逐渐过渡到毛细管水。在球核表面孔隙中形成弯液面，由于毛细力将颗粒保持在一起。6/13/202168湖北工业大学王志伟 继续滚动球核进一步被压密，毛细管形状和尺寸的改变，使过剩的毛细水被挤到球核表面，并均匀地裹住球核。表面过湿的球核在滚动过程中粘上一层润湿程度较低的物料，使核长大，多次重复直到球中颗料间摩擦力比滚动成形机械压密作用力大为止。此后为使球继续长大，必须喷水，使表面充分润湿，球以成层方式长大。这一阶段，润湿作用和机械作用起着重大的影响。6/13/202169湖北工业大学王志伟 生球紧密阶段生球粒度符合要求后，便进入紧密阶段。利用造球机所产生滚动和搓动的机械作用，使生球内的颗粒发生选择性的按接触面积最大的排列，使生球内的颗粒被进一步压紧，并有可能使这些颗粒的薄膜水层相互接触，沿颗粒表面迁移，使几个颗粒同为一薄膜水层所包围，生球中各颗粒靠着分子力、毛细力和内摩擦阻力作用相互粘合起来。这些力的值越大，生球的机械强度就愈大。6/13/202170湖北工业大学王志伟 在这一阶段应该停止补充润湿，让生球中挤出来的多余水分为未充分润湿的物料层所吸收。在这一阶段，机械作用为决定性因素6/13/202171湖北工业大学王志伟 批料造球过程的三个阶段批料造球是将造球物料润湿到适宜的造球水后，一次性加入到造球机中，在造球过程中不再加水加料。批料造球分为成核阶段、过渡阶段和长大阶段。成核阶段成核阶段与连续造球过程中的成核阶段相同。6/13/202172湖北工业大学王志伟 过渡阶段球核形成后接着是过渡阶段。由于无新料和水加入，过湿的球核长大主要靠两个或几个球核相互聚结长大。少数球核在运动中被破碎，这些碎片或粉末又以聚结或成层的方式再分配到留下的球上。在这阶段球核表面有足够的水膜，在“瀑布式”料流中，球核相互碰撞时容易夹住水环而聚结。过渡阶段球长大最快。6/13/202173湖北工业大学王志伟 长大阶段球核表面水分减少，在碰撞时，聚结的效率逐渐降低，所以球长大的速度较慢，直到球中的水分不能再被机械作用力压出时为止。球聚结长大还与所产生的力矩有关，当力矩产生的分离力大于两个球毛细粘结力，聚结过程也会停止。批料造球获得的球粒度不均匀、形状不规整、强度低。批料造球方法一般只是实验室采用。6/13/202174湖北工业大学王志伟 批料造球时各个成球阶段平均粒径的变化6/13/202175湖北工业大学王志伟 细磨物料成球动力学成球动力学主要研究造球过程中生球生长速度。生球成长速度一般用单位时间，或者造球机每转一圈，生球直径平均增大毫米数表示。生球成长速度可按下式计算：式中：V--成长速度，mm/min或mm/转；D--生球平均直径mm；t--造球时间，minn--造球机转数，转。6/13/202176湖北工业大学王志伟 成球方式对成球动力学的影响连续造球时，生球平均直径是造球机转数的函数。生球的平均直径与造球机转数呈直线关系，说明连续造球中生球长大速度是均匀的。6/13/202177湖北工业大学王志伟 批料造球时，生球平均直径也是造球机转数的函数，但生球成长曲线显示出一个S形。说明生球成长速度在成核、过渡和长大阶段是不同的。成核阶段，长大速度是逐渐地增加，过渡阶段长大速度最快，生球长大阶段成长速度降低。6/13/202178湖北工业大学王志伟 水分对成球动力学的影响细磨物料造球，在很大程度上取决于物料水分含量。在不超过极限水分的范围内，随水分的增加成球速度加快，特别是批料造球时，水分的影响更明显。随着物料水分增加，球核聚结效果变好。物料水分不同，生球长大速度出现不同的波峰。随着物料水分的降低，过渡阶段延长，波峰降低，说明成长速度下降。水分愈低，曲线变化愈不明显，说明生球成长速度趋向均匀。6/13/202179湖北工业大学王志伟 不同含水量原料造球生球成长速率的变化6/13/202180湖北工业大学王志伟 粘结剂对成球动力学的影响造球常用粘结剂有膨润土、消石灰、佩利多等膨润土膨润土是一种良好的粘结剂，它能提高生球和干球的强度。但是降低生球成长速度，并随着膨润土用量增加，生球成长速度降低。6/13/202181湖北工业大学王志伟 膨润土降低生球成长速度的主要原因膨润土是层状结构、遇水后，不仅表面吸水，其晶层间也要吸附一定量的水分，成为层间结合水，因而减少了造球过程中的有效水，使生球成长速度降低。6/13/202182湖北工业大学王志伟 膨润土对成球动力学影响膨润土所吸附的阳离子不同对成球动力学影响不同。钙型膨润土对降低生球成长速度的影响比钠型膨润土的影响小。原因钠型膨润土电动电位高，水化膜较厚、能使更多的水分转化为水化膜中的弱结合水。6/13/202183湖北工业大学王志伟 消石灰消石灰也有降低生球成长速度的作用，但不如膨润土效果大。6/13/202184湖北工业大学王志伟 消石灰降低生球成长速度较膨润土小原因消石灰仅在颗粒周围形成弱的双电层结构的胶层，在造球过程中水分较易向生球表面迁移。生球成长速度较添加膨润土的快。例如添加1%和1.5%膨润土的生球成长速度仅为0.898mm/min和0.85mm/min添加3%和5%消石灰生球成长速度分别为1.75mm/min和1.12mm/min。6/13/202185湖北工业大学王志伟 佩利多6/13/202186湖北工业大学王志伟 佩利多佩利多是由纤维素基天然高分子聚合物经过化学变形而成，主要组分为含有大量羟基和羧基的长链分子。佩利多同样有固定水分的特性。造球物料中添加佩利多能引起生球成长速度降低。佩利多极性基团与水分子接触时，在很大范围内使水分子定向排列，将水束缚，虽用量很低，佩利多降低生球长大速度比膨润土更大。6/13/202187湖北工业大学王志伟 2)粉状物料滚动成型制粒机理制粒定义制粒就是将含有大量粉末的散粒物料群（0～10mm），借助于滚动成型工艺，使细粒粉末相互粘结，或者使细粒粉末粘附到较大颗粒上，使其整个物料群的平均直径增大，粒度范围变窄。6/13/202188湖北工业大学王志伟 作用制粒后的物料群少含甚至不含细粒粉末，气流通过的阻力较小，改善料层的流体动力学性质，为固体碳燃烧和热量传递创造良好条件。散粒物料的制粒对烧结生产极为重要，因为制粒效果影响烧结料层透气性的好坏，从而在很大程度上决定了垂直烧结速度，影响了烧结机的生产率及能耗。6/13/202189湖北工业大学王志伟 混合料制粒性能和效果的评价混合料粒度分布测定方法把制粒后的混合料烘干至残留水2%～3%，停放1小时后，在不破坏小球形态的情况下，用人工筛分分级，计算不同粒级的出量。评价指标一般认为烧结混合料的制粒小球中，2-5mm粒级应大于50%，平均直径d为2.4-2.6mm为宜。6/13/202190湖北工业大学王志伟 准颗粒指数GI用准颗粒指数GI表示细粉粘附程度作为评价指标。GI值愈大，则制粒效果愈好。式中，Al、B1---制粒前后0.5～0.25mm粒级百分含量A2、B2---制粒前后-0.25mm粒级百分含量。6/13/202191湖北工业大学王志伟 混合料中-0.25mm粒级的影响要比0.5～0.25mm粒级大得多，因此只取公式右边第二项来评价制粒效果，即：式中，A、B---制粒前后-0.25mm粒级的百分含量。6/13/202192湖北工业大学王志伟 透气性指数透气性指数J.P.U是以烧结混合料作填充层处理，测定在一定料层高度和一定抽风负压条件下通过料层的风量：式中，Q－通过料层风量，m3/min；A－抽风面积，m2；ΔP－抽风负压，mm水柱；H－装料高度，m。6/13/202193湖北工业大学王志伟 JPU与混合料粒度、GI间的关系J.P.U=-28.9＋17.7dJ.P.U=-104.6＋1.41GI制粒效率η1式中，q1、q2---制粒前后+3mm粒级的百分含量。6/13/202194湖北工业大学王志伟 制粒小球的结构结构示意图制粒小球的结构用“准颗粒模型”来描述。A---核粒B---全干颗粒C---制粒粒子6/13/202195湖北工业大学王志伟 准颗粒的组成起粒核作用的粗粒部分即使干燥也不剥落的细粉粘附的中间层，它包裹着核颗粒易碎裂的外层部分6/13/202196湖北工业大学王志伟 中间颗粒中间颗粒是指既不可作为核粒也不可作为粘附层的颗粒。中间颗粒比例大时，有害于烧结料透气性。大小：0.7mm-0.2mm的颗粒或2.0mm-0.5mm颗粒或介于粘附颗粒和核颗粒之间的分界颗粒6/13/202197湖北工业大学王志伟 分级系数起粒核作用的那部分颗粒所占的比例：式中mij---粒级为j的准颗粒中粒级为i颗粒的重量。ai=1时，表示全部为粒核颗粒；ai=0时，表示全部为粘附颗粒粒级。一般的烧结料中大部分是起粒核作用的颗粒，另一些颗粒则是起粘附作用。6/13/202198湖北工业大学王志伟 ai位于0与1之间，分级曲线可用一个标准的对数函数来表示：式中：X0.5－分级系数为0.5时的颗粒尺寸，其实质是中间颗粒的粒度。当颗粒为这种粒度时，该颗粒既可作为核颗粒，也可作为粘附颗粒，且两种可能性是相等的。X0.5的数值越大，准颗粒的平均粒度也越大。σ－中间颗粒粒度范围的延伸程度。6/13/202199湖北工业大学王志伟 分级系数与颗粒粒度的关系6/13/2021100湖北工业大学王志伟 小球形成的连接机理散粒物料制粒时的作用力包括物料本身固有的自然力和机械外力。自然力固体颗粒间的范德华力、磁力和静电力机械力颗粒之间的相互作用的摩擦力不能移动的连接桥中的附着力和内聚力液相存在所形成的界面力和毛细力6/13/2021101湖北工业大学王志伟 说明小球的强度主要靠自然力的作用，自然力的大小决定于颗粒的粒度、表面电荷、结晶构造、颗粒间的接近程度和添加剂的种类和数量。当液体存在并完全润湿固体颗粒表面时，主要的物理力是颗粒间气一液界面的表面张力引起的毛细力。6/13/2021102湖北工业大学王志伟 粒核周围的粘附层的形成在粒核的周围形成很细的内层在较细粒的基体中形成中间颗粒的外层中间颗粒与较大的准颗粒接触时，如果中间颗粒与粘附层中的细颗粒之间的结合力超过使中间颗粒与粘附层脱离的力，则中间颗粒便可能粘附于较大准颗粒上。最终，中间颗粒将全部进入粘附层。6/13/2021103湖北工业大学王志伟 球团强度X0.5＝f（粘附层的粘结强度)＝S1－粘附层的相对饱和率d1－粘附层中颗粒的平均粒度ε1－粘附层的孔隙率6/13/2021104湖北工业大学王志伟 无核小球的形成机理当细粒物料表面达到最大分子水后，继续加水润湿，颗粒表面裹上一层水膜，颗粒彼此有许多点接触，由于水膜的表面张力作用，在两个颗粒连接桥间便形成液体桥键，使颗粒连接在一起。颗粒在制粒机内通过运动，形成了疏松的聚集体，液体桥键使各个颗粒呈网状地保持在一起，其中保留了大量的孔隙，液体填充率仅20%左右。6/13/2021105湖北工业大学王志伟 机械力的作用和增加水分的情况下，聚集体粒子发生重新排列，部分孔隙被水充填，液体倾向融合，形成连续水网，聚集体为蜂窝状毛细水所连接，孔隙体积减小，形成坚实稳定的球核。球核在机械力的作用下，使颗粒彼此靠拢，所有孔隙被水充满，球核内蜂窝毛细水逐渐过渡到毛细管水，在球核外围气孔上形成弯月面，由于毛细力的作用将颗粒保持在一起。6/13/2021106湖北工业大学王志伟 球核进一步被压密，毛细管形状和尺寸改变，使过剩毛细水被挤到球核表面并均匀地裹住球核。这样表面过湿的球核，滚动时粘上一层润湿程度较低的物料，使核长大成球粒，多次重复的直到球核中颗粒间的摩擦力比滚动成型时的机械压密作用力大时为止。无核小球的形成一般来说是成层长大的，但水分过湿时也不排除少量的聚结形式。6/13/2021107湖北工业大学王志伟 2.3.2压制成型机理压制成型是在一定压力下，使细粒物料在型模中受压后成为具有确定形状与尺寸、一定密度和强度的成型方法。1)压制成型过程中的“拱桥效应”6/13/2021108湖北工业大学王志伟 定义“拱桥效应”：在模型内自由松装的细粒物料，在无外力情况下，是依靠颗粒之间的摩擦力和机械咬合，而相互搭接，在颗粒间形成大的孔隙的现象。6/13/2021109湖北工业大学王志伟 特点颗粒间仅存在简单的面、线、点接触，具有不稳定性和流动性，处于暂时平衡状态。当向颗粒上稍施外力时，使“拱桥效应”遭到破坏，则颗粒向着自己有利方向发生位移，产生重新排列，导致颗粒间接触面积增大，孔隙度减少。6/13/2021110湖北工业大学王志伟 颗粒粉末位移的形式移近（a）分离（b）滑动（c）转动（d）嵌入（e）6/13/2021111湖北工业大学王志伟 细粒物料变形类别弹性变形固体颗粒除去外力后可以恢复原状的变形。塑性变形具塑性的固体颗粒除去外力后不能恢复原状的变形为塑性变形，且物料塑性愈大则变形愈大；塑性变形程度随压力增大而增加。脆性断裂当脆性物料在外力下产生的颗粒结构发生的破坏性变形，易产生新的颗粒断面并使颗粒数增加。6/13/2021112湖北工业大学王志伟 固体颗粒的变形过程及原因固体颗粒外表凹凸不平且有许多棱角，颗粒之间的接触是通过棱角和凸峰来实现的。颗粒间的接触面积很小，加压时，即使外加压力不大，但集中到这些小的接触区时，单位面积上的压力就变得很大。如果压力超过了物料变形的临界应力时，则在颗粒的棱角和凸峰处首先开始变形，使颗粒间接触面积增大，如果压力继续增大，颗粒的变形就会向接触区的颗粒内部发展。6/13/2021113湖北工业大学王志伟 压制成型机理第一阶段颗粒位移，重新排列并排除孔隙内气体，使物料致密化。在这一阶段耗能较少但物料体积变化较大。6/13/2021114湖北工业大学王志伟 第二阶段脆性物料易被压碎，新生的细颗粒会充填在细小孔隙内，重新排列结果使密度增大，新生颗粒表面上的自由化学键能使各颗粒粘结。塑性物料颗粒发生塑性变形时其颗粒间相互围绕着流动，产生强烈的范德华力粘结起来。大多数情况下，两种机理同时发生，并在一定条件下能够引起机理的转换。6/13/2021115湖北工业大学王志伟 细粒物料密度在压制时变化规律第一阶段压力相对较低，对细粒物料初施压力后，料层内“拱桥效应”被破坏，颗粒发生相对位移并填充孔隙，结果松散料层体积大大减小，密度迅速增加。6/13/2021116湖北工业大学王志伟 第二阶段随压力增加和加压时间延长，孔隙因达最大物料充填而减至最小，在每种细粒物料最佳压制压力情况下，密度达最大值，此时细粒物料层已体现出一定压缩阻力。在此阶段内，继续增大压力时，压块密度并没有增大。6/13/2021117湖北工业大学王志伟 第三阶段压力继续增大并达到超过细粒的临界应力值（即极限强度）时，固体颗粒发生变形或裂碎，颗粒间再行排列和相互充填，压块密度又随之增大。6/13/2021118湖北工业大学王志伟 压块密度与压力的关系6/13/2021119湖北工业大学王志伟 说明固体颗粒的位移和变形不是截然分开的。第一阶段，压块的密度增加以颗粒位移为主，同时也可能发生少量颗粒变形。6/13/2021120湖北工业大学王志伟 第二阶段，视压制物料不同而异。对于又硬又脆的物料，压制时，压块物料密度曲线变化比较平坦，但随着物料塑性增加，其密度增加较快。塑性好的物料密度在加压时的变化中第二阶段基本消失。但对于任一种物料压制时，加压压力皆在第二阶段结束，最多使压力增大到第二阶段的压力极限值。第三阶段，压块的致密化以颗粒变形为主，同时也发生裂碎颗粒的少量位移。6/13/2021121湖北工业大学王志伟 压制过程中力的分布和压块密度变化模型中细粒物料施加的压力主要消耗在两方面：消耗于内摩擦力p1，又称静压力。主要用来克服固体颗粒间产生的摩擦，使颗粒产生位移甚至变形，最终使之达到紧密排列程度，获得压紧效果。6/13/2021122湖北工业大学王志伟 消耗于外摩擦力p2，又称压力损失。主要用来克服固体颗粒料层压实时易形成对模型壁的侧压力，使固体颗粒移动过程中与模型壁产生摩擦力，导致压块沿高度上减少。6/13/2021123湖北工业大学王志伟 压制过程中的总压力（p）至少为静压力和压力损失之和。即：P=p1＋p2（N）p2值的大小表示为：P2=μ·p侧·S（N）式中：μ—物料与模壁间摩擦系数；p侧—侧压力，N/cm2；S—物料与模壁的接触面积，cm26/13/2021124湖北工业大学王志伟 压块粘结机理观点一压块强度取决于压块内固体颗粒间存在的摩擦力（即内摩擦力），细粒物料颗粒表面是凹凸不平的粗糙体态，在紧密接触后表面会相互楔住和钩结而发生颗粒间机械啮合。证据：用树枝状或楔形的粒子比用球形或平滑粒子能够制得更牢固的压块，其抗压强度可相差几十倍，而抗拉强度相差100倍左右。在测试过程中还发现每一种压块本身的抗拉强度比抗压强度要小几＋倍。6/13/2021125湖北工业大学王志伟 观点二压块强度主要决定于颗粒间分子力的相互作用及薄膜水分子力和天然胶结物质分子力的作用，这三种力统称为分子粘结力。当压制压力逐渐增高时，物料颗粒间接触表面积也相应增大，会促使有更多的接触表面处于分子力作用的范围，在宏观上就表现为压块强度提高。证据：干燥的磁铁颗粒形状不规则、很粗糙，在高压压制时才能获得一定强度的压块。经过适当润湿之后，虽颗粒形态和粗糙度不变，但可在较低压力下获得强度较好的压块。6/13/2021126湖北工业大学王志伟 相同压力下，矿物的压块强度会依下列次序而下降：泥质褐铁矿---泥质氧化镍矿---硅质氧化镍矿---铬铁矿---含水赤铁矿---假象赤铁矿---磁铁矿原因：塑性好的颗粒---压块强度由颗粒间的机械啮合和分子力的联结作用共同构成，且后者更为主要。这种物料易于产生变形，使颗粒间接触面积迅速增大，毛细水分很容易被挤到压块的外表面，从而使得颗粒表面分子能更多地处于分子力作用范围，薄膜水也能起到自己的作用，使分子间的联结作用变强。6/13/2021127湖北工业大学王志伟 对脆且硬的颗粒---压块强度主要靠颗粒间的机械啮合（内摩擦力）起作用，而分子间的联接力及薄膜水的粘结力的作用不显著。这种物料压制性较差，在压制过程中，压块内物料的弹性内应力作用显著，当压力除去时，由于“弹性后效”作用，出模型后的压块体积增大，使颗粒间接触面积减少。因此，硬而脆的颗粒所制成的团块强度较差，往往需要加入粘结剂后方可提高该压块强度。6/13/2021128湖北工业大学王志伟 在正常压制压力条件下，压块强度皆是由颗粒间机械啮合和分子力的相互联结两种机理的共同作用结果。在压制的初始阶段，压制压力较小，团矿强度主要靠颗粒间机械啮合起作用；压力增加，颗粒接触面积增大，甚至颗粒本身发生塑性变形，颗粒间接触面上出现分子相互作用的数量增加，团矿强度进一步提高。6/13/2021129湖北工业大学王志伟