复合粘结剂球团和氧化球团直接还原对比研究
（1）复合粘结剂球团：采用新疆磁铁精矿(TFe含量69.21％，FeO含量 27.01％)，配加1.0％ CB复合粘结剂，混合、造球、干燥、900℃预热11min后备用；
（2）常规氧化性球团：采用同一种铁精矿，配加1.5％膨润土，混合、造球、干燥、900 ℃预热11min、1200℃高温焙烧20min，冷却后备用，该氧化球团：TFe64.73%，FeO 2.17%。
二、研究方法
（1）将150g复合粘结剂球团生球装入φ45mm×80mm吊篮中，将吊篮置于竖炉中，在900℃预热11min；然后将热球团加入反应罐，通氮气保护，待球团温度升到实验所需还原温度后进行实验。
（2）将150g冷氧化球团直接加入反应罐，通氮气保护，待球团温度升到实验所需还原温度后，通还原气体(CO／CO：=95／5标准气体)还原，进行还原实验。
（3）还原实验在还原竖炉中进行，采用φ63.2mm×100mm不锈钢反应罐，还原气标态流量为15L／min，标态流速为7.97cm／s，还原结束后通氮气冷却。
三、试验结果
1、微观结构
复合粘结剂球团预热后，球团边缘小磁铁矿颗粒和大颗粒边缘均氧化成赤铁矿，平均尺寸为59.45μm，磁铁矿平均颗粒尺寸为71.43μm，中心视域内矿物呈单独颗粒状，部分小颗粒磁铁矿和大颗粒矿粒边缘氧化成赤铁矿，磁铁矿平均颗粒尺寸为104.14μm。
氧化球团氧化较彻底，球团边缘和中心赤铁矿呈大片板状，互连良好，晶粒粗大，平均尺寸为1047.85μm，远大于复合粘结剂球团中矿物的平均尺寸。
由孔隙数据可知，复合粘结剂球团孔隙面积含量为54．21％～56．46％，孔隙平均尺寸为14.57～17.51μm；氧化球团孔隙面积含量为29.98%，孔隙平均尺寸为75.42m。即复合粘结剂球团孔隙率大、孔隙平均尺寸小。
2、还原试验
复合粘结剂球团还原试验结果表明，当还原温度为800℃，还原120min后，最终还原率为81.8%；随着还原温度提高到900℃，还原速率提高，还原率为93．59%；继续提高还原温度至1000℃或1050℃，还原曲线略有提高，120min后还原率大于95％。在实验温度范围内，当还原温度高于900℃时，提高还原温度对还原率影响较小。
氧化球团还原温度由800℃提高到1000℃时，还原率明显提高。800℃还原 120min后，还原率为66.85%；900℃还原120min后，还原率提高到78.94％；当还原温度提高到1000℃时，还原120min后，球团还原率提高到99.32％；继续提高还原温度至1050℃，球团还原曲线略有提高。
实验结果表明，在800～900℃范围内，复合粘结剂球团还原率高于氧化球团；在900～1050℃范围内，还原温度对复合粘结剂球团还原影响较小，而对氧化球团还原影响较大。
由对比还可发现，当还原温度为1000~1050℃，还原时间超过80min后，氧化球团的还原度高于复合粘结剂球团。
3、动力学差异
(a)、（b）氧化球团；（c）、（d）复合粘结剂球团
当还原温度为800~1000℃时，复合粘结剂球团化学反应速率常数和气体扩散系数均大于氧化球团。复合粘结剂球团化学反应速率常数大，意味着球团可快速还原。主要由两个原因造成，一是由于复合粘结剂球团预热后，球团中Fe2O3和Fe3O4晶粒细小，比表面积大，保留了一部分细磨精矿的高的表面活性，在还原过程中，粒度细小的颗粒界面化学反应阻力很小；二是复合粘结剂中的无机成分具有催化作用，造成界面化学反应阻力较小。气体扩散系数大，则球团还原过程中内扩散阻力小，还原气体反应物和产物均可快速通过反应物层。复合粘结剂球团气体扩散系数大的原因主要是由于其具有较高的孔隙率。当还原温度为1050℃时，氧化球团的化学反应速率常数略高于复合粘结剂球团，气体扩散系数仍低于复合粘结剂球团。
氧化球团还原阻力分析结果表明，还原温度为800～900℃时，氧化球团还原过程主要阻力为界面化学反应阻力，随着还原度的提高，铁氧化物不断失氧，孔隙率提高，使得反应界面扩大，故界面化学反应阻力减小，加之金属铁的催化还原作用，化学反应阻力降低。还原温度为 1000~1050℃时，还原受界面化学反应和内扩散混合控制。
复合粘结剂球团等温还原相对阻力分析表明，800~1050℃范围内，还原反应受界面化学反应和内扩散混合控制，还原阻力主要为界面化学反应阻力。随着还原率的提高，化学反应阻力降低，内扩散阻力增加。随着还原温度的提高，界面化学反应阻力所占比例降低。两种球团还原过程中，还原阻力呈现出类似的规律。随着温度由800℃提高到1050℃，界面化学反应阻力明显减弱，内扩散阻力增加。但与氧化球团还原对比，复合粘结剂球团界面化学反应阻力略小。
4、还原后强度
（还原时间为120min后的强度）
（1）复合粘结剂球团孔隙率高、矿物晶粒细小、反应活性高；氧化球团孔隙率略低、主要含铁矿物为板片状赤铁矿，矿物晶粒粗大。
（2）在800～1050℃温度范围内，复合粘结剂球团还原反应受界面化学反应和内扩散混合控制。氧化球团在800～900℃还原阻力主要为化学反应阻力，1000～1050℃，还原反应受界面化学反应和内扩散混合控制。
（3）还原温度为 800～1000℃，复合粘结剂球团反应速率常数和气体有效扩散系数远远大于氧化球团；当还原温度为 1050℃时，复合粘结剂球团化学反应速率
常数略低于氧化球团，气体扩散系数大于氧化球团。
（4）不同还原温度，复合粘结剂球团强度均高于氧化球团，且结构完整，产生粉末少。
（5）对于复合粘结剂球团，只要还原温度大于900℃即可快速还原，强度高、结构完整、还原率高，而氧化球团需要更高的还原温度(>1000℃)，且易粉化。研究结果揭示了“铁精矿复合粘结剂球团一步法直接还原工艺”与“两步法直接还原工艺”的还原动力学差异。
本文源自《矿冶工程》2010年6月，第30卷第3期，《复合粘结剂球团和氧化球团直接还原对比研究》。