摘 要：生球干燥是球团矿生产的重要流程之一。研究了介质温度、介质流量、球团粒径、料层厚度对生球脱水性能的影响，结果表明：升高干燥温度、增大气体流量、减小球团粒度可以加快干燥效率。在此基础上，进行干燥动力学分析，对比发现Page模型所拟合的曲线最接近实际曲线。对介质温度和流速的实验数据进行Page模型动力学分析，得出干燥介质温度T、流速V与干燥水分比MR的动力学公式。

关键词：球团矿；生球干燥；气体干燥；动力学

1 前 言

高炉目前仍是我国炼铁使用的主要工艺［1］，其主要入炉原料为烧结矿与球团矿。与烧结生产相

比较，球团矿具有能耗低，污染小等特点［2-4］，在钢铁生产节能减排的大环境下，提高高炉冶炼过程中球团矿比例已逐步成为我国高炉炼铁发展的方向之一［5-8］。

球团矿的生产中，生球的干燥是重要流程之一，生球需要逐步升温，干燥脱水提高强度，球团矿

水分的干燥状况直接影响球团生产的产量与质量［9-10］。Ljung 等［11］用二维离散模型表示了球团料层的干燥过程，结果表明球团间距较大的区域，球团温度上升较快；气体流动较慢的区域，球团料层温度上升较慢，水分蒸发速率也较慢。潘姝静等［10］建立了链篦机的水分迁移模型，采用FLUENT软件进行数值模拟，发现球团料层干燥过程由明显的升速期与降速期组成，采用实测数据验证了模型的合理性。肖兴国等［12］采用热重分析实验技术，研究了100～300 ℃范围内磁铁矿球团的干燥动力学过程。分析表明，球团矿干燥的因素有球团矿粒度，干燥介质温度、干燥介质流量以及生球含水量等。因此，对不同介质温度、介质流量、球团粒径、料层高度等因素对球团矿含水量的影响进行试验研究，并在此基础上进行球团矿干燥动力学分析。

2 试验原料和方法

2.1 试验原料

试验原料凹精、白象、秘鲁的原料检测成分如表1所示。球团矿的配矿方案如表2所示。将配矿成分均匀配制后，放入混料机内强混5 min，再放入造球机中造球。

2.2 试验步骤及装置

生球干燥过程在改造后的生球爆裂温度测定装置上进行，如图 1 所示。装置上方安装电子天平。高温炉内填充Φ15 mm 的刚玉球，空气通过风机向炉内鼓入，穿过刚玉球的同时加热至设定温度，同时通过天子天平测量生球重量，直到球团重量不再变化。

2.2 试验步骤及装置

生球干燥过程在改造后的生球爆裂温度测定装置上进行，如图 1 所示。装置上方安装电子天平。高温炉内填充Φ15 mm 的刚玉球，空气通过风机向炉内鼓入，穿过刚玉球的同时加热至设定温度，同时通过天子天平测量生球重量，直到球团重量不再变化。（1.84 m/s）；球团粒度有 8、12、16 mm；料层厚度有50、60、70、80 mm。具体的生球干燥制度试验方案如表3所示。

本研究中数据处理中涉及的变量，如式（1）～（3）。根据试验结果和式（1）～（3）计算干燥水分比MR（moisture ratio），并绘制出MR-t曲线。

M=w/w∞×100%， （1）

W=w/w∞+w×100%，Mt=（Wt-W∞）/W∞×100%，（2）

MR=（Mt-Me）/（Mo-Me）， （3）

式中：M为块矿干基含水率，%；W为块矿湿基水含量；w 为块矿中水分重量，g；w∞为块矿完全干燥时的干矿重量，g；Mt为任意干燥 t 时刻的干基含水率，%；t 为干燥时间；Wt为任意时刻t的块矿重量，g；Mo为块矿的初始干基含水率，%；Me为块矿干燥到平衡时的干基含水率，%。各种散体物料的干燥动力学模型研究较多［13-15］，表4为常用的3种模型。本文采用此3种模型研究块矿干燥过程动力学，并建立适用本研究的动力学方程。

3 结果与讨论

3.1 不同因素对生球水分的影响不同干燥气体温度、气体流速、球团粒度、料层厚度条件下的干燥水分比 MR 与干燥时间的关系

从图2a可以看出，300 ℃时生球完全干燥时间为 5.5 min，350 ℃时生球完全干燥时间为 4 min，

400 ℃时生球完全干燥时间为 5.5 min，450 ℃时生球完全干燥时间为5.5 min。随着温度的升高，生球干燥速度逐渐加快。当干燥介质温度过高时，随着干燥过程的进行，生球半径方向会产生湿度差，表里收缩不均并产生应力，球团的表面受拉而中心受压，球团表面就会出现裂纹，最终发生爆裂。本实验条件下球团未出现爆裂现象。

从图2b可以看出，随着气体流量的提高，生球干燥速率加快，风量为 6 m3/h 时，生球完全干燥需6.5 min，风量为 12 m3/h 时，生球完全干燥需 4 min。当气体流速增加，水分扩散速度也随之增加，而介质中的水蒸气分压较低，使得生球表面蒸气压与介质中水蒸气分压的差值增大，生球表面水分蒸发速率也就是干燥速率增加。

从图 2c 可以看出，随着生球粒径的增加球团干燥速率逐渐变慢。直径为 8 mm 时，生球至完全干燥需要 3.5 min；直径为 16 mm 时，生球至完全干燥需要5 min。生球直径增大因扩散路径长而干燥变慢，完全干燥所用时间变长。

从图2d可以看出，生球料层高度的增加，生球干燥速度减缓。当料层高度为50 mm时，生球完全干燥时间为 3.5 min；当料层高度为 80 mm 时，生球完全干燥所需时间为6.5 min。

采用表 4 中 3 种动力学方程对不同介质温度下的球团矿干燥实验进行拟合。Henderson andPabis 模型、Lewis 模型、Page 模型的拟合曲线如图3～5 所示。

3种模型的拟合方程和R2值如表5所示。

从图 3～5 可以看出，拟合后的曲线与时间曲线相比均由有一定差异，其中 Page 模型差异最小。

由表 5 可知，Page 模型拟合方程的 R2值最大，Page模型最接近实际曲线。因此，本文选用Page模型对块矿干燥试验进行动力学分析。

对气体温度和流速的实验数据进行 Page 模型动力学分析，具体拟合参数如表6所示。

4 结 论

4.1 球团干燥过程中，减小球团粒径，提高介质温度和介质流速，球团干燥速率加快，干燥时间缩短。

4.2 采用 3 种常用的动力学干燥模型对块矿鼓风干燥进行分析，Page 模型更适用于本研究，动力学

模型方程为：

球团的干燥主要分为升速干燥阶段，恒速干燥阶段和降速干燥阶段等3个阶段，其中降速干燥阶段所需时间最长。