实验
1.实验原材料
所用原料为国内某钢厂的磁铁矿粉、赤铁矿粉和膨润土。它们的组成和粒度组成见表1。混合燃料是一种低挥发分焦粉，其性能指标见表2。
2.实验方法
造球时，每批量为4公斤，按一定比例加入水、焦粉、膨润土和铁精矿粉，将造球原料混合均匀，在圆盘造球机上造球，直至球团直径达到10.0 ~ 12.5毫米，取出过筛，作为球团内层；将筛分后的10.0 ~ 12.5毫米生球加入造球机，然后加入铁精矿粉继续造球。球团矿外层厚度为1.5 ~ 2.0毫米，球团矿内外层使用的铁精矿质量比为1:1，以制备双层球团矿。制作完成后，过筛，取12.5 ~ 15.0毫米生球为合格球。造粒设备采用圆盘造球机，主要技术参数为直径&φ；=1000mm，边高h=200mm，倾角& alpha=45度；转速为20转/分钟。造球后，将合格的生球在鼓风干燥箱中干燥至质量不变，然后将干燥后的球团矿放入卧式管式电阻炉中进行预热和焙烧实验。焙烧制度为:预热温度950℃，预热时间15分钟；焙烧温度为1250℃，焙烧时间为15分钟。球团矿冷却后，取出10个球团矿，放在FZY-1抗压强度检测仪上测量其抗压强度，取其平均值作为球团矿的抗压强度。根据GB/T13240-mdash《铁矿石球团矿相对自由膨胀指数的测定方法》测定球团矿的膨胀率；1991年，一定量的粒度为10.0~12.5mm的球团在900℃等温还原，球团体积发生变化。用排水法测量还原前后球团的体积，用体积分数表示体积变化的相对值。球团还原膨胀率(RSI)的计算公式为(略):其中:V0为还原前样品的体积，mL；V1是样品还原后的体积，mL。用Olympus BX51M光学显微镜观察芯块的微观结构，用DT2000图像分析软件测量芯块的再结晶固结率(%)和孔隙率(%)。
3.实验方案
实验中的铁精矿为磁铁矿和赤铁矿，分为两组。每组加入一定量的焦粉和膨润土，混合均匀制成球团。第一组造球原料为东北精矿(磁铁矿)，内层依次含碳0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%(即焦粉质量分数为0%、0.59%、1.18%、1.76%、2.35%)，外层不含碳，以制备双层球团。第二组造球原料为卡拉加斯粉(赤铁矿)，内层含碳量依次为0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%(即加入的焦粉质量分数为0%、0.59%、1.18%、1.76%、2.35%)，外层无碳，以制备双层球团。球团矿内层和外层所用铁精矿质量分别为2kg，焦粉比例以内层铁精矿质量为准。造球实验的实验方案如表3和表4所示。
实验结果和分析
1.在碳含量对双层球团抗压强度的影响范围内
层碳含量对双层球团抗压强度影响的测量结果见表5和图1。从表5和图1可以看出，不同碳含量的磁铁矿双层球团在高温焙烧后抗压强度变化明显，且随着碳含量的增加，焙烧球团的抗压强度始终呈下降趋势；配碳质量分数超过1.0%时，球团强度急剧下降，配碳质量分数为2.0%时，仅为836N/球团。当碳含量超过0.5%时，不同碳含量的赤铁矿双层球团焙烧后抗压强度先增大后减小，当碳含量为1.0%时，抗压强度达到最高值3 166 N。根据参考文献[8]，当球团掺烧含碳量为0.8% ~ 0.9%的固体燃料时，总燃料消耗可降低11.9% ~ 18.7%。因此，在赤铁矿球团中添加适量的固体燃料，在焙烧球团抗压强度(不低于2500N/球团)满足生产要求的情况下，可以节能降耗。
2.碳含量对双层球团还原膨胀率的影响。
内层碳含量对双层球团还原膨胀率影响的测量结果见表6和图2。从表6和图2可以看出，双层球团内层配碳后，双层球团的还原膨胀率明显低于普通球团；普通磁铁矿球团膨胀率在20%以上，加碳后还原膨胀率降至10%左右。当碳含量为1.0%时，相对强度最低，为7.98%。普通赤铁矿球团膨胀率在30%以上，加碳后还原膨胀率明显下降。当碳含量为1.5%时，相对强度最低，为9.52%。双层球团内层添加适量焦粉对抑制球团膨胀有明显效果。正是焦粉的存在改变了球团内部的气氛，使渣相容易生成。渣相除了改善球团的固结形式外，尤其重要的是使碱金属以硅酸盐的形式进入渣相，从而克服碱金属进入氧化铁晶格引起的晶格畸变。此外，焦粉在焙烧过程中以二氧化碳的形式排出，改善了球团的内部结构。
3.双层球团的微观结构特征
含内碳双层球团的微观结构见图3~5。赤铁矿球团孔隙率和重结晶固结速率的测量结果见表7。从矿物学照片和表7可以看出，由磁铁矿或赤铁矿制成的双层球团矿的显微结构有规律地分为两层，外层主要由Fe2O3晶体生长和固结组成，矿物由赤铁矿、脉石和少量硅酸盐粘结剂组成，外层孔隙大多细小且分布均匀；内部微结构为Fe2O3的异形晶体相互连接，球形核中出现Fe3O4。随着碳含量的增加，核中Fe3O4的含量增加。当磁铁矿双层球团中碳含量低于1.0%时，球团中没有Fe3O4晶体，Fe2O3的再结晶固结率高，孔隙率低。因此，球团的抗压强度和还原膨胀率高。当碳含量为1.5%时，球团中有少数大空孔，球团外层为Fe2O3晶体，但球团内层出现部分Fe3O4晶体，说明由于碳的还原，部分Fe2O3被还原为Fe3O4。当碳含量为2.0%时，球团中出现大量空孔洞，球团外层已出现部分Fe3O4晶体，几乎所有的Fe3O4晶体都在球团内层，说明球团外层形成了一层致密的Fe2O3，阻止了空气体中的氧进入球团内层，进而生成大量的Fe3O4晶体。随着赤铁矿双层球团含碳量的增加，球团中Fe2O3的再结晶和固结先增加后减少，导致球团的抗压强度先增加后降低。当碳含量为1.0%时，球团的抗压强度最高。当碳含量为2.0%时，球团中出现少量Fe3O4晶体，球团抗压强度降低。随着碳含量的增加，赤铁矿双层球团的孔隙率逐渐增加，因此还原膨胀率降低。但当碳含量超过1.5%时，出现磁铁矿晶体，导致还原膨胀率再次上升。
结论
1)随着磁铁矿中碳含量的增加，双层球团的抗压强度逐渐降低。当碳含量(质量分数)超过1.0%时，球团中出现磁铁矿晶体，球团抗压强度开始直线下降。随着赤铁矿双层球团含碳量的增加，球团抗压强度先增大后减小。当碳含量(质量分数)超过1.5%时，球团中出现磁铁矿晶体，球团抗压强度开始下降。2)磁铁矿双层球团内层碳含量(质量分数)为1.0%时，还原膨胀率最低，为7.98%。此时球团强度也可以达到2512N/球团。双层赤铁矿球团内层碳含量(质量分数)为1.5%时，还原膨胀率最低，为9.52%。当碳含量小于1.5%时，球团的抗压强度均大于2500N/球团。当磁铁矿双层球团矿含碳量(质量分数)不大于1.0%，赤铁矿双层球团矿含碳量不大于1.5%时，在满足生产要求的情况下，可有效降低球团矿的还原膨胀率。3)在球团矿内层加入适量焦粉，可以增加成品球团矿的孔隙率，改善其还原性，有效抑制球团矿的还原膨胀。(文中图、表、公式省略)
