铁矿球团具有铁品位高、粒度均匀等优点,被越来越多地用于钢铁生产。作为制备球团不可或缺的原料之一,粘结剂对球团质量和生产过程具有重要影响,新型粘结剂的开发与应用成为高效利用劣质铁矿资源、提高钢铁生产效益的重要课题。中南大学开发的新型高效有机-无机复合粘结剂已成功应用于直接还原球团的生产,但由于缺乏系统的研究,该粘结剂目前尚未用于氧化球团的生产。此外,关于该粘结剂对球团还原焙烧动力学以及体积膨胀行为的影响及其作用机制尚不完全清楚。1本论文以膨润土粘结剂作为对比,深入研究了复合粘结剂对铁矿球团氧化焙烧与还原行为的影响,为复合粘结剂在氧化球团生产中的应用提供理论和技术依据,并为完善和发展复合粘结剂球团直接还原工艺提供理论指导。本论文的主要结论和创新点如下：(1)深入研究了复合粘结剂物化特性及热态行为。研究发现,复合粘结剂中有机组分和无机组分的含量分别为75.72%和24.28%,有机组分是具有芳香结构、带有羟基、羧基官能团的高分子化合物,在加热过程中,有机组分发生系列化学反应,释放出CO、H2、CO2、CxHy气体。(2)系统研究了复合粘结剂磁铁精矿球团的氧化动力学行为。研究发现,复合粘结剂降低了磁铁精矿球团氧化反应的表观速率常数,增大了气体扩散阻力。在800℃～1000℃时,球团氧化过程受界面化学反应和内扩散混合控制,表观活化能为44.70kJ/mol;但是温度超过1000℃时,球团内部还原气氛增强,氧化速率下降。(3)查明了复合粘结剂氧化球团矿制备的工艺特征,获得了优化的球团工艺技术参数。与膨润土粘结剂相比,复合粘结剂用量小、适宜成球水分高；复合粘结剂生球干燥速率快,适宜的预热和焙烧温度低。以磁铁精矿为原料时,复合粘结剂球团的预热温度由920℃降低至900℃,焙烧温度由1250℃降至1220℃。以赤铁精矿为原料时,焙烧温度由1280℃下降至1250℃。(4)深入研究了两种粘结剂铁矿球团的还原动力学行为。研究发现,还原所用球团的种类和粘结剂类型对动力学行为有重要影响。与焙烧球团相比,预热球团的还原速率明显较高,而且动力学控制特性也显著不同；虽然复合粘结剂不改变球团还原过程的控制特性,但可降低还原后期浮氏体转化为金属铁的表观活化能,提高还原速率。采用预热球团还原,当还原度低于50%时,复合粘结剂和膨润土球团的表观活化能分别为44.02kJ/mol和38.24kJ/mol,表明球团还原过程受混合控制；当还原度大于50%时,两种粘结剂球团还原反应的表观活化能分别为16.43kJ/mol和28.40kJ/mol,还原过程受内扩散控制。采用焙烧球团还原,当还原度低于50%时,复合粘结剂和膨润土球团的还原均受界面化学反应控制,表观活化能为47.03kJ/mol和50.48kJ/mol;还原度大于50%时,还原过程受界面化学反应和内扩散混合控制,表观活化能为29.67kJ/mol和39.11kJ/mol。(5)查明了复合粘结剂球团的还原膨胀行为。研究结果表明,以焙烧球团为原料时,两种粘结剂球团的体积膨胀率均随着还原温度的升高逐渐增大,且最大体积膨胀率低于40%。采用预热球团还原时,两种粘结剂球团的体积膨胀率随温度的升高和气氛中CO浓度的增加显著下降,当还原温度低于1000℃时,球团发生异常膨胀。(6)揭示了还原过程中球团体积异常膨胀机理。研究表明,球团在还原过程中的膨胀行为主要由金属铁晶粒的长大模式所决定。预热球团具有赤铁矿颗粒结晶不完善、表面存在晶格缺陷的特点,当在较低的温度下还原时,在晶格缺陷处优先形成少量铁晶核,随还原过程的推进,金属铁在少量铁晶核上以线性的纤维状方式长大,导致球团发生异常膨胀；但在较高的温度下和较强的还原气氛中还原时,由于金属铁的形成速率加快,铁晶粒发生兼并、互连,金属铁主要以平面的片状方式长大,球团体积膨胀率降低。焙烧球团中的赤铁矿结晶完善,表面活性低,还原过程中金属铁以层状形式向球团内部逐渐推进,在还原过程中的体积膨胀主要是由于还原初期Fe203向Fe304的晶形转变应力导致的。在较低的还原温度下,晶形转变应力随还原过程的进行逐渐消失,球团不发生异常膨胀；但在较高的还原温度条件下,晶形转变应力来不及消失,导致球团体积膨胀增大。