近年来,随着电炉炼钢短流程的兴起,作为废钢替代品和生产优特钢不可或缺的原料,直接还原铁倍受青睐,直接还原技术及直接还原铁产量发展迅速。我国煤资源及铁精矿丰富,适宜发展球团煤基直接还原法。与传统的煤基“二步法”球团直接还原相比,“一步法”直接还原流程短、投资省、成本低、产品质量好,因而在我国获得广泛地应用。继北京密云6.2万t直接还原铁(DRI)、鲁中5万t DRI投产并取得良好效果后,单窑年产15万t DRI的“一步法”直接还原工艺在新疆也即将投产。但对铁精矿复合粘结剂球团在大型链篦机—回转窑内强度变化、还原行为及微观和宏观结构演变机制缺乏系统深入的研究,相关工艺流程和参数有待进一步优化。本论文以新疆磁铁精矿和进口赤铁矿为研究对象,开展了铁精矿复合粘结剂球团直接还原法工艺及机理研究,对“一步法”直接还原投产及其推广应用具有重要的指导作用。系统研究了铁精矿种类和配比、预处理方式、粘结剂种类和用量、内配煤种类和用量对生球制备、球团预热固结及还原行为的影响,进一步优化了工艺参数。结果表明,润磨预处理可明显降低干球粉末率,消除回转窑结圈的隐患;复合粘结剂CB可大幅度提高干球抗压强度,增大预热球团孔隙率,促进球团还原。对磁铁矿复合粘结剂球团和磁铁矿氧化球团进行了还原动力学研究。等温还原动力学研究表明,还原温度800℃～1050℃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。当还原温度为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。当还原温度大于900℃时,复合粘结剂球团可快速还原,而氧化球团需1000℃上才能快速还原。非等温还原实验结果表明,复合粘结剂球团还原速率比氧化球团快一倍。动力学研究结果为铁精矿复合粘结剂球团“一步法”直接还原采用热球入窑和全窑高温(＞900℃、)的热工制度,提供了有力的理论支撑。研究了两种磁铁矿球团在还原过程强度的变化规律。结果表明,复合粘结剂球团还原过程中,球团抗压强度低谷区(抗压强度小于500 N/个)持续时间仅30 min,氧化球团还原过程中抗压强度“低谷区”持续时间长达70 min。即使处于强度“低谷区”,复合粘结剂球团结构全部保持完整,氧化球团50%裂为碎片。越过抗压强度“低谷区”后,复合粘结剂球团抗压强度迅速提高,氧化球团抗压强度升高缓慢。复合粘结剂球团还原产品抗压强度为2570 N/个,球团结构完整,外表光滑;氧化球团还原产品抗压强度仅为775 N/个,球团表面布满裂纹,部分球团裂为碎片。两种球团还原过程中抗压强度变化规律及球团结构变化的差别是由球团还原过程中微观和宏观结构演变机制所决定。采用光学显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜、图像分析软件对球团还原过程微观结构演变机制进行了研究;采用热膨胀仪、热传导系数测定仪对复合粘结剂团块和氧化团块的热物性参数进行了测定;运用X射线衍射仪结合MDI Jade软件对两种球团内矿物晶体的微观应变进行了测定。揭示了复合粘结剂球团和氧化球团还原过程中应力累积和释放机制,首次阐述了两种球团还原过程强度和还原行为差异的本质原因。结果表明,球团内部裂纹生成和扩展机制的差异决定了强度的差异。还原过程中,复合粘结剂球团裂纹主要由相变应力产生,裂纹形态以同心裂纹为主。同心裂纹出现后,很快被金属铁外壳包裹、约束,随着还原过程球团体积膨胀,裂纹得到“自愈合”,还原产品结构完整、表面光滑、强度高。相变应力和热应力耦合作用导致氧化球团产生大量径向裂纹,球团整体结构被破坏后,金属铁壳才出现;此外,还原后期,球团体积沿球面和径向收缩,径向裂纹甚至扩展(大),故无法消除。还原产品布满裂纹,强度差。磁铁精矿复合粘结剂球团“一步法”直接还原扩大试验主要技术指标为:直接还原铁全铁含量91.48%,金属铁含量87.05%,金属化率95.16%;铁回收率为93.58%,矿耗为1.442 t/t·DRI,煤耗为0.854 t/t·DRI,磁性粉率(-3 mm)为0.3%,烟尘0.161 t/t·DRI。磁铁矿氧化球团冷球直接还原对应的技术指标为:直接还原铁全铁含量89.24%,金属铁含量83.22%,金属化率93.25%;铁回收率90.66%,矿耗为1.508t/t·DRI,煤耗为0.889 t/t·DRI,烟尘0.223 t/t·DRI。复合粘结剂球团与氧化球团直接还原相比,全铁和金属铁品位高、金属化率高;还原过程产生含铁粉尘少,烟尘量小,铁回收率高;DRI抗压强度高。通过扩大试验,确定了新疆直接还原铁厂适宜的工艺流程,并为其建厂设计提供了工艺参数和依据。首次对赤铁矿复合粘结剂球团还原进行工艺优化试验和扩大试验研究。结果表明,印度赤铁矿可以任意配比与磁铁精矿混合,采用“一步法”直接还原法生产金属化球团。100%印度赤铁矿复合粘结剂球团直接还原后,可得到全铁87.83%,金属化率93.30%的金属化球团。研究结果扩大了原料来源,提升了“一步法”直接还原工艺的适应性。