铁矿氧化球团具有TFe品位高、粒度均匀、物理性能和冶金性能良好等优点,被认为是高炉炼铁的优质炉料。粘结剂是制备铁矿球团的必备原料,其物理化学性质直接影响着球团矿的质量。普遍应用的膨润土粘结剂会降低球团矿铁品位、降低高炉产量、增加能耗。而被广泛研究的有机粘结剂制备的球团存在着预热和焙烧球强度差、粉末量大的问题。因此,开发新型高效球团粘结剂,实现球团矿的提质降耗意义重大。本论文基于不同种类高分子有机物和无机添加剂的粘结性能,优选制备出以羧甲基淀粉、羧甲基纤维素、瓜尔胶、纳米碳酸钙为功能组分的纳米碳酸钙基粘结剂。采用FTIR、Zeta电位测量、SEM、AFM、接触角测量、吸附量测定、粘度测定、TG-DSC、XRD和孔隙率测定等检测方法,结合DLVO理论计算、吸附动力学拟合、成球动力学拟合和氧化动力学拟合等手段,深入研究了纳米碳酸钙组分及有机组分与铁精矿表面的作用机理;研究了各组分对生球强度的贡献能力,确定了纳米碳酸钙基粘结剂对铁精矿成球行为的影响机制;考查了纳米碳酸钙对磁铁精矿氧化的影响和粘结剂提高球团强度的高温固结机理。优化了纳米碳酸钙基粘结剂的制备技术并考查了其对两种磁铁精矿的应用效果。(1)以羧基或羟基为官能团的羧甲基淀粉(CMS)、羧甲基纤维素(CMC)、瓜尔胶(Guar)优选为粘结剂的有机组分,纳米碳酸钙优选为粘结剂的无机增强组分。有机组分的热稳定性差,热失重达90%,200℃~600℃为主要失重区间,高温焙烧时无法提供球团固结的有益组分。纳米碳酸钙呈方解石晶型,颗粒粒径为60nm~80nm,热分解温度为650℃~750℃,热烧损后为有益高炉炼铁和球团固结的氧化钙成分。纳米碳酸钙基粘结剂具有独特的“节点式交联结构”。(2)有机组分CMS和CMC主要通过-COO-和-OH与铁精矿表面发生静电、氢键和化学作用,增大了其亲水能力。电中性的Guar主要通过-OH吸附于铁精矿表面。除范德华作用和静电作用外,纳米碳酸钙组分含有正电的-Ca(OH)+活性位点,可与铁精矿表面负电性的Fe-O-位点发生特性吸附。纳米碳酸钙吸附于铁精矿表面后,降低铁精矿与有机组分的静电排斥,促进了有机组分在铁精矿表面的吸附、铺展。有机组分中CMS在铁精矿表面的吸附量最大,CMC次之,Guar最小;有机组分在铁精矿表面的吸附符合Freundlich吸附和准二级吸附动力学模型。纳米碳酸钙不改变有机组分的等温吸附模型和吸附动力学模型,但能提高有机组分的吸附量和吸附速率,最终提高了生球强度。(3)生球落下强度主要由粘滞力、化学作用力和毛细引力形成。对于三种有机组分,有机组分溶液粘度和制备的生球落下强度顺序均为:Guar>CMC>CMS。作用力对落下强度的贡献大小顺序为:粘滞力>化学作用力>毛细引力。纳米碳酸钙提高了有机组分与铁精矿颗粒间的化学作用力和粘滞力,进而提高了生球落下强度。干球抗压强度主要由界面吸附力和粘结剂内聚力形成。纳米碳酸钙通过提高有机组分的界面吸附力和内聚力来提高干球的抗压强度。(4)增大粘结剂用量可降低铁精矿成核速率,增大铁精矿水分含量可提高成核速率和成核率,与膨润土相比,纳米碳酸钙基粘结剂降低了铁精矿的成核速率。使用纳米碳酸钙基粘结剂进行成层长大造球时,随着水分含量增加,长大球的直径逐渐减小,铁精矿成球率先升高后降低。随着粘结剂用量的增大,长大球直径先增大后减小,铁精矿成球率逐渐减小;与膨润土相比,使用纳米碳酸钙基粘结剂时成层长大的长大球直径和成球率较高,纳米碳酸钙基粘结剂制备的生球粒度更加均匀。准一级速率方程对铁精矿成层长大过程具有较好的拟合效果,速率常数可表征生球的成球速率。(5)与有机粘结剂相比,纳米碳酸钙基粘结剂制备的预热球强度提高了 100N/个~200N/个、焙烧球强度提高了 1100N/个~1300N/个,纳米碳酸钙是提高预热球和焙烧球强度的主要功能组分。纳米碳酸钙的加入不改变磁铁矿氧化反应的机理函数,提高了参与反应的活性位点数量,增大了相同氧化时间时磁铁矿的氧化率。纳米碳酸钙组分促进了赤铁矿颗粒的再结晶和固体桥的形成、促进了液相和渣键的形成,降低了预热球和焙烧球的孔隙率。(6)纳米碳酸钙基粘结剂细磨制备过程中,CMS用量优选为0.10%左右,CMC和Guar用量之和优选为0.05%以上,纳米碳酸钙的最低用量为0.50%,分散剂优选六偏磷酸钠。对于南芬和大孤山铁精矿焙烧球团,与2%用量的膨润土相比,使用0.70%用量的纳米碳酸钙基粘结剂时,TFe品位分别提高了 1.04和1.01百分点,FeO含量略低,冶金性能相当。