顆粒粒度和形貌特征對保護渣強度的影響

鄭 萬，溫正勇，李光強 ， 吳勝利 ，姚增遠

(1.武漢科技大學鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室，湖北 武漢，430081；2.攀枝花鋼城集團有限公司冶金輔料分公司，四川 攀枝花，617023)

空心球狀顆粒保護渣具有良好的流動性和保溫性，各冶金輔料廠已普遍采用噴霧成型工藝進行生產。保護渣在運輸和使用過程中不可避免受到外力作用，保護渣顆粒應具有一定抗壓能力，避免或減少顆粒破碎而影響其使用性能[1-2],因此，研究噴霧成型顆粒保護渣強度的影響因素并對其進行改善具有實用意義。噴霧干燥成型所制保護渣顆粒強度與原料粒度、黏結劑、保護渣粒度及形貌等因素有關。丁湘等[3]研究發(fā)現(xiàn)噴霧造粒成型工藝生產的小顆粒ZrO2比其大顆粒容易破碎，Stephan等[4]和鐘余發(fā)等[5]指出保護渣顆粒形貌與噴霧干燥出口溫度有關，賀征等[6]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，球形度好的鋁顆粒受到阻力最小，Liu等[7]對鎢粉顆粒度調節(jié)發(fā)現(xiàn)較為致密的堆積結構，程齊軍等[8]研究不同粒徑銅粉燒結顆粒發(fā)現(xiàn)，粒徑越大，Cu基熱管芯孔隙度越大且強度越小，劉體鋒等[9]發(fā)現(xiàn)顆?？紫抖却蠹扮U空現(xiàn)象會降低顆粒強度，吳自敏等[10]通過修補空心球表面裂紋和斷面空洞的方法來提高空心球的強度，陳許玲等[11]改進細磨及潤磨工藝，通過減小原料粒度、增加接觸幾率、增強反應的方法來減小預熱團塊孔隙率，增加顆?？箟簭姸?。

由于噴霧干燥成型顆粒保護渣的強度形成機制不同于固相或液相燒結，有關此類保護渣強度影響機理研究較少，為此，本文設計3組不同保護渣原料配比及球磨時間方案，試制出不同粒徑及粒度分布的保護渣顆粒，研究保護渣顆粒強度的影響因素并探討其機理。

1 實驗

1.1 不同粒度保護渣設計方案

設計3組保護渣泥漿，通過對保護渣原料配水比、黏結劑含量、分散劑含量及球磨時間的調節(jié)，試制出不同粒徑及粒度分布的保護渣顆粒。保護渣原料配比及球磨時間設計方案如表1所示。表1中，設3#組保護渣中黏結劑含量、分散劑含量及球磨時間指數(shù)為1，其他組各項指數(shù)均為其與3#組中對應項指標含量的比值。

表1保護渣原料配比及球磨時間設計方案

Table1Maincompositionsandmillingtimeofexperimentalmouldfluxes

/%()()()1#40.51.6522#40.51.441.43#42.5111

1.2 檢測分析

1.2.1 保護渣顆粒粒度分布

稱取100 g保護渣試樣，經多篩層(20、30、50、70目)篩選，稱量計算保護渣顆粒粒度分布。記粒徑為0.2～0.3、0.3～0.6 、0.6～0.8 mm的保護渣分別為小顆粒、中顆粒和大顆粒保護渣。

1.2.2 保護渣顆粒強度

1.2.3 SEM分析

取中顆粒保護渣部分試樣，用特殊方法進行人工破碎，篩選出各粒度范圍下限的破碎試樣，對破碎和未破碎試樣用XL30掃描電鏡檢測。

2 結果與討論

2.1 原料配比對保護渣顆粒粒度分布的影響

保護渣粒度分布如圖1所示。從圖1中可看出，中等顆粒分布比率約占總量60%，1#保護渣中大顆粒比率約占總量40%，1#保護渣顆粒平均粒度較大。如表1所示，1#、2#和3#保護渣中黏結劑和分散劑的加入比例依次減少，3#保護渣中加水比例較高。加入適當黏結劑和分散劑可使原料懸浮在液相中互不接觸，從而增加流動性，過多的黏結劑和分散劑可使泥漿黏度增加[13]。1#保護渣中黏結劑和分散劑加入最多，原料間黏結較緊密，噴霧形成的霧滴較大，成型后保護渣顆?？傮w粒度偏大。因此，加入適中的黏結劑和分散劑，有利于減小原料間的黏滯力和霧滴粒徑，使噴霧成型后的保護渣顆粒總體粒度趨小。

圖1 保護渣粒度分布

2.2 保護渣顆粒粒度對其強度的影響

不同保護渣粒度分布下的破碎率如圖2所示。0.3～0.6 mm和0.6～0.8 mm顆粒保護渣的平均破碎率和綜合破碎率如表2所示。從圖2中可看出，中顆粒保護渣破碎率為大顆粒保護渣破碎率的1/2左右，這表明中等顆粒保護渣強度較大。中顆粒中，1#和2#保護渣顆粒破碎率為3#保護渣顆粒破碎率的2/3左右。從表2中可見，從綜合破碎率看，1#保護渣強度>2#保護渣強度>3#保護渣強度；從平均破碎率看，2#保護渣強度較1#和3#保護渣強度大。上述結果表明，增加中等顆粒比率可有效提高保護渣顆?？傮w強度。

圖2 不同粒度分布下保護渣的破碎率

Table2Comprehensiveandaveragebreakageratesofthemouldfluxes

/%/%1#6.47.3382#4.67.8943#6.510

2.3 保護渣顆粒形貌對其強度的影響

1#保護渣顆粒形貌如圖3所示。從圖3中可看出，大顆粒保護渣表面孔洞較大，凹陷較多；中顆粒保護渣表面孔洞較小，凹陷較少。經掃描電鏡分析可知，大顆粒保護渣孔洞尺寸是小顆粒保護渣孔洞尺寸的2～4倍。保護渣表面孔洞的形式可結合其成型過程(見圖4)予以解釋，保護渣霧滴進入降速蒸發(fā)階段，其表面已結殼而形成相對封閉空間，當內壓大于外壓時形成表面孔洞[14]；霧滴處在降速蒸發(fā)階段，液滴表面干燥速率不小于內部液體的擴散與對流傳遞速率時，其表面雖已結殼，但殼內仍含有液滴，由于內壓趨近外壓，使已成型的顆粒外層不至破裂；成型后，其內部水分繼續(xù)蒸發(fā)，原本水分殘留的空間形成空心，顆粒因內外壓差收縮形成凹陷[15]。兩類粒度保護渣顆粒受力狀況如圖5所示。從圖5中可看出，大顆粒保護渣顆?？锥摧^大，其所受剪切力較大，從孔洞對稱處斷裂的可能性大；小粒徑保護渣顆粒表面孔洞小且球形度好，所受剪切力較小，因而其抗壓能力較大。這是由于保護渣表面凹陷斷面處較少有或無顆粒填充，使得保護渣顆粒受壓時易從凹陷處先破碎，然后從該處對稱面先破碎。因此，大顆粒保護渣強度比中顆粒保護渣強度低的主要原因是大顆粒保護渣表面存在受力狀態(tài)差的大孔洞和凹陷。

(a)0.6～0.8 mm 顆粒

(b) 0.3～0.6 mm顆粒

圖4 保護渣成型過程示意圖

(a) 0.6～0.8 mm 顆粒

(b) 0.3～0.6 mm顆粒

Fig.5Mechanicalanalysisofmouldfluxwithdifferentparticlesizes

2.4 保護渣顆粒斷面致密度對其強度的影響

0.3～0.6 mm保護渣顆粒斷面如圖6所示。由圖6中可看出，顆粒斷面致密度由大到小排序為： 1#保護渣、2#保護渣、3#保護；3#保護渣顆粒斷面大孔隙周圍有17 μm×31 μm似長方形大顆粒存在，其周圍無細小顆粒填充，該處斷面形成以29 μm×31 μm似長方形為底的矩形空間(圖6(c))，這使得顆粒受壓時易從該處破碎，而后從該孔洞對稱面破碎?？梢?，0.3～0.6 mm保護渣顆粒斷面致密度是其強度的主要影響因素。

(a) 1#保護渣

(b)2#保護渣

(c)3#保護渣

Fig.6Sectionalviewofmouldfluxeswithparticlesizeat0.3～0.6mm

2.4.1 黏結劑、分散劑和水分含量對顆粒斷面空洞尺寸的影響

保護渣顆粒斷面空洞尺寸與黏結劑、分散劑和水分含量有關。霧滴在恒速蒸發(fā)階段，其黏結劑、分散劑和水分含量較多，其水分蒸發(fā)為原料顆粒移動提供較大動力，使原料顆粒外移摩擦阻力減小，較小的原料易優(yōu)先移動到外表面，熔融冷卻后形成外殼；霧滴進入降速蒸發(fā)階段，黏結劑、分散劑和水分減少，內部原料的懸浮效果減弱，水分蒸發(fā)提供的動力減小，內部大顆粒物料較多，小顆粒物料外移空間狹小，阻力增大，結果導致內部物料不易填充密實，增大了顆粒斷面空洞尺寸。因此，加入適中的黏結劑、分散劑和水分，可使原料懸浮在液相中，減小其向外遷移的阻力，同時水分蒸發(fā)還為物料提供了外移動力，減小了顆粒斷面空洞尺寸。

2.4.2 球磨時間對顆粒斷面空洞尺寸的影響

原料球磨時，隨球磨時間延長，物料與磨球之間的碰撞幾率增大，從而增大小粒度物料的比率[16]。小粒度物料體積小，所需外移動力小，易通過間隙不斷外移(如圖7所示)，填充已成型顆粒斷面的空間，起減小顆粒斷面空洞尺寸的作用。因此，延長球磨時間，可增大小粒度物料比率，減小顆粒斷面空洞尺寸。

圖7 在保護渣霧滴中不同粒度顆粒移動示意圖Fig.7 Motion diagram of raw material with different particle sizes in mould flux droplets

3 結論

(1)0.3～0.6 mm保護渣顆粒比率是影響其總體強度的主要因素，加入適中的黏結劑和分散劑，可增大0.3～0.6 mm保護渣顆粒的比率，改善其致密度，從而增大保護渣顆?？傮w強度。

(2)大顆粒保護渣強度較中顆粒保護渣強度低，其原因是大顆粒保護渣表面存在受力狀態(tài)差的大孔洞和凹陷。

(3)延長球磨時間，可增大小粒度物料比率，減小顆粒斷面空洞尺寸，從而提高保護渣顆粒強度。

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