纖維化膨潤土制備及其在鐵精礦球團(tuán)中的應(yīng)用

黃柱成，李鐵輝，易凌云，姜濤

(中南大學(xué) 資源加工與生物工程學(xué)院，湖南 長沙，410083)

2011年世界球團(tuán)礦產(chǎn)量為 4.16億 t，同比增長3.5%，中國球團(tuán)礦產(chǎn)量為1.32億t，同比增長6.5%。目前國內(nèi)外球團(tuán)廠大都采用膨潤土作黏結(jié)劑，膨潤土用量一般為1.5%～3.0%，甚至更高。降低膨潤土用量、提高球團(tuán)礦的鐵品位，對(duì)高爐實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、低耗意義重大。理論上，高爐冶煉中，入爐原料鐵品位提高1%。焦比降低2%，產(chǎn)量可提高3%～4%[1?3]。因此，在無法取代膨潤土的情況下，發(fā)揮膨潤土在球團(tuán)中的作用，從而降低膨潤土用量，具有重要意義。多年來，國內(nèi)外對(duì)采用有機(jī)黏結(jié)劑部分或全部取代膨潤土進(jìn)行了造球試驗(yàn)研究。然而，在球團(tuán)生產(chǎn)中占絕對(duì)支配地位的黏結(jié)劑仍然是膨潤土。有機(jī)黏結(jié)劑至今未能獲得廣泛應(yīng)用[4?8]。研究認(rèn)為，膨潤土對(duì)提高生球強(qiáng)度有2個(gè)方面的作用：一是膨潤土顆粒中膠體物質(zhì)減少了膨潤土內(nèi)部各層間的距離，從而增加了各層間的范德華力；二是膨潤土顆粒形成了固體粘結(jié)橋加強(qiáng)了鐵精礦顆粒之間的作用[9?12]。當(dāng)膨潤土被潤濕后，膨潤土各層吸水膨脹，導(dǎo)致各層間的靜電引力變?nèi)酰辉趬毫?、剪切力作用下，膨潤土各片層產(chǎn)生滑動(dòng)，促使膨潤土纖維結(jié)構(gòu)形成。在造球過程中強(qiáng)化了膨潤土在鐵精礦顆粒之間分散和聯(lián)接作用，明顯提高球團(tuán)質(zhì)量[13?16]。本文作者采用添加有機(jī)分散劑在攪拌機(jī)械力的作用下制備了纖維化膨潤土，并將其噴灑在鐵精礦成球長大區(qū)進(jìn)行造球。研究了纖維化膨潤土的性能及其對(duì)鐵精礦球團(tuán)質(zhì)量的影響。

1 纖維化膨潤土制備及其性能

1.1 纖維化膨潤土制備

試驗(yàn)所用膨潤土的化學(xué)組成和物理性能見表1和表2。

表1 膨潤土的主要化學(xué)成分及燒損(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Main chemical composition and burning loss of bentonite %

表 2 膨潤土的主要物理性能Table 2 Main physical properties of bentonite

膨潤土晶層間的氧層與氧層以范德華力結(jié)合，鍵能較弱，可形成良好的解離面，層間易侵入水分子或其他極性分子，引起體積的不斷膨脹，使相鄰晶層分開。在鐵精礦造球過程中，膨潤土在水的作用下吸水和蒙脫石展開，并與鐵精礦顆粒表面作用而形成黏結(jié)力。然而在造球原料中水分較少，膨潤土吸水、膨脹時(shí)間短，蒙脫石難以充分展開與鐵精礦顆粒作用，甚至部分較粗顆粒膨潤土未能有效吸水和蒙脫石展開，難以發(fā)揮作用。為此，先將膨潤土與溶于水后的有機(jī)分散劑溶液混合，然后在機(jī)械攪拌力的作用下制成纖維化膨潤土，在此過程中，膨潤土吸水和膨脹，在水分子和有機(jī)分散劑的作用下，蒙脫石分子充分吸水，展開并與有機(jī)分散劑分子作用，形成穩(wěn)定的纖維化膨潤土，纖維化膨潤土能高效與鐵精礦顆粒表面作用，充分發(fā)揮粘結(jié)作用。

1.2 纖維化膨潤土持水性能檢測(cè)與分析

按膨潤土、有機(jī)分散劑和水的質(zhì)量比為100:2:500制備纖維化膨潤土，并與膨潤土膠體(膨潤土與水質(zhì)量比為100:500)進(jìn)行持水性能對(duì)比。分別將500 g膨潤土膠體和纖維化膨潤土裝入 500 mL燒杯中，采用8X?12?18型號(hào)馬弗爐在200，300，400和500 ℃條件下進(jìn)行持水性能的考察。采用在一定溫度下脫水后膨潤土含水率Wt和累積脫水率ηt評(píng)價(jià)膨潤土的持水性能，結(jié)果見圖1和圖2。

其中：Wt為膨潤土含水率，%；ηt為脫水后膨潤土累積脫水率，%；M為膨潤土的質(zhì)量，g；m0為膨潤土膠體含水質(zhì)量，g；mt為干燥后膨潤土膠體含水質(zhì)量，g。

從圖1和圖2可知：在一定的溫度下，隨著脫水時(shí)間的延長，膨潤土含水率逐漸降低，累積脫水率逐步提高，與含水量相同的膨潤土膠體相比，纖維化膨潤土脫水速度明顯降低，兩者的含水率和累積脫水率差值隨著時(shí)間的延長逐漸增大，直至達(dá)到最大，然后差值開始減小，在不同的溫度下，差值到達(dá)最大值的時(shí)間見表3。

在不同的溫度下，相同時(shí)間內(nèi)，纖維化后的膨潤土持水能力更強(qiáng)，脫水的速度更慢，這是有機(jī)分散劑的加入增加了膨潤土表面的親水性。加大了水化膜的強(qiáng)度和厚度，使顆粒間的水化排斥作用能增大所致。有機(jī)分散劑的另外一種分散形式為增大晶須表面的電位絕對(duì)值，提高顆粒間的靜電排斥作用而達(dá)到分散的效果。而且隨著溫度的升高，膨潤土的脫水速度明顯加快。膨潤土纖維化前后對(duì)比照片如圖3和圖4所示。

圖1 脫水時(shí)間對(duì)膨潤土含水率的影響Fig. 1 Influence of dehydration time on moisture content of bentonite

圖2 脫水時(shí)間對(duì)膨潤土累積脫水率的影響Fig. 2 Influence of dehydration time on bentonite cumulative dehydration rate

表3 脫水時(shí)含水率及累積脫水率最大差值Table 3 Maximum difference values of dehydrated moisture

從圖3可知：在脫水的過程中，未纖維化膨潤土表面裂開，呈塊狀；在完全脫水干燥后，膨潤土碎成小塊，強(qiáng)度較差。而纖維化膨潤土，由于分散更加均勻，形成了膨潤土纖維結(jié)構(gòu)，在脫水的過程中仍緊密黏結(jié)在一起，沒有裂紋，在完全脫水干燥后，成纖維狀聯(lián)接在一起，強(qiáng)度良好。

圖3 300 ℃時(shí)纖維化膨潤土脫水過程形態(tài)變化Fig. 3 Shape change of fibrosis bentonite during dehydration process at 300 ℃

圖4 300 ℃脫水后膨潤土SEM照片F(xiàn)ig. 4 SEM images of bentonite after dehydration at 300 ℃

圖 4所示為膨潤土纖維化前后的掃描電鏡(SEM)照片。結(jié)果表明：膨潤土是由多層、邊界形狀不規(guī)則的聚集體構(gòu)成。經(jīng)纖維化后膨潤土粒度變小、比表面積變大、分散度提高，原來的多層片狀結(jié)構(gòu)已經(jīng)基本解離成單層結(jié)構(gòu)，且相互連接，形成相互交錯(cuò)的纖維結(jié)構(gòu)。

2 纖維化膨潤土強(qiáng)化球團(tuán)制備結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)原料及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用鐵精礦的化學(xué)成分和粒度組成見表 4和表5。

表4 鐵精礦化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 4 Chemical composition of iron ore concentrates %

表 5 鐵精礦粒度組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 5 Size distribution of iron ore concentrates %

造球混合料采用人工配料和混勻，每次稱取10 kg鐵精礦，加入 5%的水分進(jìn)行濕潤，然后與一定量的膨潤土進(jìn)行混合，在直徑為1 000 mm圓盤造球機(jī)上進(jìn)行造球，轉(zhuǎn)速為28 r/min，傾角45°。首先制備一定量的母球，在12 min內(nèi)加料加水長大至8 mm左右的球團(tuán)，取直徑為8～10 mm的球團(tuán)500 g用于強(qiáng)化造球試驗(yàn)，剩余的球團(tuán)繼續(xù)造球長大至粒徑為12～16 mm。對(duì)500 g直徑為8～10 mm的球團(tuán)噴灑纖維化膨潤土，繼續(xù)造球長大至粒徑為 12～16 mm，然后進(jìn)行落下強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和爆裂溫度的檢測(cè)。造球試驗(yàn)流程如圖5所示。

球團(tuán)中膨潤土含量的計(jì)算公式如下：

其中：W為球團(tuán)中膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；MP為纖維化膨潤土添加質(zhì)量，g；m0為母球的質(zhì)量，g；w0為配料時(shí)膨潤土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；M為纖維化造球時(shí)鐵精礦添加質(zhì)量，g。

生球在110 ℃烘箱中烘干，用于進(jìn)行預(yù)熱及焙燒實(shí)驗(yàn)。預(yù)熱、焙燒實(shí)驗(yàn)在臥式管狀電爐中進(jìn)行，預(yù)熱溫度為900 ℃，時(shí)間為15 min；焙燒溫度為1 280 ℃，時(shí)間為10 min。球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度在最大載荷為10.0 kN的智能球團(tuán)壓力機(jī)上測(cè)定。

圖5 造球試驗(yàn)流程圖Fig. 5 Flow chart of palletizing test

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

分組進(jìn)行造球試驗(yàn)，一組按照常規(guī)造球，膨潤土的添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為0.5%，1.0%，1.5%和2.0%；另一組強(qiáng)化造球，膨潤土的添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為0.55%，1.07%，1.55%和 2.05%。將纖維化膨潤土噴灑在鐵精礦成球長大區(qū)進(jìn)行造球，然后檢測(cè)球團(tuán)礦的各項(xiàng)性能，以考查膨潤土纖維化對(duì)球團(tuán)性能的影響，結(jié)果如圖6和圖7所示。

從圖6和圖7可見：隨著膨潤土用量的提高生球落下強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度明顯提高，生球爆裂溫度也有所改善。同時(shí)，預(yù)熱球強(qiáng)度和焙燒球強(qiáng)度也明顯提高。當(dāng)在生球長大區(qū)采用噴灑纖維化膨潤土強(qiáng)化造球時(shí)，生球質(zhì)量、預(yù)熱球和焙燒球強(qiáng)度明顯提高。當(dāng)添加1%膨潤土常規(guī)造球時(shí)，生球的抗壓強(qiáng)度、落下強(qiáng)度和爆裂溫度分別為11.0 N/個(gè)，1.9次/0.5 m和 490 ℃；900℃預(yù)熱15 min和1 280 ℃焙燒10 min所獲得的預(yù)熱球和焙燒球的抗壓強(qiáng)度分別為301 N/個(gè)和2 653 N/個(gè)。在常規(guī)造球基礎(chǔ)上，在生球長大區(qū)采用噴灑纖維化膨潤土進(jìn)行強(qiáng)化造球，其膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1.07%，生球的抗壓強(qiáng)度、落下強(qiáng)度和爆裂溫度分別提高到14.1 N/個(gè)，3.4次/0.5 m和540 ℃，900 ℃預(yù)熱15 min和1 280 ℃焙燒10 min所獲得的預(yù)熱球和焙燒球的抗壓強(qiáng)度分別提高到408 N/個(gè)和2 700 N/個(gè)，其中對(duì)生球落下強(qiáng)度和預(yù)熱球抗壓強(qiáng)度改善尤其明顯，提高幅度達(dá) 78.95%和 35.55%。采用纖維化膨潤土進(jìn)行強(qiáng)化造球，膨潤土充分吸水和膨脹，在水分子和有機(jī)分散劑的作用下，蒙脫石分子充分吸水，展開并與有機(jī)分散劑分子作用，形成穩(wěn)定的纖維化的膨潤土，纖維化膨潤土能高效與鐵精礦顆粒表面作用，充分發(fā)揮黏結(jié)作用，生球、預(yù)熱球和焙燒球質(zhì)量都得到顯著的改善。

圖6 纖維化膨潤土強(qiáng)化造球?qū)ι蛸|(zhì)量的影響Fig. 6 Influence of pelletizing with fibrosis bentonite on quality of green ball

圖7 纖維化膨潤土強(qiáng)化造球工藝對(duì)預(yù)熱球和焙燒球強(qiáng)度的影響Fig. 7 Influence of pelletizing with fibrosis bentonite on strength of preheated and roasted balls

3 結(jié)論

(1) 經(jīng)纖維化后，膨潤土脫水速率明顯變慢，持水能力明顯提高，粒度變小、比表面積變大，分散度提高，由原來的多層片狀結(jié)構(gòu)基本解離成單層結(jié)構(gòu)。在300 ℃脫水70 min后，膨潤土纖維化前后含水率和累積脫水率差值達(dá)到最大，分別為103.12%和10.20%。

(2) 纖維化膨潤土能高效與鐵精礦顆粒表面作用，充分發(fā)揮黏結(jié)作用，在生球長大區(qū)噴灑纖維化膨潤土強(qiáng)化造球能顯著改善生球、預(yù)熱球和焙燒球質(zhì)量，其中對(duì)生球落下強(qiáng)度和預(yù)熱球抗壓強(qiáng)度改善尤其明顯，提高幅度達(dá)78.95%和35.55%。

(3) 在常規(guī)造球生球長大區(qū)，采用噴灑纖維化膨潤土進(jìn)行強(qiáng)化造球，膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1.07%，生球的抗壓強(qiáng)度、落下強(qiáng)度和爆裂溫度分別為14.1 N/個(gè)、3.4次/0.5 m和540 ℃，900 ℃預(yù)熱15 min和1 280 ℃焙燒 10 min所獲得的預(yù)熱球和焙燒球的抗壓強(qiáng)度分別為408 N/個(gè)和2 700 N/個(gè)。

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