纖維化膨潤土制備及其在鐵精礦球團中的應用

黃柱成，李鐵輝，易凌云，姜濤

(中南大學 資源加工與生物工程學院，湖南 長沙，410083)

2011年世界球團礦產量為 4.16億 t，同比增長3.5%，中國球團礦產量為1.32億t，同比增長6.5%。目前國內外球團廠大都采用膨潤土作黏結劑，膨潤土用量一般為1.5%～3.0%，甚至更高。降低膨潤土用量、提高球團礦的鐵品位，對高爐實現高產、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%，產量可提高3%～4%[1?3]。因此，在無法取代膨潤土的情況下，發揮膨潤土在球團中的作用，從而降低膨潤土用量，具有重要意義。多年來，國內外對采用有機黏結劑部分或全部取代膨潤土進行了造球試驗研究。然而，在球團生產中占絕對支配地位的黏結劑仍然是膨潤土。有機黏結劑至今未能獲得廣泛應用[4?8]。研究認為，膨潤土對提高生球強度有2個方面的作用：一是膨潤土顆粒中膠體物質減少了膨潤土內部各層間的距離，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橋加強了鐵精礦顆粒之間的作用[9?12]。當膨潤土被潤濕后，膨潤土各層吸水膨脹，導致各層間的靜電引力變弱；在壓力、剪切力作用下，膨潤土各片層產生滑動，促使膨潤土纖維結構形成。在造球過程中強化了膨潤土在鐵精礦顆粒之間分散和聯接作用，明顯提高球團質量[13?16]。本文作者采用添加有機分散劑在攪拌機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進行造球。研究了纖維化膨潤土的性能及其對鐵精礦球團質量的影響。

1 纖維化膨潤土制備及其性能

1.1 纖維化膨潤土制備

試驗所用膨潤土的化學組成和物理性能見表1和表2。

表1 膨潤土的主要化學成分及燒損(質量分數)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力。然而在造球原料中水分較少，膨潤土吸水、膨脹時間短，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，難以發揮作用。為此，先將膨潤土與溶于水后的有機分散劑溶液混合，然后在機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，在水分子和有機分散劑的作用下，蒙脫石分子充分吸水，展開并與有機分散劑分子作用，形成穩定的纖維化膨潤土，纖維化膨潤土能高效與鐵精礦顆粒表面作用，充分發揮粘結作用。

1.2 纖維化膨潤土持水性能檢測與分析

按膨潤土、有機分散劑和水的質量比為100:2:500制備纖維化膨潤土，并與膨潤土膠體(膨潤土與水質量比為100:500)進行持水性能對比。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型號馬弗爐在200，300，400和500 ℃條件下進行持水性能的考察。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評價膨潤土的持水性能，結果見圖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為膨潤土的質量，g；m0為膨潤土膠體含水質量，g；mt為干燥后膨潤土膠體含水質量，g。

從圖1和圖2可知：在一定的溫度下，隨著脫水時間的延長，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間的延長逐漸增大，直至達到最大，然后差值開始減小，在不同的溫度下，差值到達最大值的時間見表3。

在不同的溫度下，相同時間內，纖維化后的膨潤土持水能力更強，脫水的速度更慢，這是有機分散劑的加入增加了膨潤土表面的親水性。加大了水化膜的強度和厚度，使顆粒間的水化排斥作用能增大所致。有機分散劑的另外一種分散形式為增大晶須表面的電位絕對值，提高顆粒間的靜電排斥作用而達到分散的效果。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比照片如圖3和圖4所示。

圖1 脫水時間對膨潤土含水率的影響Fig. 1 Influence of dehydration time on moisture content of bentonite

圖2 脫水時間對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構，在脫水的過程中仍緊密黏結在一起，沒有裂紋，在完全脫水干燥后，成纖維狀聯接在一起，強度良好。

圖3 300 ℃時纖維化膨潤土脫水過程形態變化Fig. 3 Shape change of fibrosis bentonite during dehydration process at 300 ℃

圖4 300 ℃脫水后膨潤土SEM照片Fig. 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。結果表明：膨潤土是由多層、邊界形狀不規則的聚集體構成。經纖維化后膨潤土粒度變小、比表面積變大、分散度提高，原來的多層片狀結構已經基本解離成單層結構，且相互連接，形成相互交錯的纖維結構。

2 纖維化膨潤土強化球團制備結果與分析

2.1 試驗原料及試驗方法

試驗用鐵精礦的化學成分和粒度組成見表 4和表5。

表4 鐵精礦化學成分(質量分數)Table 4 Chemical composition of iron ore concentrates %

表 5 鐵精礦粒度組成(質量分數)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%的水分進行濕潤，然后與一定量的膨潤土進行混合，在直徑為1 000 mm圓盤造球機上進行造球，轉速為28 r/min，傾角45°。首先制備一定量的母球，在12 min內加料加水長大至8 mm左右的球團，取直徑為8～10 mm的球團500 g用于強化造球試驗，剩余的球團繼續造球長大至粒徑為12～16 mm。對500 g直徑為8～10 mm的球團噴灑纖維化膨潤土，繼續造球長大至粒徑為 12～16 mm，然后進行落下強度、抗壓強度和爆裂溫度的檢測。造球試驗流程如圖5所示。

球團中膨潤土含量的計算公式如下：

其中：W為球團中膨潤土質量分數，%；MP為纖維化膨潤土添加質量，g；m0為母球的質量，g；w0為配料時膨潤土的質量分數，%；M為纖維化造球時鐵精礦添加質量，g。

生球在110 ℃烘箱中烘干，用于進行預熱及焙燒實驗。預熱、焙燒實驗在臥式管狀電爐中進行，預熱溫度為900 ℃，時間為15 min；焙燒溫度為1 280 ℃，時間為10 min。球團礦的抗壓強度在最大載荷為10.0 kN的智能球團壓力機上測定。

圖5 造球試驗流程圖Fig. 5 Flow chart of palletizing test

2.2 試驗結果與分析

分組進行造球試驗，一組按照常規造球，膨潤土的添加量(質量分數)分別為0.5%，1.0%，1.5%和2.0%；另一組強化造球，膨潤土的添加量(質量分數)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進行造球，然后檢測球團礦的各項性能，以考查膨潤土纖維化對球團性能的影響，結果如圖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度和抗壓強度明顯提高，生球爆裂溫度也有所改善。同時，預熱球強度和焙燒球強度也明顯提高。當在生球長大區采用噴灑纖維化膨潤土強化造球時，生球質量、預熱球和焙燒球強度明顯提高。當添加1%膨潤土常規造球時，生球的抗壓強度、落下強度和爆裂溫度分別為11.0 N/個，1.9次/0.5 m和 490 ℃；900℃預熱15 min和1 280 ℃焙燒10 min所獲得的預熱球和焙燒球的抗壓強度分別為301 N/個和2 653 N/個。在常規造球基礎上，在生球長大區采用噴灑纖維化膨潤土進行強化造球，其膨潤土質量分數為 1.07%，生球的抗壓強度、落下強度和爆裂溫度分別提高到14.1 N/個，3.4次/0.5 m和540 ℃，900 ℃預熱15 min和1 280 ℃焙燒10 min所獲得的預熱球和焙燒球的抗壓強度分別提高到408 N/個和2 700 N/個，其中對生球落下強度和預熱球抗壓強度改善尤其明顯，提高幅度達 78.95%和 35.55%。采用纖維化膨潤土進行強化造球，膨潤土充分吸水和膨脹，在水分子和有機分散劑的作用下，蒙脫石分子充分吸水，展開并與有機分散劑分子作用，形成穩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，充分發揮黏結作用，生球、預熱球和焙燒球質量都得到顯著的改善。

圖6 纖維化膨潤土強化造球對生球質量的影響Fig. 6 Influence of pelletizing with fibrosis bentonite on quality of green ball

圖7 纖維化膨潤土強化造球工藝對預熱球和焙燒球強度的影響Fig. 7 Influence of pelletizing with fibrosis bentonite on strength of preheated and roasted balls

3 結論

(1) 經纖維化后，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構基本解離成單層結構。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，充分發揮黏結作用，在生球長大區噴灑纖維化膨潤土強化造球能顯著改善生球、預熱球和焙燒球質量，其中對生球落下強度和預熱球抗壓強度改善尤其明顯，提高幅度達78.95%和35.55%。

(3) 在常規造球生球長大區，采用噴灑纖維化膨潤土進行強化造球，膨潤土質量分數為 1.07%，生球的抗壓強度、落下強度和爆裂溫度分別為14.1 N/個、3.4次/0.5 m和540 ℃，900 ℃預熱15 min和1 280 ℃焙燒 10 min所獲得的預熱球和焙燒球的抗壓強度分別為408 N/個和2 700 N/個。

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