燒結用鐵礦粉制粒性能影響因素的試驗研究

史先菊，李光強，劉 暢，李 軍，趙毓偉，王 強

（1.武漢科技大學 省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室，湖北 武漢 430081；2.寶鋼股份中央研究院 武鋼有限技術中心，湖北 武漢 430080；3.鞍鋼股份有限公司 鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口 115007）

鐵礦粉制粒用于改善燒結原料粒度組成以獲得良好透氣性，其效果好壞對燒結過程有較大影響［1］。目前，廣泛應用的鐵礦粉制粒性能評價模型是成球性指數（K），其中，鐵礦粉最大毛細水和最大分子水質量分數用于表征成球能力，K指數越大成球性越好［2－3］。K指數用于評價造球鐵精礦制粒性能的好壞，但用于評價燒結用鐵粉礦制粒性能的一致性較差。鐵精礦粒度相對較細，比表面積大，其親水性在制粒中的影響較大。而鐵粉礦粒度較粗，比表面積小，影響鐵粉礦制粒性能的因素較多，且諸多因素之間存在復雜耦合關系。有研究指出，鐵礦粉粒度對制粒性能和制粒行為的影響較大［4－5］。針對粒度對制粒行為的影響，有學者將鐵礦粉顆粒分為黏附粒子和核粒子，粒度＜0.50 mm的顆粒為黏附粒子， ＞1.00 mm顆粒為核粒子，其余為中間粒子［6－9］。亦有研究提出，影響鐵礦粉制粒性能的因素有物料的黏性、潤濕性、粗糙度、圓形度等［10－12］。鐵礦粉制粒性能的影響因素較多，且影響機理暫不明晰，這給預測的準確度和正確評價鐵礦粉制粒性能帶來了困難。有人在忽略機理的基礎上，通過數學工具分析多因素對鐵礦粉制粒性能的影響，比如借助模型工具、回歸方法等建立鐵礦粉制粒性與其圓形度、氣孔率、潤濕性以及粒度分布等各種因素之間的線性關系，判斷鐵礦粉制粒性能與各因素之間的相關性，并對制粒性能好壞進行評價［13－17］。此類方法均僅考慮與部分影響因素的回歸關系，因此這類回歸分析并不具有普適性。

為探明鐵礦粉制粒性能影響因素之間影響程度的相對強弱關系，本文以鐵礦粉制粒過程中顆粒間黏性物質的黏性力、分子水和毛細水產生的水吸附力、鐵礦石表面棱角產生的咬合力或阻力等為出發點，研究顆粒間作用力的種類，采用黏附指數來計算制粒效果，用于表征鐵礦粉制粒性能的好壞，并判斷顆粒間作用力的相對大小，分析不同作用力的影響因素及其影響程度，建立影響因素對鐵礦粉制粒性能影響強弱的層次關系。

1 原料性能及研究方法

1.1 試驗原料

試驗采用國內某燒結廠使用的11種鐵礦，且為排除不同粒度對檢測結果的干擾，對該鐵礦粉0.50～1.00 mm粒級的親水性和3.15～5.00 mm粒級的孔隙率進行檢測，結果如表1所示。

表1 鐵礦粉的親水性和孔隙率相關參數檢測結果Table 1 Test results of hydrophilicity and porosity-related parameters of iron ore powder

1.2 研究方法及評價指標

1.2.1 最大分子水和最大毛細水的測量及成球性指數計算

本文采用離心法測定鐵礦粉的分子水質量分數［18］，所用設備為湘儀H1850離心機，其轉速為10 000 r/min，離心時間為30 min。在離心后，將樣品烘干并測定殘留的水為鐵礦粉最大分子水質量分數。

采用容量法，并采用圖1所示裝置測定毛細水量。測量步驟：先將有孔篩板裝入?30 mm×150 mm的試管中，然后在篩板上鋪設兩張圓形濾紙，防止礦粉漏失；將干燥后的礦粉樣品自然填充到試管中，至高度達到100 mm；通過橡皮塞將裝料試管與水容器相連；然后用滴定管將蒸餾水逐漸添加到水容器中。當礦粉開始從底部吸水時，通過精密控制滴定管的加水量，保證在較小的壓差下吸水。當液體高度達到100 mm的礦粉料面時，停止試驗。設定樣品中吸收的水量為毛細水量。

圖1 鐵礦粉最大毛細水檢測裝置Fig.1 M aximum capillary water detection device for iron ore powder

成球性指數（K）用于表征水的吸附力［2］，計算方法如式（1）所示。

式中：F為最大分子水質量分數，%；M為最大毛細水質量分數，%。

1.2.2 鐵礦粉孔隙率的檢測

依據《煤和巖石物理力學性質測定方法》（GB/T 23561.2—2009）、《鐵礦石表觀密度、真密度和孔隙率的測定》（GB/T 24586—2009），采用比重瓶浸泡法測定鐵礦粉的孔隙率?？紫对叫?，浸泡時水分進入孔隙所用時間越長，因此，采用浸泡1 h測得的孔隙率表征相對大孔孔隙率，浸泡至鐵礦粉不再吸水時測得的孔隙率表征鐵礦石總孔孔隙率。測量步驟：將比重瓶中裝入三分之一左右的鐵礦粉試樣，并裝滿水；浸泡一定時間后，再次將比重瓶加滿水；直至比重瓶不再需要加水。采用重量差計算礦石孔隙中浸入的水體積，得出礦石孔隙率。礦石大孔孔隙率用于判斷礦石相對粗糙度，其計算方法如下。

式中：Dbig為大孔孔隙率，即浸泡1 h礦石中水浸入的孔隙容積占鐵礦粉總體積百分比，%；Dtotal為總孔孔隙率，即浸泡至礦石不再吸水礦石中水浸入的總孔隙容積占鐵礦粉總體積百分比，%；more為比重瓶中裝入的鐵礦粉重量，g；m0為未開始浸泡時，裝入試樣的比重瓶加滿水時總重量；m1h為試樣浸泡1 h后，比重瓶加滿水的總重量，g；mtotal為試樣浸泡至不再吸水后，比重瓶加滿水的總重量，g。

1.2.3 制粒效果及顆粒間作用力評價指標

圓盤制粒中，制粒水分、圓盤轉速、制粒時間、填充率等參數對制粒的影響較大。為消除制粒參數的影響，試驗采用統一的參數：圓盤直徑為400mm、轉速為20 r/min、制粒時間為10 min、試樣填充量為1 kg，進行多水平水分制粒試驗，取最優水分條件進行分析。

若原始顆粒粒級不同時，顆粒間正作用力越大能制粒成球的原始顆粒粒級越大；若原始顆粒粒級相同時，顆粒間正作用力越大顆粒制粒效果越好，制粒后粒級越大［6］。有研究指出：制粒效果的評價指標包括長大指數、混合料的平均粒度、透氣性指數和制粒效率。而平均粒度和透氣性指數均表征制粒后的狀態，不能表征制粒前后的變化，長大指數和制粒效率可表征制粒前后的變化。其中，長大指數（GI）的計算方法如下。

式中：MS0、MS1分別為混合料制粒前、后的平均粒度，mm［19］。

制粒效率（η，%）的計算方法如下。

式中：E1為制粒前混合料中＜3.00 mm顆粒的質量分數，%；E2為制粒后混合料中＜3.00 mm顆粒的質量分數，%。η越大制粒效果越好［20］。

以上公式均可判斷顆粒制粒效果的好壞，但由于制粒后粒級分級不夠細，用于判斷顆粒間力的作用力相對大小效果不佳。顆粒在所受外力相同的條件下，外力力矩與顆粒半徑成正比。顆粒越大，制?？朔饬奂汕蛩璧念w粒間作用力越大。因此，本文以制粒后顆粒的粒度分布為基礎，根據顆粒間作用力與制粒后顆粒半徑的相關性，提出采用黏附指數來表征制粒效果的好壞，并用于判斷顆粒間作用力的相對大小。計算方法如下。

式中：ρADI為黏附指數，%；i為0～6；ci為＞10.00、（6.30，10.00］、（5.00，6.30］、（3.15，5.00］、（2.00，3.15］、（1.00，2.00］、（0.05，1.00］mm；Pci為ci粒級的質量分數，%。

能制粒成球的原始顆粒越大，所需顆粒間正作用力越大；相同原始顆粒粒級下，制粒后ρADI越大，顆粒間作用力越大。

2 結果與討論

鐵礦粉顆粒制粒成球過程所受的顆粒間作用力有分子水和毛細水的吸附力、鐵礦粉所含黏性物質所產生的黏性力、鐵礦粉表面棱角產生的咬合力或阻力等。其中吸附力和黏性力為正作用力，對制粒起積極作用，鐵礦粉表面棱角產生的力不能確定是咬合力占主導還是阻力占主導，即不能確定其表現為正作用力或負作用力［21］。為此，本文在分析以上3種類型顆粒間作用力強弱的基礎上，研究作用力的影響因素及其影響強弱排序。

2.1 3種自身作用力相對大小綜合分析

已有研究對鐵礦粉分子水和毛細水產生的吸附力較多，在水吸附力作用下進行鐵礦粉制粒，只有＜0.50 mm粒級的顆粒能作為黏附粒子制粒成球。按此理論，鐵礦粉＞0.50 mm的任意粒級，在只有水吸附力作用下不能單獨制粒成球［22］。為此，本文選取2.00～3.15 mm粒級鐵礦粉進行制粒，得到最佳水分條件下制粒后的粒度分布及黏附指數如表2所示。

表2 最佳水分條件下2.00～3.15 mm粒級鐵礦粉制粒試驗結果（質量分數）Table 2 Pelletizing test results of iron ore powder w ith 2.00～3.15 mm particle size under optim alm oisture conditions%

由表2可以看出，2.00～3.15 mm粒級顆粒中，2＃、3＃、6?！?＃鐵礦粉能成球，1＃、4＃、5＃、10＃、11＃鐵礦粉不能成球。這說明2＃、3＃、6?！?＃鐵礦粉的顆粒間存在較水吸附力大的正作用力。為弄清其所受力為何種力，對各礦種黏附指數（ρADI）與成球性指數（K）和孔隙率（Dbig、Dtotal）之間的關系進行分析，如圖2所示。

圖2 2.00～3.15 mm粒級鐵礦粉的ρADI與孔隙率和K之間的關系Fig.2 The relationship betweenρADI and porosity and K of iron ore powder w ith 2.00～3.15 mm particle size

由圖2可以看出，不同鐵礦粉2.00～3.15 mm粒級顆粒ρADI與K之間無明顯規律性，與Dbig、Dtotal表現出一定的負相關性。這說明2.00～3.15 mm粒級顆粒制粒成球的主要正作用力不是分子水、毛細水吸附力和棱角產生的作用力，而是鐵礦粉中含有的黏性物質表現出的黏性力，且黏性力大于水吸附力和棱角力。有研究指出，當鐵礦粉中含有黏性高嶺土時，鐵礦粉制粒性能更好，鐵礦粉制粒性能與高嶺土質量分數和高嶺土的細度有較強的相關性。黏性高嶺土質量分數越多制粒性能越好，高嶺土分布細度越細制粒性能越好［6］。但由于鐵礦粉中黏性物質較少，不易提取，難以進行黏性檢測，故本文采用鐵礦粉2.00～3.15 mm粒級礦粉制粒后的ρADI值表征鐵礦粉的黏度。根據ρADI大小對鐵礦粉的黏度進行排序：9＃＞8＃＞3＃＞7＃＞6＃＞2＃，10＃、1＃、4＃、5＃、11＃無黏性。

綜合而言，制粒時顆粒間表現出的3種類型作用力之間的關系：正作用黏性力大于水吸附力，棱角產生的力表現為負作用力。

2.2 顆粒間作用力影響因素分析

為弄清制粒因素影響鐵礦粉自身作用力的機制，進行如下因素分析試驗。

2.2.1 水分對鐵礦粉制粒行為的影響

由于正作用力水吸附力和黏性力均需以水分為表達媒介［15］。為弄清楚水分的影響程度，對鐵礦粉＜0.50 mm粒級顆粒進行制粒試驗，分析不同水分條件下的制粒效果。為確保水分分布的均勻性，試驗均在制粒前加水，混合均勻放置5 min后加入圓盤進行制粒，圓盤制粒過程中不另外加水，試驗結果如圖3所示。由圖3可以看出，無論鐵礦粉制粒過程顆粒間受何種力作用，均需在水分達到一定值時才開始黏附成球，并隨著水分質量分數的增加黏附指數增加。因此，在鐵礦粉制粒過程中，水分是第一層影響因素，足夠的水分是成球的必備條件。

圖3 11種＜0.50 mm粒級鐵礦粉ρADI與水分質量分數的關系Fig.3 The relationship betweenρADI and moisturemass fraction of 11 kinds of iron ore powder w ith ＜0.50 mm particle size

2.2.2 鐵礦粉粒級對鐵礦粉制粒行為的影響

在水分充足，顆粒間作用力充分表達的條件下，為弄清粒級如何影響鐵礦粉的制粒效果，對0.50～1.00 mm粒級和＜0.50 mm粒級鐵礦粉進行制粒試驗，得到最佳水分條件制粒后的粒級分布及ρADI如表3、4所示。

表3 最佳水分條件下0.50～1.00 mm粒級鐵礦粉制粒試驗結果（質量分數）Table 3 Pelletizing test results of iron ore powder w ith 0.50～1.00 mm particle size under optim alm oisture conditions%

表4 最佳水分條件下＜0.50 mm粒級鐵礦粉制粒試驗結果（質量分數）Table 4 Pelletizing test results of iron ore powder w ith ＜0.50 mm particle size under optimalmoisture conditions %

由表3、4可以看出，有黏性鐵礦粉在兩個粒級條件下均能成球；無黏性礦0.50～1.00 mm粒級不能制粒成球， ＜0.50 mm粒級可以成球。由于顆粒越大制粒過程中顆粒碰撞產生的力矩越大，顆粒越容易剝落［23］。有黏性的礦，大粒級亦能成球，說明黏性力足夠克服大顆粒碰撞產生的力矩。

綜合而言，黏性力的影響大于粒級的影響，鐵礦粉黏性為第二層影響因素；粒級的影響大于水吸附力的影響，粒級為第三層影響因素。

2.2.3 鐵礦粉親水性和粗糙度對鐵礦粉制粒性能的影響

有黏性礦制粒時顆粒間黏性力相對較大，水吸附力和顆粒表面棱角阻力相對較小，因此，黏性力是影響有黏性礦制粒的主要因素。而無黏性礦制粒時僅受水吸附力和顆粒表面棱角阻力作用。為了弄清此兩種力對無黏性礦制粒的影響程度，對無黏性礦＜0.50 mm粒級顆粒進行制粒試驗，得到最佳制粒水分條件下試驗結果如圖4所示。

圖4 ＜0.50 mm粒級無黏性鐵礦粉ρADI與孔隙率和K之間的關系Fig.4 The relationship betweenρADI and porosity and K of non-viscous iron ore powder w ith ＜0.50 mm particle size

由圖4可以看出，無黏性礦種ρADI與K之間有一定的正相關性，與Dbig表現出一定的負相關性，與Dtotal表現出的影響規律變弱，但不是全部無黏性礦種均吻合此規律。這說明無黏性礦制粒時，會受到水吸附力和大孔棱角產生的阻力共同作用，因此將無黏性鐵礦粉制粒后ρADI對K與Dbig比值繪制線性關系圖，如圖5所示。

圖5 ＜0.50 mm粒級無黏性鐵礦粉ρADI與K/D big的關系Fig.5 The relationship betweenρADI and K/D big of non-viscous iron ore powder w ith＜0.50 mm particle size

由圖5可以看出， ＜0.50 mm粒級鐵礦粉制粒效果與K/Dbig呈現出較強的規律性，這是由于顆粒表面越粗糙棱角越大，顆粒表面水分的接觸越不充分，顆粒間水吸附力越小，因此無黏性礦顆粒需在水吸附力作用下克服棱角阻力進行制粒。因此親水性和表面粗糙度為鐵礦粉制粒性能的第四層影響因素。

3 結 論

（1）本文提出黏附指數用于判斷顆粒間力作用的相對大小。在相同原始顆粒條件下，黏附指數越大，顆粒間作用力越大。同時，制粒原始顆粒越大，制粒所需作用力越大。

（2）鐵礦粉制粒過程所受的顆粒間作用力：鐵礦粉自身黏性產生的黏性力，分子水和毛細水產生的吸附力，鐵礦石表面棱角產生的阻力。＞0.50 mm粒級原始顆粒制粒后，黏附指數大于0，這表明顆粒間存在黏性力，反之僅存在水吸附力和棱角產生的阻力。其中黏性力大于水吸附力和棱角阻力，水吸附力和棱角阻力大小差異不大。

（3）有黏性鐵礦粉受以上3種作用力同時作用，以黏性力作用為主；無黏性鐵礦粉，鐵礦粉制粒時受鐵礦粉水吸附力和表面粗糙度共同作用，黏附指數與K/Dbig呈正相關關系。

（4）鐵礦粉制粒性能影響因素的層級關系：第一層影響因素是水分，在水分不充足時不能制粒，水分充足時由第二層因素主導；第二層影響因素是鐵礦粉黏性，在水分充足時有黏性鐵礦粉均能制粒成球，無黏性時由第三層因素主導；第三層影響因素是鐵礦粉粒度，沒有黏性的鐵礦粉在粒度＞0.50 mm 時均不能制粒成球，粒度＜0.50 mm時由第四層主導；第四層影響因素為親水性和鐵礦粉表面粗糙度，鐵礦粉粒度＜0.50 mm時，K/Dbig越大，鐵礦粉的制粒效果越好。