纤维化膨润土制备及其在铁精矿球团中的应用
黄柱成，李铁辉，易凌云，姜涛
(中南大学 资源加工与生物工程学院，湖南 长沙，410083)
摘要：在搅拌磨机械力的作用下添加有机分散剂制备纤维化膨润土，将制得的纤维化膨润土喷洒在铁精矿成球长大区进行造球，研究纤维化膨润土的性能及其对铁精矿球团质量的影响。研究结果表明：纤维化的膨润土在加热脱水的过程中，脱水速率明显降低，持水能力明显提高，经纤维化后膨润土粒度变小、比表面积变大，分散度提高，原来的多层片状结构，基本解离成单层结构。与常规造球相比，在生球长大区喷洒纤维化膨润土进行强化造球，生球的抗压强度、落下强度和爆裂温度分别从11.0 N/个，1.9次/0.5 m和 490 ℃提高到14.1 N/个，3.4次/0.5 m和540 ℃，900 ℃预热15 min和1 280 ℃焙烧10 min所获得的预热球和焙烧球的抗压强度分别从301 N/个，2 653 N/个提高到408 N/个和2 700 N/个。
关键词：膨润土；纤维化；铁精矿；球团
中图分类号：TF046.2 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2014)02-0341-07
Preparation of fibrosis bentonite and its application in iron ore concentrate pellet
HUANG Zhucheng, LI Tiehui, YI Lingyun, JIANG Tao
(School of Minerals Processing and Bioengineering, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: Fibrosis bentonite was firstly prepared by mixing with organic dispersant in stirred mill, then pelletizing experiments were carried out with it in iron ore concentrate pellets growing area. The properties of fibrosis bentonite and its performance in iron ore pelletizing were studied. The results show that the dehydration rate of fibrosis bentonite reduces significantly during the heating process, and its moisture holding capacity is improved obviously. The bentonite particle size becomes smaller, specific surface area becomes larger and the degree of dispersion is improved. Moreover, the original multilayer chip structure of bentonite turns into single layer. Strengthening the pelletizing by spraying fibrosis bentonite in ball growing area, the compression strength, drop strength and explosion temperature of green ball will reach 14.1 N/ball, 3.4 times/0.5 m and 540 ℃ from 11 N/ball, 2.1 times/0.5 m and 490 ℃ respectively compared with the conventional pelletizing. Moreover, compression strength of the preheated ball rises to 408 N/ball from 301 N/ball with 15 min preheating at 900 ℃ and compression strength of the roasted ball is also improved to 2 700 N/ball from 2 653 N/ball after being roasted for 10 min at 1 280 ℃.
Key words: bentonite; fibrosis; iron ore concentrate; pellet
2011年世界球团矿产量为4.16亿t，同比增长3.5%，中国球团矿产量为1.32亿t，同比增长6.5%。目前国内外球团厂大都采用膨润土作黏结剂，膨润土用量一般为1.5%~3.0%，甚至更高。降低膨润土用量、提高球团矿的铁品位，对高炉实现高产、低耗意义重大。理论上，高炉冶炼中，入炉原料铁品位提高1%。焦比降低2%，产量可提高3%~4%[1-3]。因此，在无法取代膨润土的情况下，发挥膨润土在球团中的作用，从而降低膨润土用量，具有重要意义。多年来，国内外对采用有机黏结剂部分或全部取代膨润土进行了造球试验研究。然而，在球团生产中占绝对支配地位的黏结剂仍然是膨润土。有机黏结剂至今未能获得广泛应用[4-8]。研究认为，膨润土对提高生球强度有2个方面的作用：一是膨润土颗粒中胶体物质减少了膨润土内部各层间的距离，从而增加了各层间的范德华力；二是膨润土颗粒形成了固体粘结桥加强了铁精矿颗粒之间的作用[9-12]。当膨润土被润湿后，膨润土各层吸水膨胀，导致各层间的静电引力变弱；在压力、剪切力作用下，膨润土各片层产生滑动，促使膨润土纤维结构形成。在造球过程中强化了膨润土在铁精矿颗粒之间分散和联接作用，明显提高球团质量[13-16]。本文作者采用添加有机分散剂在搅拌机械力的作用下制备了纤维化膨润土，并将其喷洒在铁精矿成球长大区进行造球。研究了纤维化膨润土的性能及其对铁精矿球团质量的影响。
1 纤维化膨润土制备及其性能
1.1 纤维化膨润土制备
试验所用膨润土的化学组成和物理性能见表1和表2。
表1 膨润土的主要化学成分及烧损(质量分数)
Table 1 Main chemical composition and burning loss of bentonite %
表2 膨润土的主要物理性能
Table 2 Main physical properties of bentonite
膨润土晶层间的氧层与氧层以范德华力结合，键能较弱，可形成良好的解离面，层间易侵入水分子或其他极性分子，引起体积的不断膨胀，使相邻晶层分开。在铁精矿造球过程中，膨润土在水的作用下吸水和蒙脱石展开，并与铁精矿颗粒表面作用而形成黏结力。然而在造球原料中水分较少，膨润土吸水、膨胀时间短，蒙脱石难以充分展开与铁精矿颗粒作用，甚至部分较粗颗粒膨润土未能有效吸水和蒙脱石展开，难以发挥作用。为此，先将膨润土与溶于水后的有机分散剂溶液混合，然后在机械搅拌力的作用下制成纤维化膨润土，在此过程中，膨润土吸水和膨胀，在水分子和有机分散剂的作用下，蒙脱石分子充分吸水，展开并与有机分散剂分子作用，形成稳定的纤维化膨润土，纤维化膨润土能高效与铁精矿颗粒表面作用，充分发挥粘结作用。
1.2 纤维化膨润土持水性能检测与分析
按膨润土、有机分散剂和水的质量比为100:2:500制备纤维化膨润土，并与膨润土胶体(膨润土与水质量比为100:500)进行持水性能对比。分别将500 g膨润土胶体和纤维化膨润土装入500 mL烧杯中，采用8X-12-18型号马弗炉在200，300，400和500 ℃条件下进行持水性能的考察。采用在一定温度下脱水后膨润土含水率Wt和累积脱水率ηt评价膨润土的持水性能，结果见图1和图2。
(1)
(2)
其中：Wt为膨润土含水率，%；ηt为脱水后膨润土累积脱水率，%；M为膨润土的质量，g；m0为膨润土胶体含水质量，g；mt为干燥后膨润土胶体含水质量，g。
从图1和图2可知：在一定的温度下，随着脱水时间的延长，膨润土含水率逐渐降低，累积脱水率逐步提高，与含水量相同的膨润土胶体相比，纤维化膨润土脱水速度明显降低，两者的含水率和累积脱水率差值随着时间的延长逐渐增大，直至达到最大，然后差值开始减小，在不同的温度下，差值到达最大值的时间见表3。
在不同的温度下，相同时间内，纤维化后的膨润土持水能力更强，脱水的速度更慢，这是有机分散剂的加入增加了膨润土表面的亲水性。加大了水化膜的强度和厚度，使颗粒间的水化排斥作用能增大所致。有机分散剂的另外一种分散形式为增大晶须表面的电位绝对值，提高颗粒间的静电排斥作用而达到分散的效果。而且随着温度的升高，膨润土的脱水速度明显加快。膨润土纤维化前后对比照片如图3和图4所示。
图1 脱水时间对膨润土含水率的影响
Fig. 1 Influence of dehydration time on moisture content of bentonite
图2 脱水时间对膨润土累积脱水率的影响
Fig. 2 Influence of dehydration time on bentonite cumulative dehydration rate
表3 脱水时含水率及累积脱水率最大差值
Table 3 Maximum difference values of dehydrated moisture content and cumulative dehydration rate
从图3可知：在脱水的过程中，未纤维化膨润土表面裂开，呈块状；在完全脱水干燥后，膨润土碎成小块，强度较差。而纤维化膨润土，由于分散更加均匀，形成了膨润土纤维结构，在脱水的过程中仍紧密黏结在一起，没有裂纹，在完全脱水干燥后，成纤维状联接在一起，强度良好。
图4所示为膨润土纤维化前后的扫描电镜(SEM)照片。结果表明：膨润土是由多层、边界形状不规则的聚集体构成。经纤维化后膨润土粒度变小、比表面积变大、分散度提高，原来的多层片状结构已经基本解离成单层结构，且相互连接，形成相互交错的纤维结构。
图3 300 ℃时纤维化膨润土脱水过程形态变化
Fig. 3 Shape change of fibrosis bentonite during dehydration process at 300 ℃
图4 300 ℃脱水后膨润土SEM照片
Fig. 4 SEM images of bentonite after dehydration at 300 ℃
2 纤维化膨润土强化球团制备结果与分析
2.1 试验原料及试验方法
试验用铁精矿的化学成分和粒度组成见表4和 表5。
表4 铁精矿化学成分(质量分数)
Table 4 Chemical composition of iron ore concentrates %
表5 铁精矿粒度组成(质量分数)
Table 5 Size distribution of iron ore concentrates %
造球混合料采用人工配料和混匀，每次称取10 kg铁精矿，加入5%的水分进行湿润，然后与一定量的膨润土进行混合，在直径为1 000 mm圆盘造球机上进行造球，转速为28 r/min，倾角45°。首先制备一定量的母球，在12 min内加料加水长大至8 mm左右的球团，取直径为8~10 mm的球团500 g用于强化造球试验，剩余的球团继续造球长大至粒径为12~16 mm。对500 g直径为8~10 mm的球团喷洒纤维化膨润土，继续造球长大至粒径为12~16 mm，然后进行落下强度、抗压强度和爆裂温度的检测。造球试验流程如图5所示。
球团中膨润土含量的计算公式如下：
(3)
其中：W为球团中膨润土质量分数，%；MP为纤维化膨润土添加质量，g；m0为母球的质量，g；w0为配料时膨润土的质量分数，%；M为纤维化造球时铁精矿添加质量，g。
生球在110 ℃烘箱中烘干，用于进行预热及焙烧实验。预热、焙烧实验在卧式管状电炉中进行，预热温度为900 ℃，时间为15 min；焙烧温度为1 280 ℃，时间为10 min。球团矿的抗压强度在最大载荷为10.0 kN的智能球团压力机上测定。
图5 造球试验流程图
Fig. 5 Flow chart of palletizing test
2.2 试验结果与分析
分组进行造球试验，一组按照常规造球，膨润土的添加量(质量分数)分别为0.5%，1.0%，1.5%和2.0%；另一组强化造球，膨润土的添加量(质量分数)分别为0.55%，1.07%，1.55%和2.05%。将纤维化膨润土喷洒在铁精矿成球长大区进行造球，然后检测球团矿的各项性能，以考查膨润土纤维化对球团性能的影响，结果如图6和图7所示。
从图6和图7可见：随着膨润土用量的提高生球落下强度和抗压强度明显提高，生球爆裂温度也有所改善。同时，预热球强度和焙烧球强度也明显提高。当在生球长大区采用喷洒纤维化膨润土强化造球时，生球质量、预热球和焙烧球强度明显提高。当添加1%膨润土常规造球时，生球的抗压强度、落下强度和爆裂温度分别为11.0 N/个，1.9次/0.5 m和 490 ℃；900 ℃预热15 min和1 280 ℃焙烧10 min所获得的预热球和焙烧球的抗压强度分别为301 N/个和2 653 N/个。在常规造球基础上，在生球长大区采用喷洒纤维化膨润土进行强化造球，其膨润土质量分数为1.07%，生球的抗压强度、落下强度和爆裂温度分别提高到14.1 N/个，3.4次/0.5 m和540 ℃，900 ℃预热15 min和1 280 ℃焙烧10 min所获得的预热球和焙烧球的抗压强度分别提高到408 N/个和2 700 N/个，其中对生球落下强度和预热球抗压强度改善尤其明显，提高幅度达78.95%和35.55%。采用纤维化膨润土进行强化造球，膨润土充分吸水和膨胀，在水分子和有机分散剂的作用下，蒙脱石分子充分吸水，展开并与有机分散剂分子作用，形成稳定的纤维化的膨润土，纤维化膨润土能高效与铁精矿颗粒表面作用，充分发挥黏结作用，生球、预热球和焙烧球质量都得到显著的改善。
图6 纤维化膨润土强化造球对生球质量的影响
Fig. 6 Influence of pelletizing with fibrosis bentonite on quality of green ball
图7 纤维化膨润土强化造球工艺对预热球和焙烧球强度的影响
Fig. 7 Influence of pelletizing with fibrosis bentonite on strength of preheated and roasted balls
3 结论
(1) 经纤维化后，膨润土脱水速率明显变慢，持水能力明显提高，粒度变小、比表面积变大，分散度提高，由原来的多层片状结构基本解离成单层结构。在300 ℃脱水70 min后，膨润土纤维化前后含水率和累积脱水率差值达到最大，分别为103.12%和10.20%。
(2) 纤维化膨润土能高效与铁精矿颗粒表面作用，充分发挥黏结作用，在生球长大区喷洒纤维化膨润土强化造球能显著改善生球、预热球和焙烧球质量，其中对生球落下强度和预热球抗压强度改善尤其明显，提高幅度达78.95%和35.55%。
(3) 在常规造球生球长大区，采用喷洒纤维化膨润土进行强化造球，膨润土质量分数为1.07%，生球的抗压强度、落下强度和爆裂温度分别为14.1 N/个、3.4次/0.5 m和540 ℃，900 ℃预热15 min和1 280 ℃焙烧10 min所获得的预热球和焙烧球的抗压强度分别为408 N/个和2 700 N/个。
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(编辑 赵俊)
收稿日期：2013-05-10；修回日期：2013-08-14
基金项目：国家杰出青年科学基金支持计划项目(50725416)
通信作者：黄柱成(1964-)，男，湖南长沙人，教授，博士生导师，从事钢铁冶金、综合利用等研究；电话：0731-88830542；E-mail：zchuangcsu@126.com
