改性復(fù)合黏結(jié)劑制備磁鐵礦氧化球團研究

謝小林 段 婷 鄭富強 郭宇峰 景建發(fā)(中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院，湖南 長沙 410083)

球團礦是現(xiàn)代高爐煉鐵生產(chǎn)中配加的一種主要的優(yōu)質(zhì)含鐵原料，具有強度好、粒度均勻、形狀規(guī)則、鐵品位高等優(yōu)點[1-2]。近十幾年來，我國球團礦的生產(chǎn)規(guī)模發(fā)展迅猛，2004年約4 100萬t，2015年已增至1.28億t[3]。

球團礦制備過程中，為了保證其機械強度，需要添加必要的黏結(jié)劑[4-5]。國內(nèi)氧化球團廠普遍采用膨潤土作黏結(jié)劑，雖然膨潤土黏結(jié)性能良好，但其含Al2O3、SiO2高，生產(chǎn)中幾乎全部殘留在球團中，因而降低了球團品位[6-8]。有數(shù)據(jù)表明，入爐鐵品位每提高1個百分點，焦比將降低2～2.5個百分點，產(chǎn)量增加約3個百分點[9-13]。因此，提高球團礦鐵品位對高爐煉鐵降耗、增產(chǎn)意義重大。

然而，在我國的球團生產(chǎn)中，由于受膨潤土資源狀況等方面的制約，使用性能較差的天然鈣基膨潤土的現(xiàn)象十分普遍，導(dǎo)致實際生產(chǎn)中膨潤土配加量過高[14]。有研究表明[15]，國內(nèi)膨潤土配加量一般為球團總質(zhì)量的1.5%～3.0%，有的甚至更高。過高的膨潤土配加量將導(dǎo)致球團品位顯著下降，進而導(dǎo)致生鐵產(chǎn)量下降，煉鐵成本增加，企業(yè)經(jīng)濟效益下滑等后果[12]。因此，減少膨潤土的配加量是球團生產(chǎn)中所要解決的關(guān)鍵問題。

基于大量配加膨潤土?xí)档颓驁F礦鐵品位的問題，我國科研工作者一直在研發(fā)新型黏結(jié)劑，以實現(xiàn)部分取代甚至完全取代膨潤土的目標。有研究表明[16-17]，采用有機黏結(jié)劑制備球團，可減少黏結(jié)劑用量，提高球團鐵品位，然而這種球團預(yù)熱強度低、成本高，目前難以獲得廣泛應(yīng)用[18]。對于這種現(xiàn)狀，開發(fā)新型、高效復(fù)合型黏結(jié)劑對于改善球團性能具有重要意義。

本研究嘗試用羧甲基纖維素鈉(CMC)和醋酸鈉對膨潤土進行改性，力求膨潤土用量下降但不影響，甚至能改善生球性能和預(yù)熱焙燒球強度。

1 試驗原料

試驗所用含鐵原料為山西某礦山的磁鐵精礦，主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表1，粒度組成結(jié)果見表2。膨潤土取自東北某礦山，粒度組成和物理性能分別見表3、表4。黏結(jié)劑有膨潤土，CMC與膨潤土復(fù)合而成的CMC復(fù)合黏結(jié)劑，以及用膨潤土、醋酸鈉和CMC制備的改性復(fù)合黏結(jié)劑。

表1 磁鐵精礦主要化學(xué)成分分析結(jié)果Table 1 Analysis results of main chemical composition of magnetite concentrate %

表2 磁鐵精礦粒度組成Table 2 Particle size of magnetite concentrate

表3 膨潤土粒度組成Table 3 Particle size of bentonite

表4 膨潤土的主要物理性能Table 4 Main physical properties of bentonite

由表1可看出，磁鐵精礦鐵品位為63.49%，SiO2含量較高，為10.96%，S、P、Na2O及K2O含量降低。

由表2可看出，磁鐵精礦+0.075 mm產(chǎn)率為12.95%，-0.045 mm產(chǎn)率為59.04%。

由表3可看出，膨潤土粒度較細，+0.075 mm產(chǎn)率僅為2.33%，-0.045 mm產(chǎn)率為81.57%，明顯較磁鐵精礦粒度細。

由表4可看出，膨潤土蒙脫石含量、膨脹容、膠質(zhì)價、吸蘭量和吸水率均較高，屬優(yōu)質(zhì)膨潤土。

2 試驗方法

2.1 改性復(fù)合黏結(jié)劑的制備

將一定量的醋酸鈉和20 g水配制成溶液，取100 g膨潤土，將醋酸鈉溶液和膨潤土混勻后擠壓成塊，堆放15 d后再晾曬5 d。將完成自然晾曬的塊料進行熱風干燥(干燥溫度不高于800 ℃)，使塊料含水率達到13%后與一定量的CMC混勻，并研磨成0.075～0 mm粉末。

2.2 造球及生球性能檢測

稱取5 kg磁鐵精礦，按一定比例添加黏結(jié)劑，再加入與磁鐵精礦和黏結(jié)劑總質(zhì)量比為9%的水，混勻后在φ1 m的圓盤造球機(轉(zhuǎn)數(shù)24 r/min,傾角49°)中造球。造球模擬生球長大過程，分母球形成、長大和生球緊密等3個過程，其中母球形成和長大時間控制在10 min,生球緊密時間為2 min。

生球性能檢測為檢測直徑為10～15 mm的生球的落下強度和抗壓強度：隨機選擇20個合格生球，從0.5 m的高度垂直下落至10 mm厚的鋼板上，以確定生球的落下強度；在KQ-2型抗壓機上測試隨機選擇的20個合格生球的抗壓強度。

2.3 預(yù)熱球和成品球性能檢測

將直徑為10～15 mm的合格生球置于105 ℃的烘箱中烘2 h，然后進行預(yù)熱、焙燒試驗。試驗在CWG-5.5型臥式管狀電爐中進行，預(yù)熱溫度為960 ℃，預(yù)熱時間為12 min,焙燒溫度為1 250 ℃，焙燒時間為12 min，然后在ZQYC-10000NⅢ型智能球團壓力機上檢測預(yù)熱球和焙燒球的抗壓強度。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 CMC復(fù)合黏結(jié)劑確定試驗

3.1.1 膨潤土添加量對生球性能的影響

膨潤土添加量(膨潤土與磁鐵精礦質(zhì)量比)對生球性能影響試驗結(jié)果見圖1。

圖1 膨潤土用量對生球性能影響試驗結(jié)果Fig.1 Effects of bentonite dosage on the performance of green balls■—落下強度；●—抗壓強度

由圖1可知，膨潤土添加量從1.2%增至2.0%，生球的落下強度和抗壓強度均上升；膨潤土添加量從2.0%增至2.2%，生球的落下強度繼續(xù)上升，抗壓強度下降，這可能是由于膨潤土用量達到一定值后，生球塑性增強，使其抗壓強度下降。滿足生球質(zhì)量要求的膨潤土添加量為1.6%，對應(yīng)的生球落下強度為4.4次，抗壓強度為15.79 N/個。

3.1.2 CMC添加量對生球性能的影響

在膨潤土添加量為1.2%的情況下進行CMC與膨潤土的質(zhì)量比試驗，結(jié)果見圖2。

圖2 CMC添加量對生球性能影響試驗結(jié)果Fig.2 Effects of CMC dosage on the performance of the green balls■—落下強度；●—抗壓強度

由圖2可知，CMC添加量由0增至1.2%，生球的落下強度由3.2次增至4.5次，抗壓強度由13.98 N/個增至15.45 N/個。試驗結(jié)果表明，添加CMC可顯著提高生球的落下強度和抗壓強度。滿足生球質(zhì)量要求的CMC添加量為0.9%，對應(yīng)的生球落下強度為4.11 次，抗壓強度為14.97 N/個。

3.1.3 CMC復(fù)合黏結(jié)劑用量對生球性能的影響

按3.1.2節(jié)確定的CMC與膨潤土的質(zhì)量比進行CMC復(fù)合黏結(jié)劑用量(CMC復(fù)合黏結(jié)劑與磁鐵精礦的質(zhì)量比)試驗，結(jié)果見圖3。

圖3 CMC復(fù)合黏結(jié)劑用量對生球性能影響試驗結(jié)果Fig.3 Effects of the CMC composite binder dosage on the performance of green balls■—落下強度；●—抗壓強度

由圖3可知，CMC復(fù)合黏結(jié)劑用量由0.8%增至1.2%，生球的落下強度和抗壓強度均明顯上升；CMC復(fù)合黏結(jié)劑用量由1.2%增至1.4%，生球的抗壓強度緩慢上升，落下強度仍然顯著上升。CMC復(fù)合黏結(jié)劑用量為1.2%時，生球落下強度為4.11次,抗壓強度為14.97 N/個，達到了生球的質(zhì)量要求。與3.1.1節(jié)試驗結(jié)果相比，生球的強度雖略有下降，但使用CMC復(fù)合黏結(jié)劑可使黏結(jié)劑用量降低0.4個百分點，這有利于球團鐵品位的提高。

3.1.4CMC復(fù)合黏結(jié)劑對預(yù)熱、焙燒球團強度的影響

試驗對比了添加1.6%膨潤土的球團和添加1.2%CMC復(fù)合黏結(jié)劑的球團的預(yù)熱和焙燒強度，結(jié)果見表5。

表5 不同黏結(jié)劑對預(yù)熱球團、焙燒球團強度影響試驗結(jié)果Table 5 Effects of different binders on the strength of preheated pellets and roasted pellets

從表5可以看出，添加1.6%膨潤土的預(yù)熱和焙燒球團的抗壓強度均高于添加1.2%CMC復(fù)合黏結(jié)劑的預(yù)熱和焙燒球團。由此可以看出，CMC復(fù)合黏結(jié)劑的添加雖能提高球團鐵品位，但會影響預(yù)熱和焙燒球團的強度。

造成預(yù)熱、焙燒球團強度下降的原因主要有二：其一，CMC在球團加熱氧化過程中分解，以氣體方式逸出從而在球團內(nèi)部留下了空洞；其二，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的CMC的溶液黏度大，因而黏滯阻力也較大，阻礙了水分從毛細管中遷移排出，這些水分儲存在球團內(nèi)，造成顆粒排列不如膨潤土球團緊密。

3.2 復(fù)合黏結(jié)劑改性對球團性能的影響

上述試驗表明，添加1.2%CMC復(fù)合黏結(jié)劑的球團雖然鐵品位較添加1.6%膨潤土的球團高，但生球、預(yù)熱球和焙燒球的強度較低。因此，研究了往CMC復(fù)合黏結(jié)劑中添加少量醋酸鈉對改善預(yù)熱球團及焙燒球團抗壓強度的情況。

在CMC復(fù)合黏結(jié)劑用量為1.2%情況下，醋酸鈉與膨潤土質(zhì)量比對生球強度的影響見圖4，對預(yù)熱及焙燒球強度的影響見圖5。

從圖4可以看出，醋酸鈉用量由0增加到0.5%，生球團的抗壓強度由14.97 N/個顯著增大到22.12 N/個，生球的落下強度穩(wěn)定在4.1次；繼續(xù)增大醋酸鈉的用量，生球團的抗壓強度小幅下降，生球的落下強度小幅上升。醋酸鈉用量為0.5%時，生球的落下強度為4.105次,生球的抗壓強度為22.12 N/個，滿足生產(chǎn)要求。

圖4 醋酸鈉與膨潤土質(zhì)量比對生球強度的影響Fig.4 Effects of the mass ratio between sodium acetate and bentonite on the strength of green balls■—落下強度；●—抗壓強度

圖5 醋酸鈉與膨潤土質(zhì)量比對焙燒球團強度的影響Fig.5 Effects of the mass ratio between sodium acetate and betonite on the strength of preheated pellets and roasted pellets■—預(yù)熱球團的強度；●—焙燒球團的強度

從圖5可以看出，預(yù)熱球團和焙燒球團的強度與生球的強度一樣，均在醋酸鈉用量為0.5%時達到最大值，對應(yīng)的預(yù)熱球強度為532 N/個，焙燒球強度為 3 444 N/個，與不添加醋酸鈉的預(yù)熱、焙燒球團強度相比分別提高了110 N/個和356 N/個。

因此，改性CMC復(fù)合黏結(jié)劑宜由膨潤土添加0.9%的CMC和0.5%的醋酸鈉制成。改性CMC復(fù)合黏結(jié)劑替代膨潤土作為添加劑，所制備的氧化球團能夠在保證球團良好的生球性能、預(yù)熱球強度及焙燒球強度的基礎(chǔ)上明顯降低黏結(jié)劑用量，提高球團鐵品位。

4 結(jié) 論

(1)保證氧化球團正常生產(chǎn)的膨潤土最佳用量為1.6%，CMC復(fù)合黏結(jié)劑的最佳用量為1.2%，CMC復(fù)合黏結(jié)劑的使用可減少球團生產(chǎn)中黏結(jié)劑的添加量，但這會影響預(yù)熱球團及焙燒球團的強度。

(2)CMC復(fù)合黏結(jié)劑用0.5%醋酸鈉改性，可顯著提高對應(yīng)預(yù)熱球團及焙燒球團的強度，在改性CMC復(fù)合黏結(jié)劑用量為1.2%時，其生球的落下強度和抗壓強度分別為4.1次和22.12 N/個，預(yù)熱球團、焙燒球團強度分別為532 N/個，3 444 N/個，與CMC復(fù)合黏結(jié)劑球團相比，預(yù)熱球團與焙燒球團的強度分別提高110 N/個和471 N/個，與添加1.6%的膨潤土制備的球團性能相當，滿足生產(chǎn)要求。

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