有機(jī)粘結(jié)劑球團(tuán)與膨潤土球團(tuán)的礦相結(jié)構(gòu)及作用機(jī)理比較

有機(jī)粘結(jié)劑球團(tuán)與膨潤土球團(tuán)的礦相結(jié)構(gòu)及作用機(jī)理比較

氧化球團(tuán)礦具有均勻粒度、高冷氣候強(qiáng)度、高鐵含量、高回收性等優(yōu)點(diǎn)。這是高質(zhì)量的高豆料。但在球團(tuán)生產(chǎn)中,作粘結(jié)劑用的膨潤土用量偏高,其帶入SiO2和Al2O3等雜質(zhì)使得球團(tuán)礦鐵品位降低,鐵品位每降低1%,高爐焦比便上升2%,產(chǎn)量下降3%?？刹捎糜袡C(jī)粘結(jié)劑代替膨潤土,由于有機(jī)物在焙燒過程中燃燒分解,因此,添加有機(jī)粘結(jié)劑不會(huì)影響球團(tuán)礦的鐵品位。國內(nèi)外對有機(jī)粘結(jié)劑替代膨潤土作為球團(tuán)粘結(jié)劑進(jìn)行了大量研究,證實(shí)采用有機(jī)粘結(jié)劑能生產(chǎn)出合格的生球,并闡明了有機(jī)粘結(jié)劑能改善生球質(zhì)量的機(jī)理。但預(yù)熱球、成品球抗壓強(qiáng)度偏低,使得有機(jī)粘結(jié)劑還未能在球團(tuán)中得到廣泛應(yīng)用。從目前的研究成果看,有機(jī)粘結(jié)劑還不能完全替代膨潤土。因此,如果完全采用有機(jī)粘結(jié)劑生產(chǎn)球團(tuán),就必須研究有機(jī)粘結(jié)劑球團(tuán)固結(jié)強(qiáng)度偏低的原因以及找到提高有機(jī)粘結(jié)劑球團(tuán)強(qiáng)度的措施。1原料條件和試驗(yàn)方法1.1改性鈉基膨潤土的理化性質(zhì)本試驗(yàn)所用的鐵精礦、膨潤土、石灰石的化學(xué)成分見表1。鐵精礦中粒度低于0.074mm的含量為71.4%,石灰石中粒度低于0.074mm的含量為90.2%。膨潤土為改性的鈉基膨潤土,各物理特性指標(biāo)如下:膠質(zhì)價(jià)為50.25mL/(15g),膨脹容為7.65mL/g,2h吸水率為235.8%,蒙脫石含量達(dá)75.50%,粒度低于0.074mm的含量為85.50%。有機(jī)粘結(jié)劑為粉末狀白色純有機(jī)物,是人工合成的高分子聚合物,分子中有大量的羧基、羥基活性官能團(tuán),有很強(qiáng)的吸水能力,溶于水使得黏度迅速增加。1.2預(yù)處理試驗(yàn)條件試驗(yàn)包括生球制備、生球干燥、預(yù)熱和焙燒等過程,并對生球、預(yù)熱球和焙燒球等的強(qiáng)度進(jìn)行檢測,在生球強(qiáng)度相當(dāng)?shù)那闆r下討論預(yù)熱球、焙燒球強(qiáng)度。混合料潤磨預(yù)處理采用規(guī)格(直徑×長度)為1.0m×0.5m的潤磨機(jī),所用造球圓盤直徑為1.0m,配料量為4kg。預(yù)熱、焙燒試驗(yàn)在臥式管狀電爐中進(jìn)行,條件為:預(yù)熱溫度950℃,預(yù)熱10min;焙燒溫度1250℃,焙燒10min(除特殊注明外)。采用Q-WIN型偏反兩用顯微鏡對球團(tuán)礦進(jìn)行礦相研究。2壓團(tuán)壓力對團(tuán)塊固結(jié)強(qiáng)度的影響在含鐵原料和造球工藝參數(shù)相同、生球質(zhì)量相近的條件下,有機(jī)粘結(jié)劑球團(tuán)和膨潤土球團(tuán)的預(yù)熱球和焙燒球強(qiáng)度如表2所示?？梢?有機(jī)粘結(jié)劑球團(tuán)的預(yù)熱球和焙燒球的強(qiáng)度與膨潤土的強(qiáng)度相比分別低265N/個(gè)和673N/個(gè)。由于預(yù)熱球強(qiáng)度與焙燒球強(qiáng)度有很好的對應(yīng)關(guān)系,所以,僅對預(yù)熱球進(jìn)行分析。2種預(yù)熱球的礦物組成和微觀結(jié)構(gòu)如表3和圖1所示?？梢?2種球團(tuán)的預(yù)熱球主要在球團(tuán)的孔隙率、低熔點(diǎn)物質(zhì)(鈣鐵橄欖石、玻璃質(zhì))含量以及結(jié)晶狀態(tài)方面存在差異。有機(jī)粘結(jié)劑預(yù)熱球孔隙率為41.3%,比膨潤土球團(tuán)的孔隙度高4.9%。假設(shè)2.0%細(xì)粒膨潤土完全填充在鐵精礦顆粒的空隙間,0.06%的有機(jī)粘結(jié)劑被燒掉后殘留0.06%孔洞。除去這2個(gè)因素,有機(jī)粘結(jié)劑球團(tuán)的孔隙率比膨潤土球團(tuán)的孔隙度還高2.84%,可見,有機(jī)粘結(jié)劑球團(tuán)孔隙率高不僅是有機(jī)粘結(jié)劑被燒掉造成的,另一原因是有機(jī)粘結(jié)劑球團(tuán)中顆粒之間的接觸沒有膨潤土球團(tuán)那么緊密,顆粒間間隙大。有機(jī)粘結(jié)劑球團(tuán)中低熔點(diǎn)物質(zhì)(鈣鐵橄欖石、玻璃質(zhì))的總量,比膨潤土球團(tuán)的總量低6.71%,起粘結(jié)作用的低熔點(diǎn)物質(zhì)含量低是其強(qiáng)度低的原因之一。球團(tuán)中低熔點(diǎn)物質(zhì)由FeO,CaO和SiO2等組成。膨潤土能提供細(xì)小的SiO2顆粒,促使低熔點(diǎn)物質(zhì)的形成。但2%的膨潤土也只能提供1.18%的SiO2,即使完全參與生成低熔點(diǎn)物質(zhì),也不能形成6.71%低熔點(diǎn)物質(zhì);形成低熔點(diǎn)物質(zhì)的另一個(gè)條件是含F(xiàn)eO,CaO和SiO2的顆粒能夠相互接觸,接觸的機(jī)會(huì)越多,生成低熔點(diǎn)物質(zhì)的幾率越大。因此,造成有機(jī)粘結(jié)劑球團(tuán)中低熔點(diǎn)物質(zhì)少的另一個(gè)原因是有機(jī)粘結(jié)劑球團(tuán)中顆粒接觸不如膨潤土球團(tuán)緊密。從礦物結(jié)晶的狀態(tài)來看,與膨潤土球團(tuán)相比,有機(jī)粘結(jié)劑球團(tuán)中顆粒較分散,結(jié)晶細(xì)小,而要形成連接狀態(tài)的晶體,前提條件是顆粒能夠相互接觸,同樣說明有機(jī)粘結(jié)劑球團(tuán)中顆粒接觸不如膨潤土球團(tuán)緊密。另外,低熔點(diǎn)物質(zhì)形成液相將有利于固相擴(kuò)散,促進(jìn)晶體長大。2種球團(tuán)中顆粒之間的接觸緊密程度不同,一方面,是由于膨潤土粒度小,分散性好,在球團(tuán)中呈膠體狀態(tài)填充在礦粒之間,改善了球團(tuán)原料的粒度組成,減小了球團(tuán)孔隙率,而有機(jī)粘結(jié)劑在預(yù)熱過程中被燃燒分解,使球團(tuán)形成微氣孔;另一方面,是由于膨潤土與有機(jī)粘結(jié)劑粘結(jié)機(jī)理不同。在造球過程中,對顆粒起粘結(jié)作用的主要是界面力和毛細(xì)力,當(dāng)孔隙完全被液體充滿時(shí),顆粒之間的粘結(jié)力主要為毛細(xì)力,膨潤土填充在顆粒之間,使生球內(nèi)毛細(xì)管徑變小,毛細(xì)力增大,同時(shí),還增大了顆粒之間分子粘結(jié)力,所以,膨潤土能使球團(tuán)中的顆?？康酶?排列得更緊密。而有機(jī)粘結(jié)劑溶解在水中,黏度很大,在球團(tuán)中呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),將顆粒粘結(jié)起來,并且由于粘滯阻力大,液體很難從毛細(xì)管中排出,使得生球中水分含量高,顆粒排列不如膨潤土球團(tuán)緊密。為了證明球團(tuán)中顆粒接觸差異對固結(jié)強(qiáng)度的影響,采用壓團(tuán)的方法,通過改變壓團(tuán)的壓力來改變團(tuán)塊中顆粒的接觸,壓塊后進(jìn)行預(yù)熱試驗(yàn)。在添加0.06%有機(jī)粘結(jié)劑的條件下,壓團(tuán)壓力對團(tuán)塊預(yù)熱強(qiáng)度的影響如表4所示?？梢?當(dāng)壓團(tuán)壓力由784N/cm2提高到1960N/cm2時(shí),預(yù)熱團(tuán)塊的孔隙率由40.6%下降到37.2%,說明團(tuán)塊中顆粒接觸得更緊密,而預(yù)熱團(tuán)塊的抗壓強(qiáng)度也由217N/個(gè)提高到403N/個(gè)。試驗(yàn)證明,只要能使球團(tuán)中顆粒接觸得足夠緊密,有機(jī)粘結(jié)劑球團(tuán)同樣能獲得較大的強(qiáng)度。通過以上分析可知,有機(jī)粘結(jié)劑球團(tuán)強(qiáng)度低的原因是:a.有機(jī)粘結(jié)劑球團(tuán)內(nèi)顆粒接觸點(diǎn)少,孔隙率高,顆粒之間發(fā)生反應(yīng)的幾率小。b.有機(jī)粘結(jié)劑球團(tuán)中起粘結(jié)作用的低熔點(diǎn)物質(zhì)較少。3提高有機(jī)粘性液體聚集的強(qiáng)度3.1粒度組成對球團(tuán)固結(jié)能力的影響c.顆粒在球團(tuán)中的作用機(jī)理理論上,可以從以下幾個(gè)方面來提高球團(tuán)內(nèi)顆粒的接觸點(diǎn)或接觸面積(見圖2):a.減小鐵精礦的粒度。顆粒越細(xì)小,球團(tuán)內(nèi)顆粒之間接觸點(diǎn)越多。b.合理的粒度組成。粒度組成對球團(tuán)結(jié)構(gòu)有重要影響。小顆粒填充在大顆粒之間,可降低球團(tuán)孔隙率,使球團(tuán)中顆粒緊密接觸,特別是細(xì)微顆粒(粒徑一般認(rèn)為小于10μm)填充在顆粒的孔隙間,使球團(tuán)進(jìn)一步緊密,更能提高球團(tuán)固結(jié)強(qiáng)度。c.增大成球過程中顆粒間的作用力。球團(tuán)所受外界機(jī)械作用力越大,以及球團(tuán)中顆粒之間粘結(jié)力越大,球團(tuán)中顆粒的排列得越緊密,顆粒接觸點(diǎn)越多,球團(tuán)孔隙率越低。根據(jù)以上分析,采取以下的措施來提高有機(jī)粘結(jié)劑球團(tuán)的強(qiáng)度。3.1.1精細(xì)磨礦強(qiáng)度將鐵精礦用球磨機(jī)細(xì)磨20min,再進(jìn)行造球、焙燒,精礦粒度對球團(tuán)強(qiáng)度的影響如表5所示?？梢?細(xì)磨后精礦中粒度低于0.074mm的含量為81.4%,比原礦提高10%。而細(xì)磨后的球團(tuán)預(yù)熱球強(qiáng)度為277N/個(gè),焙燒球強(qiáng)度為1656N/個(gè),比原礦的球團(tuán)強(qiáng)度分別提高118N/個(gè)和251N/個(gè)。通過磨礦可以減小鐵精礦粒度,使得球團(tuán)中顆粒的接觸點(diǎn)增多,從而球團(tuán)中固相反應(yīng)進(jìn)行得更完全。所以,降低原料的粒度對于提高有機(jī)粘結(jié)劑球團(tuán)的強(qiáng)度有利。3.1.2不同預(yù)熱溫度下有機(jī)粘結(jié)劑預(yù)熱球的微觀結(jié)構(gòu)將上述細(xì)磨好的鐵精礦,在精礦水分為6%時(shí)將鐵精礦在潤磨機(jī)中潤磨4min,其粒度和焙燒試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。由表5可知,潤磨后粒度低于0.074mm的含量達(dá)到88.7%,比潤磨前增加7.3%,粒度低于0.045mm的含量也增加3.7%。細(xì)粒物料的增加使得球團(tuán)中顆粒接觸點(diǎn)增加,球團(tuán)的強(qiáng)度也大幅度提高。預(yù)熱球強(qiáng)度從277N/個(gè)提高到488N/個(gè),焙燒球強(qiáng)度從1656N/個(gè)提高到2534N/個(gè)。當(dāng)預(yù)熱溫度為950℃時(shí),有機(jī)粘結(jié)劑預(yù)熱球的微觀結(jié)構(gòu)如圖3所示。從圖3可知:不經(jīng)潤磨的有機(jī)粘結(jié)劑預(yù)熱球團(tuán)顯微結(jié)構(gòu)中晶體棱角分明,晶體呈分散的單獨(dú)顆粒;而潤磨處理后,這種棱角分明的晶形大大減少。尖銳棱角減少有利于顆?？拷徒佑|,且經(jīng)過潤磨的預(yù)熱球團(tuán)較致密,由若干個(gè)小顆粒組成的顆粒集團(tuán)明顯形成。在預(yù)熱過程中,微晶發(fā)育靠攏,微觀結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提高。潤磨主要具有2個(gè)方面的作用:一是提高了顆粒粒度和粒度組成,使顆粒排列得更好;二是潤磨后,提高了物料的表面活性,潤磨后的物料在造球過程中顆?？康酶?排列得更緊湊。所以,潤磨可以大幅度地提高有機(jī)粘結(jié)劑球團(tuán)的強(qiáng)度。3.2不同充填材料對球團(tuán)固結(jié)強(qiáng)度和熱由于SiO2不是高爐煉鐵所需的物質(zhì),增加球團(tuán)中SiO2會(huì)降低球團(tuán)的鐵品位。因此,要增加球團(tuán)中的低熔點(diǎn)物質(zhì),不能通過增加SiO2含量來獲得。本試驗(yàn)通過添加少量石灰石,促進(jìn)球團(tuán)中低熔點(diǎn)物質(zhì)生成,以達(dá)到提高球團(tuán)固結(jié)強(qiáng)度的目的。采用石灰石雖會(huì)降低球團(tuán)鐵品位,但石灰石中CaO為高爐煉鐵所必需的物質(zhì),因此,增加石灰石不會(huì)降低球團(tuán)的有效鐵品位。對于低熔點(diǎn)物質(zhì)的形成,溫度是一個(gè)很重要的因素。只有達(dá)到了固相反應(yīng)的溫度,低熔點(diǎn)物質(zhì)才可能生成,而且溫度越高,固相反應(yīng)的速率越快。在有機(jī)粘結(jié)劑球團(tuán)中添加石灰石,預(yù)熱溫度對預(yù)熱球強(qiáng)度的影響見圖4。可見,在較低預(yù)熱溫溫下(低于980℃),添加石灰石對有機(jī)粘結(jié)劑球團(tuán)的預(yù)熱球強(qiáng)度影響不大,可能是由于CaO與鐵氧化物、SiO2等的固相反應(yīng)速度慢,沒有形成足夠的低熔點(diǎn)物質(zhì)。但當(dāng)預(yù)熱溫度提高到1010℃時(shí),沒添加石灰石的球團(tuán)預(yù)熱球強(qiáng)度仍不到250N/個(gè),而添加1.25%石灰石的球團(tuán)預(yù)熱球強(qiáng)度達(dá)到426N/個(gè),說明石灰石發(fā)揮了作用。有機(jī)粘結(jié)劑球團(tuán)預(yù)熱球的微觀結(jié)構(gòu)如圖5所示。從圖5可見,在1010℃的預(yù)熱溫度下,與無石灰石的球團(tuán)相比,添加1.25%的石灰石后,球團(tuán)中低熔點(diǎn)物質(zhì)的含量由5.46%提高到8.22%。低熔點(diǎn)物質(zhì)的增加促進(jìn)了鐵氧化物的微晶連接,同時(shí),自身起著粘結(jié)顆粒的作用,因而,球團(tuán)固結(jié)強(qiáng)度增大。在1010℃預(yù)熱10min以及在1250℃焙燒10min的條件下,石灰石用量對焙燒球強(qiáng)度的影響見表6?？梢?添加1.25%的石灰石,預(yù)熱球強(qiáng)度從245N/個(gè)提高到426N/個(gè),焙燒球強(qiáng)度從1477N/個(gè)提高到3051N/個(gè)。繼續(xù)提高添加量,燒結(jié)球團(tuán)強(qiáng)度還將繼續(xù)提高。4有機(jī)粘結(jié)劑球團(tuán)強(qiáng)度提高到fa.有機(jī)粘結(jié)劑球團(tuán)強(qiáng)度低的原因是:球團(tuán)內(nèi)顆粒接觸點(diǎn)少,孔隙率高,顆粒之間發(fā)生反應(yīng)的幾率小,球團(tuán)中起粘結(jié)作用的低熔點(diǎn)物質(zhì)少。b.通過磨礦減小鐵精礦粒度,能增大球團(tuán)內(nèi)顆粒間的接觸,使有機(jī)粘結(jié)劑的球團(tuán)強(qiáng)度有所提高,預(yù)熱球強(qiáng)度從159N/個(gè)提高到277N/個(gè),焙燒球強(qiáng)度從1405提高到1656N/個(gè)。c.通過潤磨提高了顆粒的粒度和粒度組成,增加了成球過程中顆粒間的作用力,增加了顆粒的接觸點(diǎn),達(dá)到大幅度提