球團(tuán)用膨潤土改性與有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)問題的探討

鐵麗云，魯義軍，陳濟(jì)美，孫圣煙

（1.武漢理工大學(xué)材料研究與測試中心，湖北 武漢 430070；2.湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究所，湖北 武漢 430022；3.湖南臨澧縣眾幫化工有限公司，湖南 臨澧 415200）

球團(tuán)用膨潤土改性與有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)問題的探討

鐵麗云1，魯義軍1，陳濟(jì)美2，孫圣煙3

（1.武漢理工大學(xué)材料研究與測試中心，湖北 武漢 430070；2.湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究所，湖北 武漢 430022；3.湖南臨澧縣眾幫化工有限公司，湖南 臨澧 415200）

試驗(yàn)探討了湖南臨澧膨潤土的理化性能，并對其進(jìn)行改性處理，使其質(zhì)量指標(biāo)符合冶金球團(tuán)土的要求。還就有關(guān)球團(tuán)土用膨潤土的質(zhì)量指示與標(biāo)準(zhǔn)的一些問題進(jìn)行了探討，并就有關(guān)球團(tuán)土的國家標(biāo)準(zhǔn)的編制提出建議。

膨潤土改性；球團(tuán)；質(zhì)量指標(biāo)；國家標(biāo)準(zhǔn)

膨潤土作冶金球團(tuán)的粘結(jié)劑在我國已有30多年了，但是究竟什么樣的膨潤土或粘土最適合球團(tuán)土？它的哪些質(zhì)量指標(biāo)能準(zhǔn)確反映它的成球性能？至今沒有一個(gè)肯定的答案。世界各國有關(guān)球團(tuán)土的質(zhì)量指標(biāo)差異很大，如美國等球團(tuán)生產(chǎn)大國，只有對球團(tuán)本身的要求，而沒有對球團(tuán)土制訂專門標(biāo)準(zhǔn)[1]。由此可見，提出球團(tuán)土質(zhì)量指標(biāo)與制訂球團(tuán)土的標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)比較復(fù)雜的問題。目前我國的鋼鐵企業(yè)，一般采用膨潤土吸藍(lán)量、膨脹容、膠質(zhì)價(jià)、吸水率、粒度與水分等6項(xiàng)基本指標(biāo)，來評估檢測球團(tuán)土的質(zhì)量。

本文針對湖南臨澧膨潤土蒙脫石含量低，且膨潤土中的蒙脫石為鈣基蒙脫石，其膨脹容、膠質(zhì)價(jià)、吸水率等3項(xiàng)指標(biāo)達(dá)不到要求，試驗(yàn)選用純堿(Na2CO3)與添加劑進(jìn)行改性處理，使其膨脹性、分散性與粘結(jié)性明顯改善，達(dá)到企業(yè)對球團(tuán)土的要求。此外，作者根據(jù)試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的有關(guān)問題，提出有關(guān)對球團(tuán)土國家標(biāo)準(zhǔn)編制的建議，與同行討論。

1 試驗(yàn)部分

1.1 臨澧膨潤土的特征

礦石組成(%)：蒙脫石35～55，高嶺石5～15，伊利石5～10，方解石4～8，石英4～8，絹云母1～2，長石1～1.5，鐵質(zhì)1～5。

礦石化學(xué)成分(%)：SiO263.51、Al2O315.11、Fe2O33.94/TiO20.31、CaO 2.97、MgO 1.03、K2O 1.56、Na2O 0.38、燒失量 11.98。

1.2 膨潤土的理化性能

該膨潤土呈油光色，帶淺黃或淺灰色，在水中崩解，呈濕狀，有滑膩感。理化性能測試結(jié)果見表1、表2。

表1 膨潤土礦的理化性能

表2 膨潤土礦的陽離子交換量(mmo1/100g)

試驗(yàn)證明，該膨潤土礦的吸藍(lán)量65.0mmo1/ 100g、蒙脫石含量43.3%。離子交換量分析表明，膨潤土中的蒙脫石為鈣基蒙脫石，故為鈣基膨潤土。原礦樣膠質(zhì)價(jià)、膨脹容與吸水率較低，達(dá)不到球團(tuán)土的質(zhì)量指標(biāo)要求。

2 試驗(yàn)方法

2.1 膨潤土改性

膨潤土原礦經(jīng)風(fēng)干或曬干后，粗碎至粒徑10～20mm以下， 按配比加入適量的純堿(Na2CO3)1%～2.5%與增效劑0.1%～1.0%，攪拌混合堆放或控制一定的加水量將試料放在擠壓機(jī)上加工改性處理30～60min，出料，烘干至含水約10%，磨細(xì)至200目。2.2 性能測試

根據(jù)國內(nèi)鋼鐵企業(yè)評價(jià)與檢測球團(tuán)土的質(zhì)量指標(biāo)。試驗(yàn)考查了膨脹土改性前后的膨脹容、膠質(zhì)價(jià)與2h吸水率3個(gè)基本指標(biāo)的變化，試驗(yàn)方法如下：

膨脹容的測定：稱取1.00g膨潤土試樣(105℃烘干2h)操作方法同文獻(xiàn)[2]。

吸水率(2h)測定：稱取2.00g膨潤土試樣(105℃，烘2h)，操作方法同文獻(xiàn)[3]多孔板法。

膠質(zhì)價(jià)的測定：參照文獻(xiàn)[2]。原規(guī)定中稱取15.00g膨潤土試樣(105℃，烘2h)，和1.00g輕質(zhì)氧化鎂進(jìn)行試驗(yàn)，膠質(zhì)價(jià)用“mL/15g”表示。試驗(yàn)表明，膨潤土經(jīng)Na2C O3改性后，膠質(zhì)價(jià)一般均≥100mL/15g。故為了更好地反映出不同膨潤土膠質(zhì)價(jià)的差別，本試驗(yàn)稱取3.00g試樣，加0.2g輕質(zhì)氧化鎂，其他條件同文獻(xiàn)[2]，結(jié)果用“mL/3g”表示。為了與原方法結(jié)果進(jìn)行比較，本法將試驗(yàn)結(jié)果乘以經(jīng)驗(yàn)系數(shù)5。如本法試驗(yàn)結(jié)果為10.0mL/3g ，可視為相當(dāng)原法的50.0mL/15g；本法結(jié)果為≥20.0mL/3g，即相當(dāng)于原法的≥100mL/15g。

3 結(jié)果與分析

3.1 純堿Na2CO3加入量對膨潤土性能影響

為了改善鈣基膨潤土的性能，一般先加入Na2CO3對其進(jìn)行改性處理，使鈣基膨潤土轉(zhuǎn)變成鈉基膨潤土。在膨潤土試樣中加入不同量的Na2CO3，但未經(jīng)擠壓處理，其試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 Na2CO3對膨潤土性能的影響

試驗(yàn)表明，當(dāng)在膨潤土試樣中加入Na2CO31.5%～2.5%時(shí)，改性處理后試樣的膠質(zhì)價(jià)、吸水率與膨脹容均有所提高，其中前兩者增加較多，可滿足球團(tuán)土的要求；后者增加較少，未能滿足要求，但需要指出的是，作為球團(tuán)土的Na2CO3加入量不宜過高，否測有可能對球團(tuán)產(chǎn)生負(fù)作用，故一般控制Na2CO3加入量為1.5%～2.5%為宜。

3.2 纖維素(CMC)對膨潤土性能的影響

為了使膨潤土的性能有較大的提高或改善，試驗(yàn)固定加入1.5% Na2CO3的情況下，同時(shí)在膨潤土中分別加入不同量的CMC，試驗(yàn)中主要考查了膨脹容的變化，結(jié)果見表4。

表4 CMC對膨潤土性能的影響

試驗(yàn)表明，在膨潤土固定加入1.5% Na2CO3，加入適量CMC可以提高膨潤土的膨脹容，而且還可以改善它的粘結(jié)性能。加入0.20%CMC即可，加入量高成本增加，且可能對球團(tuán)產(chǎn)生負(fù)作用。

3.3 機(jī)械擠壓對膨潤土性能的影響

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在膨潤土試驗(yàn)中加入碳酸鈉與其他添加劑后，將物料混合均勻，并控制或加入適量的水，使試驗(yàn)保持半干半濕狀態(tài)，然后利用自制的機(jī)械擠壓機(jī)，進(jìn)行攪拌擠壓30～60min，可以明顯地提高和改善膨潤土的性能。大大提高了膨潤土的膨脹容、膠質(zhì)價(jià)和吸水率指標(biāo)。結(jié)果見表5。

表5 機(jī)械擠壓改性對膨潤土性能的影響

試驗(yàn)證明，在加入Na2CO3與其他添加劑對膨潤土改性時(shí)，增加機(jī)械擠壓工藝，可以明顯地提高球團(tuán)土的質(zhì)量，該擠壓工藝簡單，效果明顯。

4 有關(guān)問題與建議

4.1 關(guān)于球團(tuán)土的質(zhì)量指標(biāo)的討論

目前，世界各國沒有一個(gè)統(tǒng)一的球團(tuán)土的質(zhì)量評估與檢測標(biāo)準(zhǔn)，在我國膨潤土的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20973-2007[3]與各鋼鐵企業(yè)的球團(tuán)土質(zhì)量指標(biāo)規(guī)定也不一致(表6、表7)，有人認(rèn)為球團(tuán)土性能與現(xiàn)有膨潤土的質(zhì)量指標(biāo)沒有規(guī)律或缺乏嚴(yán)格的規(guī)律性，說明確定球團(tuán)土的質(zhì)量指標(biāo)與制訂標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜性。作者試驗(yàn)測定安徽、湖北與湖南臨澧3種球團(tuán)土的質(zhì)量指標(biāo)見表8。

以上3種球團(tuán)土已為國內(nèi)鋼鐵企業(yè)所認(rèn)可或接受。但比較試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，不同土的質(zhì)量指標(biāo)有明顯的差異。關(guān)于球團(tuán)土的質(zhì)量指標(biāo)分述如下：

表6 GB/T20973中球團(tuán)用膨潤土的質(zhì)量指標(biāo)

表7 國內(nèi)部分鋼鐵公司球團(tuán)土的質(zhì)量指標(biāo)

表8 湖南等3種球團(tuán)土的測試結(jié)果

(1) 關(guān)于吸藍(lán)量，它是與膨潤土中蒙脫石含量直接相關(guān)的，代表著蒙脫石含量的多少。但實(shí)踐表明，膨潤土的理化工藝性能除了與蒙脫石含量有關(guān)外，還與蒙脫石形成的地質(zhì)條件、風(fēng)蝕程度、晶體構(gòu)造、品格缺陷、結(jié)晶度、層間電荷、可交換性陽離子的種類與分布有關(guān)，而且甚至可以這樣說，膨潤土中蒙脫石含量高并不意味它的理化性能好，至少不成正比，不同膨潤土的工藝性能橫向不好比較，膨潤土本身是一種含蒙脫石的粘土礦的混合物，這是因?yàn)檎惩恋V物成分比較復(fù)雜，不同比例的粘土礦物的組合，還可以互補(bǔ)，對它的理化性能產(chǎn)生不同的影響。因此，作者認(rèn)為對球團(tuán)土嚴(yán)格規(guī)定蒙脫石含量即吸藍(lán)量的指標(biāo)缺乏試驗(yàn)依據(jù)，有時(shí)甚至?xí)`導(dǎo)對球團(tuán)土的選擇。故在球團(tuán)土的標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)取消吸藍(lán)量的指標(biāo)。

(2) 關(guān)于膠質(zhì)價(jià)，它是反映膨潤土在水中的分散性與膨脹性的綜合性的指標(biāo)，是從前蘇聯(lián)引用過來的，按照早期規(guī)定的試驗(yàn)方法[4]，測試結(jié)果用于區(qū)分天然鈉基與鈣基膨潤土還是可行的，但后來發(fā)現(xiàn)天然鈉基與人工鈉化土，原方法測定的膠質(zhì)價(jià)都≥100mL/15g。因此，建議對膨潤土的膠質(zhì)價(jià)的測定方法修正如下：將原法中稱樣15.00g改為3.00g，輕質(zhì)氧化鎂1.00g改為0.20g，其他條件不變[2，4]。這樣能明顯反映膨潤土的膠質(zhì)價(jià)的量的差異，有利于分析膠質(zhì)價(jià)對成球性能的影響，而且操作也方便簡單。

(3) 關(guān)于膨脹容與膨脹指數(shù)，前者是球團(tuán)土原用的指標(biāo)，后者是在國標(biāo)GB/T20973中提出的，它原引于防水用膨潤土的試驗(yàn)方法。這兩個(gè)指標(biāo)是分別反映膨潤土在C(HCl)=0.25mol/L的鹽酸介質(zhì)與中性水中分散與膨脹性能的兩項(xiàng)指標(biāo)。其次，不同的是前者強(qiáng)行搖振后使膨潤土分散在鹽酸介質(zhì)中，后者是使膨潤土自然沉降分散于中性水介質(zhì)中。此外，還有稱量的不同，前者是1.00g，后者是2.00g。因?yàn)?，這兩個(gè)概念在國內(nèi)已經(jīng)有些混淆，建議在以后制訂標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，仍采用膨脹容指標(biāo)為妥。

(4) 關(guān)于吸水率，各企業(yè)規(guī)定的指標(biāo)差別較大，建議應(yīng)以試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，提出合理的范圍。目前可適當(dāng)放寬限制。

4.2 關(guān)于GB/T20973-2007標(biāo)準(zhǔn)中的問題

對于膨潤土GB/T20973-2007標(biāo)準(zhǔn)中涉及的部分問題，提出如下看法與建議：

(1) GB/T20973K“5.2 冶金球團(tuán)用膨潤土的質(zhì)量指標(biāo)規(guī)定”中，用“膨脹指數(shù)”取代了傳統(tǒng)的“膨脹容”，使用中容易混淆與造成混亂，建議修改時(shí)仍采用“膨脹容指標(biāo)”。

(2) 標(biāo)準(zhǔn)中，“3 術(shù)語與定義”中各術(shù)語的定義過于簡單，不夠嚴(yán)謹(jǐn)。

(3) 標(biāo)準(zhǔn)“5 要求”中提出“冶金球團(tuán)用膨潤土的質(zhì)量指標(biāo)”對球團(tuán)土用膨潤土進(jìn)行分級，基于目前的膨潤土質(zhì)量指標(biāo)，對球團(tuán)土的成球性能影響的定量關(guān)系并不十分清楚的情況下，沒有必要進(jìn)行細(xì)分級。

(4) 關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)“附錄A”中“陽離子交換量及其交換陽離子含量試驗(yàn)方法”沿引自作者提出的試驗(yàn)方法[2]，當(dāng)本標(biāo)準(zhǔn)引用此方法時(shí)，對其中的表達(dá)式與符號作了更改，但是編寫時(shí)忽略了，在使用“摩爾”作為物質(zhì)的量的單位時(shí)，必須確定和指出其“基本單元”的原則，否則無法計(jì)算和準(zhǔn)確表達(dá)結(jié)果。例如原法中以E 1/2Ca2+表示鈣離子的陽離子交換量，基本單元是1/2Ca2+，物理意義明確。而在此國標(biāo)中將其改為用b (Ca)表示交換性鈣的含量，并以“mmol/ 100g”為單位表示。應(yīng)該指出是，b (Ca) 表達(dá)式意味著Ca的物質(zhì)的基本單元是“Ca原子”，不符合標(biāo)準(zhǔn)的本意，類似的錯(cuò)誤還有。作者認(rèn)為編制“國標(biāo)”是嚴(yán)肅的，一些原則性錯(cuò)誤須更正。

4.3 關(guān)于編制球團(tuán)土的國家標(biāo)準(zhǔn)的建議

我國使用球團(tuán)土已有幾十年的歷史，而且球團(tuán)土的使用已普及，用量越來越大。因此，制訂一個(gè)統(tǒng)一的球團(tuán)土的國家標(biāo)準(zhǔn)是十分必要的。但正如前所述，由于球團(tuán)土的影響因素的復(fù)雜性，目前，編制球團(tuán)土的國家標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)機(jī)尚未成熟。因此，作者建議，為了編制球團(tuán)土的國家標(biāo)準(zhǔn)，首先應(yīng)由國家立項(xiàng)，組織冶金、地礦與建材非金屬等部門分工協(xié)作，聯(lián)合攻關(guān)，試驗(yàn)研究探討，弄清楚究竟是哪些性能是影響膨潤土成球性能的關(guān)鍵因素及其作用機(jī)理，然后制訂一個(gè)有科學(xué)根據(jù)的球團(tuán)土國家標(biāo)準(zhǔn)。

[1]馮惠敏，王勇華.膨潤土在鐵礦球團(tuán)中作用機(jī)理[J].中國非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊，2009(6)：15-18.

[2]中華人民共和國地質(zhì)礦產(chǎn)部.巖石和礦石分析規(guī)程[M].西安：陜西科學(xué)出版社，1993：480-551.

[3]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 20973-2007膨潤土[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[4]地質(zhì)礦產(chǎn)部科學(xué)技術(shù)司.膨潤土礦物化性能測試暫行統(tǒng)一方法[M].武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，1984：18-19.

Discussion on Modification of Bentonite Used in Iron Ore Pelletting and Its Standard

TIE Li-yun1, LU Yi-jun1, CHEN Ji-mei2, SUN Sheng-yan3
(1. The Center for Material Research and Testing, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 2. Geological Experiment Research Institute of Hubei Province, Wuhan 430022, China; 3. Hunan Zhongbang Chemical Industry Co., Ltd., Linli 415200, China)

Characteristics and physico chemical properties of bentonite in Hunan Linli county were discussed. The bentonite used in iron ore pelletting was treated and modified. The properties of modified bentonite were improved significantly. The technology index such as the swell volume, gelling index, and water absorption rate were increased obviously and up to the requirements of the standard. Some problems and proposals on national standard on iron ore pelltting clay were made.

bentonite modification; iron ore pellet; technology index; standard

P619.255

A

1007-9386(2014)01-0004-03

2013-11-19