改性復合黏結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(中南大學資源加工與生物工程學院，湖南 長沙 410083)

球團礦是現代高爐煉鐵生產中配加的一種主要的優質含鐵原料，具有強度好、粒度均勻、形狀規則、鐵品位高等優點[1-2]。近十幾年來，我國球團礦的生產規模發展迅猛，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劑[4-5]。國內氧化球團廠普遍采用膨潤土作黏結劑，雖然膨潤土黏結性能良好，但其含Al2O3、SiO2高，生產中幾乎全部殘留在球團中，因而降低了球團品位[6-8]。有數據表明，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、增產意義重大。

然而，在我國的球團生產中，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象十分普遍，導致實際生產中膨潤土配加量過高[14]。有研究表明[15]，國內膨潤土配加量一般為球團總質量的1.5%～3.0%，有的甚至更高。過高的膨潤土配加量將導致球團品位顯著下降，進而導致生鐵產量下降，煉鐵成本增加，企業經濟效益下滑等后果[12]。因此，減少膨潤土的配加量是球團生產中所要解決的關鍵問題。

基于大量配加膨潤土會降低球團礦鐵品位的問題，我國科研工作者一直在研發新型黏結劑，以實現部分取代甚至完全取代膨潤土的目標。有研究表明[16-17]，采用有機黏結劑制備球團，可減少黏結劑用量，提高球團鐵品位，然而這種球團預熱強度低、成本高，目前難以獲得廣泛應用[18]。對于這種現狀，開發新型、高效復合型黏結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，主要化學成分分析結果見表1，粒度組成結果見表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。黏結劑有膨潤土，CMC與膨潤土復合而成的CMC復合黏結劑，以及用膨潤土、醋酸鈉和CMC制備的改性復合黏結劑。

表1 磁鐵精礦主要化學成分分析結果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產率為12.95%，-0.045 mm產率為59.04%。

由表3可看出，膨潤土粒度較細，+0.075 mm產率僅為2.33%，-0.045 mm產率為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、膠質價、吸蘭量和吸水率均較高，屬優質膨潤土。

2 試驗方法

2.1 改性復合黏結劑的制備

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劑，再加入與磁鐵精礦和黏結劑總質量比為9%的水，混勻后在φ1 m的圓盤造球機(轉數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，然后進行預熱、焙燒試驗。試驗在CWG-5.5型臥式管狀電爐中進行，預熱溫度為960 ℃，預熱時間為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熱球和焙燒球的抗壓強度。

3 試驗結果與討論

3.1 CMC復合黏結劑確定試驗

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量比)對生球性能影響試驗結果見圖1。

圖1 膨潤土用量對生球性能影響試驗結果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。滿足生球質量要求的膨潤土添加量為1.6%，對應的生球落下強度為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與膨潤土的質量比試驗，結果見圖2。

圖2 CMC添加量對生球性能影響試驗結果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。滿足生球質量要求的CMC添加量為0.9%，對應的生球落下強度為4.11 次，抗壓強度為14.97 N/個。

3.1.3 CMC復合黏結劑用量對生球性能的影響

按3.1.2節確定的CMC與膨潤土的質量比進行CMC復合黏結劑用量(CMC復合黏結劑與磁鐵精礦的質量比)試驗，結果見圖3。

圖3 CMC復合黏結劑用量對生球性能影響試驗結果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復合黏結劑用量由0.8%增至1.2%，生球的落下強度和抗壓強度均明顯上升；CMC復合黏結劑用量由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復合黏結劑用量為1.2%時，生球落下強度為4.11次,抗壓強度為14.97 N/個，達到了生球的質量要求。與3.1.1節試驗結果相比，生球的強度雖略有下降，但使用CMC復合黏結劑可使黏結劑用量降低0.4個百分點，這有利于球團鐵品位的提高。

3.1.4CMC復合黏結劑對預熱、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復合黏結劑的球團的預熱和焙燒強度，結果見表5。

表5 不同黏結劑對預熱球團、焙燒球團強度影響試驗結果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%膨潤土的預熱和焙燒球團的抗壓強度均高于添加1.2%CMC復合黏結劑的預熱和焙燒球團。由此可以看出，CMC復合黏結劑的添加雖能提高球團鐵品位，但會影響預熱和焙燒球團的強度。

造成預熱、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部留下了空洞；其二，網狀結構的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，造成顆粒排列不如膨潤土球團緊密。

3.2 復合黏結劑改性對球團性能的影響

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

在CMC復合黏結劑用量為1.2%情況下，醋酸鈉與膨潤土質量比對生球強度的影響見圖4，對預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，生球的落下強度穩定在4.1次；繼續增大醋酸鈉的用量，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，滿足生產要求。

圖4 醋酸鈉與膨潤土質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■—預熱球團的強度；●—焙燒球團的強度

從圖5可以看出，預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，對應的預熱球強度為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復合黏結劑宜由膨潤土添加0.9%的CMC和0.5%的醋酸鈉制成。改性CMC復合黏結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、預熱球強度及焙燒球強度的基礎上明顯降低黏結劑用量，提高球團鐵品位。

4 結 論

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

(2)CMC復合黏結劑用0.5%醋酸鈉改性，可顯著提高對應預熱球團及焙燒球團的強度，在改性CMC復合黏結劑用量為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，預熱球團、焙燒球團強度分別為532 N/個，3 444 N/個，與CMC復合黏結劑球團相比，預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，滿足生產要求。

[1] 傅菊英,姜 濤,朱德慶.燒結球團學[M].長沙:中南工業大學出版社,1995.

Fu Juying,Jiang Tao,Zhu Deqing.The Subject of Sintering and Pelletizing[M].Changsha:Central South University of Technology Press,1995.

[2] 葉匡吾.努力推進我國球團礦的生產[J].燒結球團，2007(5):1-5.

Ye Kuangwu.Efforts to promote pelleting production of our country[J].Sintering and Pelletizing,2007(5):1-5.

[3] 楊曉東，張丁辰，劉 錕，等.球團替代燒結-鐵前節能低碳污染減排的重要途徑[J].工程研究,2017(1):44-52.

Yang Xiaodong,Zhang Dingchen,Liu Kun,et al.The important way of energy saving low carbon pollution reduction to replace sintering-iron before by pelleting[J].Engineering Research,2017(1):44-52.

[4] Bhuiyan I U,Mouzon J，Kaech A,et al.Microstructure of bentonite in iron ore green pellets[J].Microscopy and Microanalysis,2014(1):33.

[5] Halt J A,Kawatra S K.Review of organic binders for iron ore concentrate agglomeration[J].Minerals & Metallurgical Processing,2014(2):73-94.

[6] 張永祥，田發超，張克誠，等．添加復合粘結劑的球團實驗[J]．燒結球團，2004(5)：9-11．

Zhang Yongxiang，Tian Fachao，Zhang Kecheng，et al.Pelletizing test of adding various complex binders[J]．Sintefing and Pelletizing，2004(5)：9-11.

[7] Kawatra S k，Ripke S J.Developing and understanding the bentonite fiber bonding mechanism[J].Minerals Engineering,2001(6)：647-659.

[8] Kawatra S k，Ripke S J．Laboratory studies for improving green-ball strength in bentonite-bonded magnetite coacentrate pellets[J].International Journal of Mineral Processing,2003(1/2/3/4)：429-441．

[9] 楊大兵，張一敏，吳衛國，等．武鋼金山店高品位球團礦制備研究[J]．燒結球團，2003(3)：12-15.

Yang Dabing,Zhang Yimni,Wu Weiguo,et al.Stay on preparation of high grade iron pellet using iron concentrate from Jinshandian iron mine[J].Sintering and Pelletizing,2003(3)：12-15．

[10] 李宏煦，王淀佐，胡岳華，等．羧甲基淀粉鈉提高球團強度的機理[J]．中南工業大學學報：自然科學版，2001(4)：351-354．

Li Hoagxu,Wang Dianzuo，Hu Yuehua,et a1．The mechanism of improving pellet strength by carboxyl methylated amylum[J].Central South University of Technology：Nature Science,2001(4)：351-354．

[11] 蘇 曦，潘寶巨，葛鑄高.通過降低膨潤土配比獲得優質球團礦[J].鋼鐵研究學報，1997(s)：1-6．

Su Xi,Pan Baoju,Ge Zhugao.By reducing the ratio of bentonite to obtain high quality pellets[J].Journal of Iron and Steel Research,1997(s)：1-6.

[12] 李朝暉.論提高球團礦鐵品位與經濟效益[J].燒結球團，1998(6):10-13.

Li Chaohui.Theory to improve pellet iron grade and economic benefits[J].Sintering and Pelletizing,1998(6):10-13.

[13] 葛英勇，季 榮，袁武譜，等.新型有機粘結劑GPS用于鐵礦球團的研究[J].燒結球團,2008(5):10-14.

Ge Yinyong,Ji Rong,Yuan Wupu,et al.Study on preparation of Iron ore pellet using new style organic binder GPS[J].Sintering and Pelletizing,2008(5):10-14.

[14] 張新兵，朱夢偉.膨潤土對我國球團生產的影響[J].燒結球團，2003(6):3-6.

Zhang Xinbing,Zhu Mengwei.Effect of bentonite additive on pelleting operation of our country[J].Sintering and Pelletizing,2003(6):3-6.

[15] 楊永斌,黃桂香,姜 濤,等.有機粘結劑替代膨潤土制備氧化球團[J].中南大學學報:自然科學版,2007(5):850-856.

Yang Yongbin,Huang Guixiang,Jiang Tao,et al.Application of organic binder as substitutes for bentonite in pellet preparation[J].Journal of Central South University：Nature Science，2007(5):850-856.

[16] 李海普,鐘 宏.磁鐵精礦粉造塊中合成有機高分子粘結劑的研究[J].金屬礦山，2001(11):27-30.

Li Haipu,Zhong Hong.Study on sythesized organic high molecnlar binders in agglomeration of magnetite concentrate powder[J].Metal Mine,2001(11):27-30.

[17] 陳 瑛，湯寶賢.粘結劑種類和用量對球團礦質量的影響[J].本鋼技術，1994(6):8-15.

Chen Ying,Tang Baoxian.The effect of kind and amount of adhesive on the quality of the pellets[J].Benxi Steel Technology,1994(6):8-15.

[18] Eisele T C，Kawatra S K.A review of binders in iron ore pelletization[J].Mineral Processing & Extractive Metallurgy Review,2003(1):1-90.