提純膨潤土制備復(fù)合黏結(jié)劑用于生產(chǎn)球團(tuán)試驗(yàn)

殷志祥 李秀晨 白 陽 王國良 梁 藝 寧志揚(yáng)

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

我國鐵礦石儲(chǔ)量極為豐富，已探明儲(chǔ)量高達(dá)608億t，但是絕大部分為嵌布粒度細(xì)、多組分共(伴)生的貧鐵礦石[1]。隨著高品位鐵礦石的日益減少，人造富礦被廣泛用于鋼鐵生產(chǎn)。球團(tuán)礦作為理想的人造富礦，不僅在選礦過程中脫除了雜質(zhì)，全鐵品位較高，而且能擴(kuò)大煉鐵原料來源，使大規(guī)模應(yīng)用貧鐵礦石成為可能。球團(tuán)礦質(zhì)量的改善是現(xiàn)階段我國球團(tuán)礦發(fā)展所面臨的巨大技術(shù)挑戰(zhàn)，而球團(tuán)黏結(jié)劑是該技術(shù)的關(guān)鍵，同時(shí)也是造成我國球團(tuán)礦質(zhì)量相比國外存在較大差距的主要原因。膨潤土作為最常見的球團(tuán)黏結(jié)劑，具有熱穩(wěn)定性好、黏度高、廉價(jià)易得的特點(diǎn)，被廣泛用于球團(tuán)生產(chǎn)[2]。而膨潤土中含有大量的SiO2、Al2O3，這些成分不僅會(huì)降低球團(tuán)礦鐵品位，而且會(huì)造成出渣量多，對(duì)高爐維護(hù)不利。近些年，新型有機(jī)黏結(jié)劑逐漸被開發(fā)應(yīng)用，但只有瑞士Ciba公司生產(chǎn)的Alcotac FE系列以及荷蘭Akzo Nobel公司生產(chǎn)的Peridur系列成功應(yīng)用于生產(chǎn)[3-4]。由于國內(nèi)鋼鐵廠利潤率較低，采用有機(jī)黏結(jié)劑不僅會(huì)提高生產(chǎn)成本，還會(huì)對(duì)需要較高預(yù)熱溫度的鏈篦機(jī)—回轉(zhuǎn)窯工藝帶來影響，這給有機(jī)黏結(jié)劑在中國的應(yīng)用帶來一定困難。

為了降低球團(tuán)中膨潤土的添加量，同時(shí)滿足降低生產(chǎn)成本、提高效益的生產(chǎn)要求。以朝陽某膨潤土為主要黏結(jié)劑，采用有機(jī)黏結(jié)劑與其進(jìn)行復(fù)合，考察添加黏結(jié)劑對(duì)磁鐵礦粉制備生球質(zhì)量的影響，探索低品位膨潤土在球團(tuán)工業(yè)中應(yīng)用的可行性，為實(shí)際生產(chǎn)復(fù)合黏結(jié)劑提供參考。

1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)用膨潤土取自遼寧省朝陽市，呈灰白色，致密塊狀，具蠟質(zhì)光澤，鋸齒狀斷口，遇水膨脹散解，干燥后多呈不規(guī)則碎塊狀，失水后呈土狀光澤。膨潤土原土中蒙脫石晶粒(含量為60.25%)較為細(xì)小，主要伴生雜質(zhì)方石英(含量為20%～30%)分布較均勻，與蒙脫石的共生關(guān)系比較密切，其次還含有少量高嶺石、綠泥石和有機(jī)質(zhì)等雜質(zhì)。將膨潤土原土在105 ℃下烘干至恒重后，對(duì)其化學(xué)成分進(jìn)行分析表明：Al2O3、SiO2、CaO、Na2O、Fe2O3、K2O、TiO2、MgO含量分別為15.97%、65.16%、3.66%、0.39%、3.25%、0.12%、0.08%、2.10%，燒失量為9.27%。原土中SiO2與Al2O3的質(zhì)量比為4.08，與理論值2.36相差較大，說明該膨潤土中雜質(zhì)較多。由堿金屬和堿土金屬含量可大致判斷膨潤土類型：MgO與CaO含量之和(5.76%)大于K2O與Na2O含量之和(0.51%)，因此，該膨潤土為鈣基膨潤土。膨潤土X射線衍射圖譜見圖1，利用掃描電子顯微鏡對(duì)膨潤土原土進(jìn)行形貌分析，測(cè)試結(jié)果見圖2。

由圖1可知：膨潤土特征峰d001為15.343 0 ?，表明膨潤土層間含有2層水分子，且衍射峰峰形尖銳，對(duì)稱性較好，屬于典型的鈣基膨潤土；d060= 1.494 7 ?，該膨潤土屬于蒙脫石類(當(dāng)d060=1.490～1.510 ?時(shí)，屬于二八面體蒙脫石類，當(dāng)d060=1.530～1.550 ?時(shí)，為三八面體皂石類[5])。

圖2 膨潤土原土SEM試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Scanning electron micrographs of bentonite ore

從圖2可以看出，膨潤土原土中蒙脫石顆粒較細(xì)，粒度大小不均勻，邊界較為清晰，片層狀結(jié)構(gòu)明顯，有卷邊現(xiàn)象，符合鈣基膨潤土的特征。

試驗(yàn)用磁鐵礦粉采自阜新磁鐵礦選礦廠，主要化學(xué)成分SiO2、Al2O3、TFe、CaO、MgO、FeO、S、P含量分別為4.01%、0.52%、65.96%、1.37%、1.09%、24.54%、0.18%、0.01%。其粒度組成為：+0.150、0.074～0.150、0.045～0.074、-0.045 mm粒級(jí)含量分別為2.56%、15.02%、40.58%、41.84%。測(cè)得該磁鐵礦粉成球性指數(shù)K為0.33，成球性較弱。

2 試驗(yàn)試劑及儀器設(shè)備

試劑：濃鹽酸、輕質(zhì)氧化鎂、次甲基藍(lán)、羧甲基纖維鈉(CMC)，均為分析純。

儀器設(shè)備：密封式化驗(yàn)制樣粉碎機(jī)(GJ-1A)，X射線衍射儀(BrukerD8 ADVANCED)，X射線熒光儀(BrukerS8 TIGER)，小錐角水力旋流器φ150 mm、φ75 mm，實(shí)驗(yàn)室用圓盤造球機(jī)，生球爆裂溫度測(cè)定裝置(SCQ-50)，鐵礦球團(tuán)壓力試驗(yàn)機(jī)(HXQT-10c)，螺旋擠壓機(jī)(TJ12-H)，對(duì)輥擠壓機(jī)(SX-100)，真空恒溫干燥箱(DZF-6090)。

3 膨潤土提純?cè)囼?yàn)

研究表明，鐵礦球團(tuán)的質(zhì)量?jī)?yōu)劣與蒙脫石含量密切相關(guān)[6]。試驗(yàn)膨潤土原土蒙脫石含量?jī)H為60.25%，難以直接利用，必須經(jīng)過選礦提純才能滿足球團(tuán)工業(yè)和后續(xù)深加工的要求。水力旋流器作為一種常見的機(jī)械分離設(shè)備，具有分級(jí)效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備造價(jià)低等諸多優(yōu)點(diǎn)，常用于細(xì)小顆粒的分級(jí)作業(yè)。對(duì)于直徑在15 μm以下的顆粒，一般選用小直徑圓錐型水力旋流器[7]。膨潤土提純?cè)囼?yàn)采用φ150 mm、φ75 mm兩級(jí)旋流器串聯(lián)。首先利用強(qiáng)力混漿設(shè)備擦洗膨潤土原料，然后向攪拌桶內(nèi)補(bǔ)加清水，將膨潤土漿體的濃度控制在10%左右，并通過渣漿泵充分打散混勻，然后以0.1 MPa壓力打入φ150 mm旋流器中進(jìn)行分級(jí)，得到的溢流加水稀釋至濃度為7%左右，再以0.2 MPa壓力打入φ75 mm旋流器進(jìn)行分級(jí)，最終得到的φ75 mm溢流為提純后蒙脫石產(chǎn)品。旋流器組提純膨潤土流程及分選結(jié)果分別見圖3和表1。

圖3 旋流器組提純膨潤土試驗(yàn)流程Fig.3 Schematic diagram of hydrocyclonespurified bentonite ore表1 膨潤土提純?cè)囼?yàn)結(jié)果Table 1 Result of bentonite purification test

樣品蒙脫石含量/%膨脹容/(mL/g)膠質(zhì)價(jià)/(mL/15g)2h吸水率/%球團(tuán)中最低配入量/%原土60.256261143.5?150mm底流24.69————?150mm溢流71.359311403.0?75mm底流32.71————?75mm溢流81.0415422182.2

由表1可以看出：膨潤土原土經(jīng)擦洗—兩段旋流器提純后，蒙脫石含量從60.25%富集到81.04%，提純效果明顯；當(dāng)選用φ75 mm溢流做球團(tuán)黏結(jié)劑時(shí)，膨潤土膨脹容為15 mL/g、膠質(zhì)價(jià)為42 mL/(15 g)、2 h吸水率為218%，已經(jīng)達(dá)到冶金球團(tuán)用鈣基膨潤土一級(jí)品的指標(biāo)。

4 氧化球團(tuán)造球試驗(yàn)

將旋流器提純后膨潤土作為黏結(jié)劑用于球團(tuán)礦生產(chǎn)，其在球團(tuán)中的添加量最低為2.2%，相比國際先進(jìn)水平(配入量0.6%～0.8%)仍有較大差距[8]，為了進(jìn)一步降低膨潤土黏結(jié)劑在球團(tuán)中配入量，對(duì)提純后膨潤土進(jìn)行復(fù)配有機(jī)黏結(jié)劑造球試驗(yàn)。CMC作為佩利多(Peridur)的主要成分，已被廣泛用于球團(tuán)工業(yè)，本試驗(yàn)選用CMC為有機(jī)黏結(jié)劑。試驗(yàn)時(shí)取提純后膨潤土200 g，向其中添加一定量的CMC(配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的溶液使用)，然后補(bǔ)加水至復(fù)合黏結(jié)劑(CMC與提純膨潤土)含水率為20%，擠壓一定次數(shù)后烘干磨粉，用于氧化球團(tuán)造球試驗(yàn)。

造球試驗(yàn)在600 mm×150 mm 圓盤造球機(jī)上進(jìn)行，球盤轉(zhuǎn)速30 r/min，傾角45°，補(bǔ)加水量為9%。采取機(jī)械攪拌混勻物料，每次稱取5 kg混勻后物料，模擬工業(yè)生產(chǎn)，將造球過程分為母球生成、生球長大和生球緊密3個(gè)過程。其中母球生成過程保持3 min，生球長大過程中需不斷鏟出粒級(jí)過大或過小的球團(tuán)。當(dāng)大部分球團(tuán)粒級(jí)合格時(shí)，停止加料噴水，繼續(xù)滾動(dòng)3 min使生球緊密。造球試驗(yàn)結(jié)束后，篩出粒度合格生球若干，通過儀器檢測(cè)其生球性能指標(biāo)。

4.1 CMC配入量對(duì)生球性能的影響

在復(fù)合黏結(jié)劑的配入量為1.0%，螺旋擠壓2次，CMC的配入量分別為提純后膨潤土質(zhì)量的0、1%、2%、3%、4%條件下進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見圖4。

圖4 CMC配入量對(duì)生球性能的影響Fig.4 CMC dosage on effect of green pellet properties■—生球落下強(qiáng)度；●—生球抗壓強(qiáng)度；▲—爆裂溫度

由圖4可知：生球的落下強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均隨著CMC配入量的增加而升高，而爆裂溫度則呈下降趨勢(shì)；當(dāng)CMC配入量為提純后膨潤土質(zhì)量的4%時(shí)，生球爆裂溫度已不足450 ℃。這是因?yàn)楫?dāng)復(fù)合黏結(jié)劑添加量一定時(shí)，隨著CMC配入量的增加，膨潤土的配入量相應(yīng)地減少，CMC的黏結(jié)性要強(qiáng)于膨潤土，在鐵礦顆粒之間起到黏結(jié)作用的有機(jī)黏結(jié)劑越來越多，鐵礦顆粒之間的連接更為緊密，生球強(qiáng)度逐漸提高，但CMC在高溫焙燒時(shí)無法提供大量低熔點(diǎn)液相物質(zhì)，球團(tuán)的爆裂溫度隨CMC配入量增加逐漸下降。因此，確定CMC配入量為3%。

4.2 擠壓條件對(duì)生球性能的影響

在復(fù)合黏結(jié)劑的配入量為1.0%，CMC的配入量為提純后膨潤土質(zhì)量的3%條件下，考察擠壓條件對(duì)生球性能的影響，結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 螺旋擠壓次數(shù)對(duì)生球性能的影響Fig.5 Screw extrusion times on effectof green pellet properties■—生球落下強(qiáng)度；●—生球抗壓強(qiáng)度；▲—爆裂溫度

圖6 對(duì)輥擠壓次數(shù)對(duì)生球性能的影響Fig.6 Roll extrusion times on effectof green pellet properties■—生球落下強(qiáng)度；●—生球抗壓強(qiáng)度；▲—爆裂溫度

由圖5和圖6可以看出：在相同擠壓次數(shù)條件下，通過螺旋擠壓產(chǎn)生的生球性能要優(yōu)于對(duì)輥擠壓產(chǎn)生的生球性能。螺旋擠壓不僅會(huì)提供徑向擠壓力，同時(shí)還會(huì)提供軸向剪切力作用。由于CMC屬于高分子化合物，含有大量的—COOH和—OH等有機(jī)官能團(tuán)，軸向剪切力會(huì)使CMC產(chǎn)生大量新的斷鍵，使CMC與鐵礦物表面發(fā)生的吸附增多，增強(qiáng)了復(fù)合黏結(jié)劑的黏結(jié)性。因此，擠壓方式選擇螺旋擠壓。從圖5可以看出，隨著螺旋擠壓次數(shù)的增加，生球的各項(xiàng)性能指標(biāo)均不斷提高，當(dāng)螺旋擠壓次數(shù)超過3次時(shí)，生球性能隨擠壓次數(shù)增加提高幅度變小。隨著螺旋擠壓次數(shù)的增加，部分大分子鏈斷裂，新產(chǎn)生的官能團(tuán)能改善復(fù)合黏結(jié)劑的親水性，有利于提高生球性能。同時(shí)擠壓還可以改善CMC在膨潤土中的分散情況，由于CMC的配入量較少，遇水后變黏，很難在膨潤土中均勻分散，隨著擠壓次數(shù)的增多，CMC逐漸分散，保證了復(fù)合黏結(jié)劑的均一性。擠壓次數(shù)過多時(shí)，會(huì)導(dǎo)致分子鏈斷裂過多，反而使黏結(jié)效果下降。所以，確定擠壓次數(shù)為3次。

4.3 復(fù)合黏結(jié)劑配入量試驗(yàn)

在CMC的配入量為提純后膨潤土質(zhì)量的3%，擠壓方式采用螺旋擠壓，擠壓次數(shù)為3次條件下，考察復(fù)合黏結(jié)劑配入量對(duì)生球性能的影響，結(jié)果見表2。

表2 黏結(jié)劑添加量對(duì)生球性能的影響Table 2 Pelletizing experiment of compound binder

由表2可知，在黏結(jié)劑配入量相等的情況下，采用復(fù)合黏結(jié)劑時(shí)生球的各項(xiàng)指標(biāo)相比原土均有不同程度的提升。當(dāng)復(fù)合黏結(jié)劑配入量為0.8%時(shí)，生球落下強(qiáng)度為5.2次，爆裂溫度為475℃，生球抗壓強(qiáng)度為12.85 N/個(gè)，滿足球團(tuán)性能要求。當(dāng)鈣基膨潤土直接做球團(tuán)黏結(jié)劑使用時(shí)，表現(xiàn)為黏結(jié)性較差，我國利用鈣基膨潤土生產(chǎn)球團(tuán)黏結(jié)劑常需要對(duì)膨潤土進(jìn)行鈉化[9]，部分膨潤土廠為了追求高黏結(jié)性，會(huì)在膨潤土中加入過量的碳酸鈉，造成冶金時(shí)球團(tuán)異常膨脹，影響高爐生產(chǎn)[10]。而復(fù)合黏結(jié)劑的應(yīng)用則不會(huì)帶來這些問題。因此，復(fù)合黏結(jié)劑配入量為0.8%。

4.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

若按年產(chǎn)量為100萬t鐵水的煉鋼廠計(jì)算，球團(tuán)礦產(chǎn)量約20萬t/a，高爐爐料結(jié)構(gòu)為球團(tuán)礦占20%、燒結(jié)礦占70%、塊礦占10%，焦炭?jī)r(jià)格按1 500元/t，高爐焦比為350 kg/t，1 t鐵的利潤為100元。提純膨潤土在球團(tuán)中的最低添加量為2.2%，膨潤土原土按300元/t計(jì)。復(fù)合黏結(jié)劑在球團(tuán)中的最低添加量為0.8%，復(fù)合黏結(jié)劑價(jià)格為1 000元/t。按照入爐料品位每提高1%，焦比降低2%、產(chǎn)量提高2%計(jì)算，

黏結(jié)劑成本：

2.2%×300-0.8%×1 000=-1.4(元/t)，

增產(chǎn)效益：

(2.2-0.8)×0.2×2%×100=0.56(元/t)，

降低焦比效益：

(2.2-0.8)×0.2×2%×1 500×

350÷1 000=2.94(元/t)，

綜合效益：

-1.4×200 000+(0.56+

2.94)×1 000 000=322萬元.

當(dāng)選用復(fù)合黏結(jié)劑作球團(tuán)黏結(jié)劑時(shí)，年產(chǎn)量為100萬t的煉鋼廠年可節(jié)約成本322萬元，若考慮高爐爐渣的減少及球團(tuán)冶金性能的改善，焦比還可進(jìn)一步降低，效益還會(huì)增加。雖然復(fù)合黏結(jié)劑會(huì)增加一定的黏結(jié)劑成本，但有利于后續(xù)工藝的節(jié)能降耗，且膨潤土提純后的尾渣是復(fù)合肥、種植土的優(yōu)良原料，符合膨潤土梯級(jí)加工的思想，是未來球團(tuán)工業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)之一。

5 結(jié) 論

(1)小錐角旋流器組能有效提純膨潤土，當(dāng)采用φ150 mm和φ75 mm兩級(jí)旋流器串聯(lián)，分級(jí)壓力分別為0.1 MPa和0.2 MPa時(shí)，蒙脫石含量從60.25%富集到81.04%，產(chǎn)率為60.93%、回收率為81.95%。

(2)以提純膨潤土為原料，復(fù)合黏結(jié)劑制備工藝為：CMC配入量為膨潤土的3%，復(fù)合黏結(jié)劑含水率為20%，螺旋擠壓3次，制備出的復(fù)合黏結(jié)劑可使球團(tuán)中的黏結(jié)劑配比降低到0.8%。在此配比條件下制備的生球落下強(qiáng)度為5.2次，爆裂溫度為475 ℃，生球抗壓強(qiáng)度為12.85 N/個(gè)，滿足球團(tuán)性能指標(biāo)。

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