礦粉顆粒表面微觀形貌對過濾性能的影響

楊濤，青格勒，董香娟，賀金文，田筠清，張彥

（1.首鋼集團有限公司技術研究院，北京 100043；2. 綠色可循環鋼鐵流程北京市重點實驗室，北京 100043；3.首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司煉鐵部，河北 唐山 063200）

過濾是利用一種多孔隙物質（濾布）作為介質，使固液進一步有效分離的脫水方法。引起濾餅水分高的原因很多，包括物料的性質、過濾設備的種類、選礦的流程等，但影響精礦過濾過程的最主要因素還是物料的性質[1]。

濾餅在形成過程中，固體顆粒的拱狀結構、毛細管通道、表面水分等對精礦脫水效果影響極大，而這三要素形成的質量除了與精礦粒級組分有關外，還與精礦表面性質密切相關[2]。物料表面的水分主要有分子水、毛細管水分和重力水分3種賦存形態。其中，分子水與毛細管水分受物料表面性質影響較大。

為了考察物料表面性質對分子水和毛細水的影響，進而對過濾濾餅水分的影響。本文以5 種同一粒度的不同鐵精粉為對象，從礦粉表面微觀的角度分別研究了不同礦粉顆粒的微觀形貌，微觀形貌與最大分子水、毛細水的關系，最大分子水、毛細水和濾餅水分的關系，以及微觀形貌與過濾速率、濾餅水分的關系。該研究對通過改善礦粉表面性質來提高鐵精粉的過濾性能具有重要的理論指導意義。

1 試驗方法

1.1 試驗原料

5 種來源不同的鐵精礦粉，分別為A、B、C、D、E。為消除粒度組成對過濾的影響，參照選礦廠鐵精粉粒度，將5 種鐵精粉粒度均配制為：+0.18 mm 1%、-0.18+0.125 mm 3%、-0.125+0.15 mm 3%、-0.15+0.074 mm 13%、-0.074+0.045 mm 29%、-0.045 mm 51%。

1.2 試驗設備和分析儀器

HITACHI S-3400N Ⅱ型掃描電鏡、瓶式真空抽濾裝置、最大毛細水測定儀、最大分子水測定裝置：Ф（60×100）mm 的壓模一套，壓力機一臺，烘箱一臺。

1.3 試驗方法

掃描電鏡觀察礦粉顆粒表面微觀形態將5 種礦粉的粉狀樣品粘附于載物臺，進行掃描電鏡觀察。

礦粉過濾試驗將5 種礦粉分別配成濃度60%的礦漿，用瓶式抽真空過濾裝置進行過濾，過濾壓力0.06 MPa，記錄不同過濾時間下產生的濾液量；過濾時間3 min 后，測定濾餅水分。

最大分子水測定試驗 采用壓濾法分別測定5種礦粉的最大分子水。最大毛細水測定試驗 采用容量法分別測定5 種礦粉的最大毛細水。

2 結果與分析

2.1 5 種鐵精粉過濾結果及分析

不同過濾時間下產生的濾液量變化見圖2，5種鐵精粉過濾濾餅水分見表1。

表1 5 種鐵精粉濾餅水分值/%Table 1 Moisture value of 5 kinds of iron concentrate powder filter

從表1 可以看出，礦粉A 的濾餅水分最高為17.3%，以下依次為B 的濾餅水分15.6%，C 的過濾水分12.4%，D 的濾餅水分11%，E 的濾餅水分10.7%。

圖 1 不同過濾時間下產生的濾液量變化Fig. 1 changes of filtrate amount under different filtration time

圖1 是不同過濾時間下產生的濾液量變化，曲線的斜率表示水分透過濾布的過濾速率。從圖2可以看出，濾餅水分高的A 和B 過濾速率較低，過濾開始B 和A 的過濾速率相近，40s 后，B 的過濾速率出現上升，而A 的過濾速率稍微有了下降，表明過濾后期A 過濾困難增加。D 和E 的過濾速率明顯較快，E 過濾相對更快些，C 的過濾速率在5 者中處于居中的位置。5 種礦粉過濾的快慢表示其過濾難度大小，與其濾餅水分大小的規律一致。

2.2 濾餅水分、最大分子水和最大毛細水的關系

5 種礦粉的最大分子水和最大毛細水的測定試驗結果見表2。

表2 5 種礦粉的最大分子水和最大毛細水值/%Table 2 Moisture value of 5 kinds of iron concentrate powder filter

礦粉A 的最大分子水最高為12.6%，以下依次為礦粉B 最大分子水12.0%，礦粉C 最大分子水10.2%，礦粉D 最大分子水9.0%，礦粉E 最大分子水8.8%。礦粉A 的最大毛細水是最高，以下依次是B、C、D、E。

為觀察5 種礦粉的濾餅水分、最大分子水和最大毛細水之間的關系，將其數值作曲線見圖3。

圖3 5 種礦粉的濾餅水分、最大分子水和最大毛細水曲線Fig. 3 curves of moisture, maximum molecular water and maximum capillary water of 5 mineral powders

從圖2 可以看出，A、B、C、D 和E 5 種礦粉的濾餅水分、最大分子水、最大毛細水的3 條曲線走勢基本一致。最大分子水大的礦物，濾餅水分相對高，而毛細管作用大，最大毛細水高的礦物，濾餅水分也高。這說明最大分子水和最大毛細水含量的大小對過濾濾餅水分有很大影響，濾餅水分和最大分子水、最大毛細水有很大的相關性。

水分在物料表面主要有：分子水、毛細管水分和重力水分3 種賦存形態。當物料表面含水越過最大分子水時，因液體表面張力的作用，在顆粒間形成的細孔隙內產生毛細水。當物料中含水超過最大毛細水之后，多余的水分不能被毛細管所持有，受重力支配，沿礦粒間隙向下移動，這部分水就是重力水[3]。

重力水最容易脫除，可以不予考慮。而分子水與物料結合緊密，不能用機械方法脫除，應用干燥法能去除一部分。毛細管水分，根據所采用的脫水方法及毛細管直徑的大小，可脫除一部分，但不能全部脫除。

由此可知，經過濾后，濾餅水分即物料表面的水分。其與最大分子水、最大毛細水和可以機械方式脫除的毛細水具有如下關系：過濾后物料表面水分=最大分子水+最大毛細水-可以脫除的毛細水。

根據上述關系式，計算出可以脫除的毛細水結果見表3。

表3 礦粉中可以脫除的毛細水含量的計算結果/%Table 3 calculation results of capillary water content removed from ore powder

從表3 可以看出，采用同一種過濾方式，5種礦粉可以脫除的毛細水的量基本一致，靠機械作用無法脫除的毛細水的量則因礦物的毛細作用的大小不同。因此，影響過濾濾餅水分大小的主要是最大分子水和靠機械作用無法脫除的毛細水。

2.3 5 種礦粉的礦物表面形貌

5 種礦粉電鏡（SEM）照片見圖3。

圖 3 5 種礦粉在掃描電鏡下的表面微觀形貌Fig. 3 Surface morphology of 5 mineral powders under scanning electron microscope

圖3 中掃描電鏡結果顯示，A 礦粉的顆粒形狀圓滑，表面粗糙，包裹著許多細小的顆粒；B 礦粉的顆粒形狀較為圓滑，表面粗糙，覆蓋著許多小顆粒；C 礦粉的顆粒表現出一定的規則形狀，露出一定的顆粒表面，但表面仍附著有較多的小顆粒，但相對于A 和B 要少一些；D 礦粉的顆粒呈現出相對C 礦粉更為規則的形狀，棱角較為明晰，顆粒表面相對C 礦粉更為裸露且較為光滑，表面附著較少細小顆粒。E 礦粉顆粒呈明顯的規則形狀，棱角比較明晰，顆粒表面裸露且較為光滑，附著非常少的細小顆粒。

2.4 顆粒表面形貌與最大分子水關系的分析

從表2 和圖3 對應可以看出，A 和B 礦粉的顆粒表面粗糙，附著較多的細小顆粒，其最大分子水也比較大；C 礦粉顆粒上吸附的細小顆粒相對A 和B 較少，最大分子水含量也相對低些；D 和E 礦粉的顆粒表面光滑，其上附著的細小顆粒非常少，最大分子水也更低。

最大分子水由最大吸附水和薄膜水組成[4]。顆粒表面粗糙，附著大量的細小顆粒，會增大顆粒的比表面積和表面能，表面親水性增強[5]，吸附水和薄膜水分相對增多。而表面相對光滑的顆粒，同時附著較少的細小顆粒，其比表面積和表面能相對較低，吸附水和薄膜水分含量相對低些。因此，顆粒表面粗糙，附著的細小顆粒多，最大分子水也會高。

2.5 顆粒表面形貌與最大毛細水關系的分析

從表2、3 和圖3 對應可以看出，A 和B 礦粉的粗顆粒表面粗糙，附著較多的細顆粒，最大毛細水比較大，難以脫除的毛細水也較高；C 礦粉粗顆粒表面附著的細小顆粒相對較少，最大毛細水和難以脫除的毛細水也相對低一些；而D 和E 礦粉的粗顆粒表面較為光滑，附著的細小顆粒非常少，其最大毛細水也比較低，難以脫除的毛細也較低。

粗顆粒在過濾過程中，可以起到形成拱狀結構和增大孔隙度的作用，水分通過拱狀粗粒間隙流入濾孔中，完成固液分離[6]。當粗顆粒表面附著較多的細顆粒，一方面會增強其毛細管作用，使得吸附較多的水分，不易脫離，同時，毛細通道增多，增加了單位面積過濾阻力，顆粒間水分滲流效果下降；另一方面，吸附的細顆粒則容易充塞在粗粒間形成的孔隙之中，使孔隙變小，毛細通道過細，極易被微細粒堵塞、壓實，那么真空所形成壓力差對水流的推動力減弱，影響水分的徹底流出，水不能順暢通過拱狀結構[2]。

因此，顆粒表面粗糙，附著細小顆粒多，會使其最大毛細水含量增高，同時其難以脫除的毛細水也較高。

2.6 粒微觀形貌與過濾水分關系的分析

從表1 和圖3 可以看出，A 和B 礦粉的顆粒附著較多的細小顆粒，表面粗糙，濾餅水分較高，C礦粉的顆粒附著的細小顆粒相對A 和B 較少，濾餅水分也相對低一些；D和E礦粉的顆粒表面較為光滑，附著的細小顆粒非常少，其濾餅水分也是相對更低。

結合圖1 可以看出，顆粒表面粗糙，附著細顆粒多的A 和B 礦粉的過濾速率較低；顆粒表面較光滑，附著的細顆粒少的D 和E 礦粉過濾速率較高，C 礦粉過濾速率居中。除機械方式不能脫除的最大分子水外，影響過濾速率的因素主要是顆粒間的毛細管作用[7]。顆粒表面粗糙，附著小細顆粒多，增強了礦物的毛細管作用。礦物對水的滯粘力增大，水流通過毛細管速度下降，在一定厚度的過濾介質層中，固液徹底分離時間延長，脫水時間一定時，夾帶在毛細通道的水分增加，也就是濾餅夾層水分升高，增加了濾餅的含水量[2]。

3 結 論

（1）5 種礦粉的濾餅水分和過濾速率從高到低依次是A、B、C、D、E，最大分子水和最大毛細水從高到底依次也是A、B、C、D、E，礦粉的濾餅水分、最大分子水和最大毛細水有很大的相關性。

（2）5 種礦粉的微觀形貌特征是：A 和B 顆粒形狀較為圓滑，表面粗糙，附著許多細小的顆粒，C 顆粒形狀較為規則，表面附著相對于A 和B 較少的細小顆粒，D 和E 顆粒形狀規則，棱角明晰，表面光滑，附著非常少的細小顆粒。

（3）礦粉的顆粒表面粗糙，附著較多的細小顆粒，會增大顆粒的比表面積和表面能，表面親水性增強，其最大分子水也比較大；表面相對光滑的顆粒，附著較少的細小顆粒，最大分子水較低。

（4）礦粉粗顆粒表面粗糙，附著較多的細顆粒，其毛細管作用較強，最大毛細水比較大，毛細通道增多，增加了單位面積過濾阻力，容易被微細粒堵塞、壓實，阻礙水分的徹底濾出，難以脫除的毛細水也較高；表面相對光滑的顆粒，附著較少的細小顆粒，最大毛細水比較低，難以脫除的毛細水也較低。

（5）顆粒表面粗糙，附著細小顆粒多會導致最大分子水和難以脫除毛細水的較高，影響過濾速率，并進一步導致濾餅水分的升高。顆粒表面光滑，附著較少的細小顆粒，過濾速率較低，濾餅水分也較低。