膨润土在铁矿氧化球团中的应用
张汉泉1
(武汉工程大学环境与城市建设学院,湖北武汉,430073)
摘要:介绍我国膨润土我国的资源情况及在铁矿球团生产中的应用,分析了膨润土作为粘结剂对生球、焙烧球团矿产质量的影响及作用机理。
关键词:膨润土;铁矿球团;生球强度;焙烧球团矿质量
Application of Bentonite In Iron Ore Oxidation Pellets
Zhang Hanquan
(School of Environment and Civil Engineering,Wuhan Institute of Technology,Wuhan
430073 Hubei,China)
Synopsis Resource of bentonite in China and its application in iron ore oxidation pellets production was introduced. Influence and mechanism of bentonite as a binder on the quality of green ball and roasted pellets was discussed.
Keywords bentonite; iron ore pellet; strength of green ball; roasted pellets
1.前言
中国膨润土矿产资源丰富,居世界首位,并有超大型矿床。已知膨润土资源分布于23个省区,已发现矿点400多处,深明矿山近百处,探明储量20亿t以上,蕴藏量应大于70亿t。据对已探明的部分储量(占探明储量的41.46%)的统计,铸造用的膨润上占55.72%,球团粘结剂用的膨润土占14.95%[1],油脂脱色和净化用的膨润土占29.43%,一级品和泥浆用的膨润土占0.19%。另一个统计是钙质膨润土约占80%,钠质膨润土约占20%。中国目前有矿山250家左右,其中较大的国有企业30多家,其它为小型乡镇企业。多数年产量在万t以下,万t以上年产量的约有20来家。全中国膨润土的年产量1990~1992年在120万t左右,1994年为158万t,1995年为160万t。1998起年生产能力约300万t,但产量一般在200万t左右。膨润土产品主要为膨润土粉,酸化活性膨润土约占年产量的20%左右。中国市场膨润土的消费结构为:铸造工业的消费量约占52%,钻井泥浆
材料
关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料
的消费量约占24%,铁矿球团用的消费量约占6%,余下16%的消费量主要用于石油化工、轻工、纺织、农业和建材业,这方面用量虽小,但应用价值高,效益好。其中钻井泥浆材料方面的耗量较世界水平为低,这是因为中国的其它粘土(如凹凸棒石粘土、高岭土)以及进口泥浆材料抢占了其部分市场之故。另外,在建材建筑业、环保工程方面的市场开拓不够。所以这方面的消费量也很低。中国膨润土的出口量非常小,一般约占年产量的2~4%。膨润土的进口量也小,年仅数万t。
中国膨润土资源丰富,但钙基者多,蒙脱石含量偏低,而采选加工方法较简单,产品
1联系人:张汉泉,男,汉族,(1971~),博士, 讲师,主要从事黑色金属矿石加工、造块工艺研究,武汉工程大学环境与城市建设学院,湖北武汉雄楚大街693号,430073,zhqwhm@sohu.com电话: 134********
项目来源:“十一五”国家科技支撑计划课
题
快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题
(2006BAB02A05)
1
质量受到影响。这是虽然资源丰富,但出口量甚小的主要原因,当然国际上资源也不缺乏。另外,国内市场对低级产品的容量也有一定限度。目前我国已有高蒙脱石含量的矿山。所以今后膨润土产业的发展趋势显然是要加强膨润土的后续加工水平,并努力开拓新的消费领域和市场,力争生产高附加值的高档产品品种。
随着炼铁技术的日益发展,高炉利用系数不断攀升,对酸性球团矿的需求越来越大。在高炉炉料结构中,球团矿用量也呈现出上升趋势,沙钢就配用了70%的球团矿,国外一些高炉使用球团矿竟高达100%。而截止2002年底,我国球团矿产量约为2500万t/a仅占炉料比例的10%,可见,我国球团工业的发展空间很大。同时,我国的球团矿质量与国外相比有很大差距,尤其是粘结剂配加量过高的问题亟待解决。球团配加粘结剂可以有效的提高生球的强度和增加生球的爆裂温度,提高球团矿的质量。因此,采用优质、廉价的粘结剂是生产高质量成品球团矿的重要保证。尤其是二十世纪八、九十年代,国内外造块工作者都在进行粘结剂的研究开发工作。人们普遍认为粘结剂应具备下列条件[2]:a.改善物料成球性;b.提高生球、干球强度及热稳定性;c.在较低温度下可获得优质球团矿;d.改善焙烧球质量;e.不带入有害元素;f.在适宜添加量时,成本不能太高;g.粘结剂原料来源充足。本文主要介绍目前球团生产中应用较为广泛膨润土粘结剂。
2.膨润土作为球团粘结剂的作用机理
膨润土是国内外球团厂广泛采用的粘结剂。膨润土的主要成份是蒙脱石,并含有不定数量的其他粘土矿物(如高岭土)和非粘土矿物(如石英、长石等)。蒙脱石的主要特性如下[3]: 1)呈层状结构:蒙脱石是一种具有膨胀性能、呈层状结构的含水铝硅酸盐。蒙脱石的分子结构式为(1/2Ca,Na)0.66(Al,Mg,Fe)4[(Si,Al)8O20](OH)4·nH2O。霍夫曼认为,它的晶胞是由两层[Si-O]四面体夹着一层[Al-(O·OH)]八面体构成,又称二八面体型粘土矿物,天然蒙脱石是由20个左右互相堆垛起来的层组成,层与层之间可以互相滑动。2)具有阳离子吸附和交换的性能:蒙脱石硅氧四面体中小部分Si4+被Al3+代替,铝氧八面体中一部分Al3+被Fe2+代替,具有明显的同晶置换现象,使结构带有负电荷。另外,由于粘土矿物破碎后,其边缘离子键断裂成为不饱合键,而使颗粒带负电,这种作用占20%左右。由于这些负电的存在,必然会从周围其他介质中吸附一些阳离子,如K+,Na+,Ca2+,Mg2+等来平衡电荷,在有水存在的情况下,被吸附的阳离子变成水化物,成为“可交换”的阳离子,也就是说,有水存在时,它们可能被其他阳离子取代,膨润土中常见的阳离子置换次序是:Li+
表
关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf
面吸附水外,还存在着大量晶层间吸附水,它可以吸收2~10倍于本身的水。从润湿热上看,蒙脱石的润湿热较高,为49.56焦耳/克;从晶胞结构上来看,蒙脱石晶胞间只靠微弱的分子力结合,极性分子水很易进入层间,体积增大,水分增加。此外,蒙脱石还具有高度的可塑性、粘结性、亲水性、烧结性等,由于蒙脱石具有上述特性,因此采用膨润土做粘结剂,可以达到调节原料造球水分、稳定造球操作、提高生球强度的作用。膨润土用量国外一般控制在0.5%~0.7%以内,
国内由于膨润土质量比较差,一般在2%~3%,表1为球团粘结剂对膨润土质量的要求。
表1 球团用膨润土物理性能
指标吸兰量
(Hm01/100g)
胶质价
(ml/15g)
膨胀容
(ml/g)
粒度
(-0.074mm%)
水分
%
要求126 100 >12 >98 <8
3、膨润土在球团中的应用
近年来,南京地质矿产研究所非金属研究开发中心与公司合作,将钙基膨润土提纯,人工钠化,加工而成钠基膨润土产品—铁矿球团粘结剂;其吸含量高,蒙脱石含量大于80%,用于铁精矿球团粘结剂。其添加量少(1.5%左右);只要严格控制膨润土烘干温度(低于200°C)物理性能和冶金性能均较优质,是理想的铁金矿球团粘结剂,可适用于各种铁精矿砂粘结剂或球团,供高炉炼铁之用,现将铁矿球团物理冶金性能指标分列于下:表2 铁矿球团粘结剂物理和冶金性能试验数据表
试样名称生球干球成品球900时JIS JIS还
原粉
化率
<3mm
%
爆裂温
度/℃
抗压强
度
N/p
落下次
数/次
/0.5m
抗压强
度
N/P
落下次
数/次
/0.5m
冷态抗
磨/%
热态抗
磨/%
抗压强
度
N/p
3h还
原度
/%
膨胀
率
/%
铁精矿1+1%膨
润土
620 14.8 3.4 44.8 1.4 73 93.0 2649 66.7 4.5 0.46
铁精矿2+1%膨
润土
620 14.4 3.05 42.5 2 75.5 93.0 2781 66.4 4.3 0.58
铁精矿1+1.5%
膨润土
620 17.1 3.6 55.1 2.2 82 93.8 2980
铁精矿2+1.5%
膨润土
620 15.3 3.8 55.7 2.05 80.5 93.8 3205
4. 膨润土对生球质量的影响机理
4.1膨润土对铁精矿成球的作用
由于膨润土具有前文所述性质,粒度细(-0.076mm占100%),其比表面积可高达100m2/g以上,亲水性强,分散性良好,在铁精矿成球中起到了相当大的作用,一般要求8~16mm粒径的生球应控制在75%以上,配比过大,生球粒度变小,造球机产量降低,加水量增加,且加水困难;同时还会引起生球不圆和变形,降低生球的爆裂温度和品位。配比过小,生球强度难以保证。具体可以从以下几个方面来阐述其作用机理:
(1)强化了混合料的成球性铁精矿的成球性主要决定于铁精矿本身的特性,但添加剂对铁精矿的成球性能也有很大影响。浙江省冶金研究所陈朝中等人曾在试验室条件下采用B.M.维邱金静力学和K.D.迪克逊动力学成球性能试验和评定方法研究膨润土对铁精矿成球性能影响的情况与结果。
评价
LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载
原料的成球性用成球性指数K:
K=最大分子水含量(W1)/(最大毛细水含量(W2-最大分子水含量(W1)),K≥0.8为优等
成球性。试验结果表明,添加膨润土对铁精矿成球性指数有明显影响,铁精矿分别添加不同膨润土后,其最大分子水含量W1和最大毛细水含量W2都增大,W2/W1减小,K 值增大,成球性改善。膨润土能够改善铁精矿的成球性指数K 是由膨润土本身的性质决定的,因为具有层状结构,比表面积较大,能吸附大量层间水,使混合料的分子水含量增大幅度大于最大毛细水含量的增大幅度,从而使W1/(W2-W1)增大,成球性改善。成核能力试验是称取(100-W)克混合料试样一次加入到倾角45°,转速20转/分钟的Ф500mm 圆盘造球机内,再在一固定位置往料流中打入0.3克/秒流量的滴状水W 克,按规定时间停机,取出成球料,称重,分级。主要用成核数、球核平均直径和球核粒级组成作为评价原料成核能力的指标,成核数为每公斤试料中>1毫米球核的数量(个/公斤)。膨润土对铁精矿的成核能力有很大影响,添加膨润土后,成核数显著增多。
球核平均直径减小,而且球核粒度组成中,中等粒度球核数量增多,球核粒度组成趋向均匀。添加膨润土后,成核数增多,说明它能改善铁精矿的成核能力,使铁精矿容易聚结成核。添加膨润土使球核平均直径减小主要是因为,膨润土的吸水、缚水能力远远大于铁精矿,球核长大的速度慢,球核强度提高,减少了球核的破碎,使提供球核长大的粉料减少,所以添加膨润土后铁精矿形成的球核平均直径小。
(2)扩大水分波动范围 水分是铁精矿成球的先决条件,而造球原料适宜湿度范围较窄,一般原料水分波动范围为±0.5%。当水分过高或过低时,都会造成操作困难,降低生球质量。添加膨润土后,由于它具有很强的吸水性,造球中有较多的水分变为层间水,这种层间水不随机械力作用而发生转移,不致使生球表面过湿而发生粘结,所以允许造球物料有较宽的水分波动范围。
(3)降低成球速率 研究结果表明,随着膨润土用量增加,生球长大速度下降,成球率减少,生球粒度变小并趋向平均。产生这种现象主要是由于膨润土的强吸水性和持水性决定的。在成核阶段,球核因碰撞发生聚结长大,但试样内的水分因被膨润土吸收而不易在滚动中挤出到球核表面,从而降低了水分向球核表面迁移速度。当母球表面未得到充分润湿,使母球表面在碰撞过程中缺乏聚结条件,故生球长大速度(即成球速度)降低。
4.2膨润土对生球干燥过程和爆裂温度的影响
(1)降低生球干燥速度 膨润土能降低生球的脱水率,这是因为a)膨润土粉末对毛细水的压力使水不易从球团内逸出;b)膨润土的片状结构表面有较大的负电荷,电场对周围水有粘性的吸力,也阻碍水的逸出。S.K.Hicol 等人[4]的试验研究也说明了这一点。
(2)提高生球爆裂温度 生球在干燥过程中发生爆裂的原因是:水向疏松部分迁移,引起内压力增加,当此力超过球团抗张强度,则产生爆裂。内压力按波伊索尔斯定理增加,按公式计算:
式中:P —内压力 K —科泽恩常数 η—水的粘度 V —流速(脱水速度) ρ—原料密度 S —比表面 ε—气孔率 R —球团半径 加入膨润土降低了脱水速度、原料密度和比表面,使内压力增加相对地减少,而使生R
S V g K P 32
22)1(εερη
-=
球在干燥过程中不易爆裂。目前对膨润土能提高生球抗爆裂温度的原因,国内外仍说法不一。一种为缓慢脱水说[5~7],生球从室温迅速加热到250℃时,在这干燥阶段,膨润土起缓冲剂作用使球粒缓慢释放出水分,不致快速脱水,避免因内部蒸气压过大而使球块破裂;另说为生球孔隙论[8],将膨润土加入混合料后,生球产生孔隙,干燥时球团的水分易于逸出。浙江大学王慕荣等人则认为主要是加热时球团的干、热强度增加快,可承受更大抗爆应力,其次是水分(主要是前期水分)蒸发较慢,蒸汽压不易猛增。但当膨润土添加过量时,则以上三种说法均不能很好的解释。薛正良等人]分析了膨润土在球团中的存在方式,讲述了生球水分、生球气孔率、干球气孔率与生球爆裂温度的关系,并根据这些关系来解释膨润土对生球爆裂温度的作用规律,认为生球爆裂温度与粘结剂的粘结强度、水溶液的粘度和干球的气孔的关系最大。膨润土提高生球爆裂温度的原因主要是形成了较强的固结相胶泥连接桥。
4.3膨润土对生球强度的影响
美国明尼苏达州的铁精矿加入0.6%膨润土和不加膨润土球团强度对比如表1示,表中数据表明,添加膨润土能够提高生球及干球的强度。
由于膨润土的层状结构,其比表面积可高大100米2/克以上,分散性良好,又具有吸水膨胀特性,使膨润土的微细颗粒浸润与充填在矿石颗粒之间,改变了矿石表面性质,增加了固相键桥和液相键桥,特别是形成了微细毛细管,增大毛细力,从而提高了生球抗压强度。同时由于膨润土浸润吸水,能促进矿石颗粒间的相对滑动,从而提高了生球落下强度。对干球而言,其抗压强度取决于各颗粒之间的粘结力。D. W. Fuerstenau认为这种粘结力可能包括下列诸因素[9]:粘结剂形成的固相键桥;被溶解盐的结晶键桥;颗粒在适当运动受压时彼此的联锁啮合(包括颗粒间的表面磨擦力、范德华力和磁吸引力)。当水从系统中排出时,膨润土与矿粒间粘结力增大,球团孔隙率小,结构密实,强度提高。
5. 膨润土对焙烧球团矿质量的影响
添加膨润土能提高焙烧球团矿的强度,但原因还不是很清楚,有人认为,高温时膨润土结构遭到破坏,700℃左右时失去羟基水,在球团内部形成大量毛细管。当温度达到1050℃左右时,蒙脱石结构完全破坏,但继续升温后,蒙脱石中的Si、Al等成份能促进新液相的形成,由于大量毛细管的存在,孔隙周围容易形成低熔点化合物,促进球团体积缩小并充分氧化,结构密实,固结后强度得到大幅度提高。膨润土球团矿的冶金性能良好,还原膨胀率、低温还原粉化率、900℃还原度和荷重软熔温度均能满足要求,而且较低的还原膨胀率和低温还原粉化率对改善高炉上部的透气性非常有利。
钙基膨润土一般在仅仅对亲水性好的赤铁矿球团中使用,但用量一般在2%以上,而
钠基膨润土则可在赤铁矿或磁铁矿球团中使用,而且用量少,近年来新建球团厂如首钢、鞍钢弓长岭球团厂,膨润土用量均在2%以下。
国内的膨润土主要是以钙基土为主,大多数膨润土生产厂家都采用人工钠化处理来提高膨润土的质量,有的厂家甚至添加一些粘结剂生产复合膨润土来改善其性能。但从马钢这几年的球团试验室试验和工业生产实践来看,不同钙基膨润土钠化效果差别很大。有的钠化置换速度慢,即使增大加碱量,其质量指标的改善幅度也很小,造球效果不是很好,这种膨润土属弱钠化膨润土。有的膨润土钠化速度虽较慢,但随着加碱量增大,一些质量指标随之改善,造球效果变好,但生球抗爆裂性能变差,这种膨润土属能强制钠化膨润土。有的膨润土只需加少量碱,在一定量水分作用下就能进行钠化反应,且置换反应速度快,质量指标提高明显,可使造球效果显著改善,生球抗爆裂性能好,这种膨润土就属于高效钠化膨润土。某些高效钠化膨润土的造球效果甚至要好于钠基膨润土。在球团生产中,采用钠化效果好的膨润土能够获得降低膨润土用量,改善焙烧过程,提高球团矿品位的效果。近几年,马钢先后在华东地区选取了十个厂家的膨润土开展试验室球团试验,并选取其中几种膨润土进行了球团生产。结果表明[10],高效钠化膨润土不仅能改善造球效果,而且还能起到提高生球抗爆裂性,改善焙烧过程,提高球团矿质量的作用。宣钢经过不断摸索总结,于2002年5月进行钙基土与钠基土搭配使用,取得成功。在使用钙基土30%,钠基土70%的情况下,膨润土配比由5%以上降到了2%以下。
膨润土作为球团粘结剂,可以改善铁矿成球性能,提高生球强度,但膨润土的添加也降低了球团的铁品位,一般,膨润土用量每增加1%,球团铁品位下降0.56%,因此,在球团生产过程中,应尽量控制膨润土的用量。
6.结语
我国的球团矿质量与国外相比有很大差距,尤其是粘结剂配加量过高的问题亟待解决。因此,对球团生产用粘结剂进行研究,使之得到更合理的利用,十分必要。我国的球团生产厂家目前采用的膨润土有较好的效果。但由于受原料条件等方面的限制,往往难满足生产的要求。因此,冶炼工作者必须进一步所用膨润土作为球团粘结剂的作用机理,努力改善其质量,提出行之有效的质量检测方法和
标准
excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载
,为指导生产提供可靠的依据。
参考文献
[1]孙宝岐,吴一善等. 非金属矿物深加工. 北京:冶金工业出版社,1996:26~27
[2]傅菊英,姜涛,朱德庆烧结球团学长沙: 中南大学出版社,1995 2:250~260
[3] D. F. Ball et al. Agglomeration of Iron Ores,London:Heinemann Educational Books Limited,1973.
[4] S. K. Hicol等. 各种皂土对球团生产的影响,Western Australia Con,1973:511~514.
[5] R. L. Bleifuss. Activation of Non-swelling Bentonite,Clay Mineral,1973,1:40~50.
[6] S. K. Nicol,Z. P. Adamiak. Role of Bentonite in Wet Pelletizing Processes,Trans. Of the Institution of Mining and Metallurgy(Section C),1973,82(796):C26~33.
[7] K. Meyer. 杉木译,铁矿球团法,北京:冶金工业出版社,1986,4.
[8] 勒. 姆. 格罗霍夫斯基等. 铁矿球团用膨润土的研究和工业评价,新型非金属有用矿物(俄),1975:173~183.
[9] D. W. Fuerstenau,S. W. Clark. 蒙脱石在铁精矿造球中的作用,烧结球团,1983,1: 97~106.
[10]吴祚银,王富生等. 高效钠化膨润土的球团试验与生产,烧结球团,2004,3: 12~16.
浙公网安备 33021202002483