球团用膨润土改性与有关标准问题的探讨

铁丽云，鲁义军，陈济美，孙圣烟

（1.武汉理工大学材料研究与测试中心，湖北 武汉 430070；2.湖北省地质实验研究所，湖北 武汉 430022；3.湖南临澧县众帮化工有限公司，湖南 临澧 415200）

球团用膨润土改性与有关标准问题的探讨

铁丽云1，鲁义军1，陈济美2，孙圣烟3

（1.武汉理工大学材料研究与测试中心，湖北 武汉 430070；2.湖北省地质实验研究所，湖北 武汉 430022；3.湖南临澧县众帮化工有限公司，湖南 临澧 415200）

试验探讨了湖南临澧膨润土的理化性能，并对其进行改性处理，使其质量指标符合冶金球团土的要求。还就有关球团土用膨润土的质量指示与标准的一些问题进行了探讨，并就有关球团土的国家标准的编制提出建议。

膨润土改性；球团；质量指标；国家标准

膨润土作冶金球团的粘结剂在我国已有30多年了，但是究竟什么样的膨润土或粘土最适合球团土？它的哪些质量指标能准确反映它的成球性能？至今没有一个肯定的答案。世界各国有关球团土的质量指标差异很大，如美国等球团生产大国，只有对球团本身的要求，而没有对球团土制订专门标准[1]。由此可见，提出球团土质量指标与制订球团土的标准是一个比较复杂的问题。目前我国的钢铁企业，一般采用膨润土吸蓝量、膨胀容、胶质价、吸水率、粒度与水分等6项基本指标，来评估检测球团土的质量。

本文针对湖南临澧膨润土蒙脱石含量低，且膨润土中的蒙脱石为钙基蒙脱石，其膨胀容、胶质价、吸水率等3项指标达不到要求，试验选用纯碱(Na2CO3)与添加剂进行改性处理，使其膨胀性、分散性与粘结性明显改善，达到企业对球团土的要求。此外，作者根据试验过程中发现的有关问题，提出有关对球团土国家标准编制的建议，与同行讨论。

1 试验部分

1.1 临澧膨润土的特征

矿石组成(%)：蒙脱石35～55，高岭石5～15，伊利石5～10，方解石4～8，石英4～8，绢云母1～2，长石1～1.5，铁质1～5。

矿石化学成分(%)：SiO263.51、Al2O315.11、Fe2O33.94/TiO20.31、CaO 2.97、MgO 1.03、K2O 1.56、Na2O 0.38、烧失量 11.98。

1.2 膨润土的理化性能

该膨润土呈油光色，带浅黄或浅灰色，在水中崩解，呈湿状，有滑腻感。理化性能测试结果见表1、表2。

表1 膨润土矿的理化性能

表2 膨润土矿的阳离子交换量(mmo1/100g)

试验证明，该膨润土矿的吸蓝量65.0mmo1/ 100g、蒙脱石含量43.3%。离子交换量分析表明，膨润土中的蒙脱石为钙基蒙脱石，故为钙基膨润土。原矿样胶质价、膨胀容与吸水率较低，达不到球团土的质量指标要求。

2 试验方法

2.1 膨润土改性

膨润土原矿经风干或晒干后，粗碎至粒径10～20mm以下， 按配比加入适量的纯碱(Na2CO3)1%～2.5%与增效剂0.1%～1.0%，搅拌混合堆放或控制一定的加水量将试料放在挤压机上加工改性处理30～60min，出料，烘干至含水约10%，磨细至200目。2.2 性能测试

根据国内钢铁企业评价与检测球团土的质量指标。试验考查了膨胀土改性前后的膨胀容、胶质价与2h吸水率3个基本指标的变化，试验方法如下：

膨胀容的测定：称取1.00g膨润土试样(105℃烘干2h)操作方法同文献[2]。

吸水率(2h)测定：称取2.00g膨润土试样(105℃，烘2h)，操作方法同文献[3]多孔板法。

胶质价的测定：参照文献[2]。原规定中称取15.00g膨润土试样(105℃，烘2h)，和1.00g轻质氧化镁进行试验，胶质价用“mL/15g”表示。试验表明，膨润土经Na2C O3改性后，胶质价一般均≥100mL/15g。故为了更好地反映出不同膨润土胶质价的差别，本试验称取3.00g试样，加0.2g轻质氧化镁，其他条件同文献[2]，结果用“mL/3g”表示。为了与原方法结果进行比较，本法将试验结果乘以经验系数5。如本法试验结果为10.0mL/3g ，可视为相当原法的50.0mL/15g；本法结果为≥20.0mL/3g，即相当于原法的≥100mL/15g。

3 结果与分析

3.1 纯碱Na2CO3加入量对膨润土性能影响

为了改善钙基膨润土的性能，一般先加入Na2CO3对其进行改性处理，使钙基膨润土转变成钠基膨润土。在膨润土试样中加入不同量的Na2CO3，但未经挤压处理，其试验结果见表3。

表3 Na2CO3对膨润土性能的影响

试验表明，当在膨润土试样中加入Na2CO31.5%～2.5%时，改性处理后试样的胶质价、吸水率与膨胀容均有所提高，其中前两者增加较多，可满足球团土的要求；后者增加较少，未能满足要求，但需要指出的是，作为球团土的Na2CO3加入量不宜过高，否测有可能对球团产生负作用，故一般控制Na2CO3加入量为1.5%～2.5%为宜。

3.2 纤维素(CMC)对膨润土性能的影响

为了使膨润土的性能有较大的提高或改善，试验固定加入1.5% Na2CO3的情况下，同时在膨润土中分别加入不同量的CMC，试验中主要考查了膨胀容的变化，结果见表4。

表4 CMC对膨润土性能的影响

试验表明，在膨润土固定加入1.5% Na2CO3，加入适量CMC可以提高膨润土的膨胀容，而且还可以改善它的粘结性能。加入0.20%CMC即可，加入量高成本增加，且可能对球团产生负作用。

3.3 机械挤压对膨润土性能的影响

试验发现在膨润土试验中加入碳酸钠与其他添加剂后，将物料混合均匀，并控制或加入适量的水，使试验保持半干半湿状态，然后利用自制的机械挤压机，进行搅拌挤压30～60min，可以明显地提高和改善膨润土的性能。大大提高了膨润土的膨胀容、胶质价和吸水率指标。结果见表5。

表5 机械挤压改性对膨润土性能的影响

试验证明，在加入Na2CO3与其他添加剂对膨润土改性时，增加机械挤压工艺，可以明显地提高球团土的质量，该挤压工艺简单，效果明显。

4 有关问题与建议

4.1 关于球团土的质量指标的讨论

目前，世界各国没有一个统一的球团土的质量评估与检测标准，在我国膨润土的国家标准GB/T 20973-2007[3]与各钢铁企业的球团土质量指标规定也不一致(表6、表7)，有人认为球团土性能与现有膨润土的质量指标没有规律或缺乏严格的规律性，说明确定球团土的质量指标与制订标准的复杂性。作者试验测定安徽、湖北与湖南临澧3种球团土的质量指标见表8。

以上3种球团土已为国内钢铁企业所认可或接受。但比较试验结果可以发现，不同土的质量指标有明显的差异。关于球团土的质量指标分述如下：

表6 GB/T20973中球团用膨润土的质量指标

表7 国内部分钢铁公司球团土的质量指标

表8 湖南等3种球团土的测试结果

(1) 关于吸蓝量，它是与膨润土中蒙脱石含量直接相关的，代表着蒙脱石含量的多少。但实践表明，膨润土的理化工艺性能除了与蒙脱石含量有关外，还与蒙脱石形成的地质条件、风蚀程度、晶体构造、品格缺陷、结晶度、层间电荷、可交换性阳离子的种类与分布有关，而且甚至可以这样说，膨润土中蒙脱石含量高并不意味它的理化性能好，至少不成正比，不同膨润土的工艺性能横向不好比较，膨润土本身是一种含蒙脱石的粘土矿的混合物，这是因为粘土矿物成分比较复杂，不同比例的粘土矿物的组合，还可以互补，对它的理化性能产生不同的影响。因此，作者认为对球团土严格规定蒙脱石含量即吸蓝量的指标缺乏试验依据，有时甚至会误导对球团土的选择。故在球团土的标准中应取消吸蓝量的指标。

(2) 关于胶质价，它是反映膨润土在水中的分散性与膨胀性的综合性的指标，是从前苏联引用过来的，按照早期规定的试验方法[4]，测试结果用于区分天然钠基与钙基膨润土还是可行的，但后来发现天然钠基与人工钠化土，原方法测定的胶质价都≥100mL/15g。因此，建议对膨润土的胶质价的测定方法修正如下：将原法中称样15.00g改为3.00g，轻质氧化镁1.00g改为0.20g，其他条件不变[2，4]。这样能明显反映膨润土的胶质价的量的差异，有利于分析胶质价对成球性能的影响，而且操作也方便简单。

(3) 关于膨胀容与膨胀指数，前者是球团土原用的指标，后者是在国标GB/T20973中提出的，它原引于防水用膨润土的试验方法。这两个指标是分别反映膨润土在C(HCl)=0.25mol/L的盐酸介质与中性水中分散与膨胀性能的两项指标。其次，不同的是前者强行摇振后使膨润土分散在盐酸介质中，后者是使膨润土自然沉降分散于中性水介质中。此外，还有称量的不同，前者是1.00g，后者是2.00g。因为，这两个概念在国内已经有些混淆，建议在以后制订标准时，仍采用膨胀容指标为妥。

(4) 关于吸水率，各企业规定的指标差别较大，建议应以试验结果为依据，提出合理的范围。目前可适当放宽限制。

4.2 关于GB/T20973-2007标准中的问题

对于膨润土GB/T20973-2007标准中涉及的部分问题，提出如下看法与建议：

(1) GB/T20973K“5.2 冶金球团用膨润土的质量指标规定”中，用“膨胀指数”取代了传统的“膨胀容”，使用中容易混淆与造成混乱，建议修改时仍采用“膨胀容指标”。

(2) 标准中，“3 术语与定义”中各术语的定义过于简单，不够严谨。

(3) 标准“5 要求”中提出“冶金球团用膨润土的质量指标”对球团土用膨润土进行分级，基于目前的膨润土质量指标，对球团土的成球性能影响的定量关系并不十分清楚的情况下，没有必要进行细分级。

(4) 关于标准“附录A”中“阳离子交换量及其交换阳离子含量试验方法”沿引自作者提出的试验方法[2]，当本标准引用此方法时，对其中的表达式与符号作了更改，但是编写时忽略了，在使用“摩尔”作为物质的量的单位时，必须确定和指出其“基本单元”的原则，否则无法计算和准确表达结果。例如原法中以E 1/2Ca2+表示钙离子的阳离子交换量，基本单元是1/2Ca2+，物理意义明确。而在此国标中将其改为用b (Ca)表示交换性钙的含量，并以“mmol/ 100g”为单位表示。应该指出是，b (Ca) 表达式意味着Ca的物质的基本单元是“Ca原子”，不符合标准的本意，类似的错误还有。作者认为编制“国标”是严肃的，一些原则性错误须更正。

4.3 关于编制球团土的国家标准的建议

我国使用球团土已有几十年的历史，而且球团土的使用已普及，用量越来越大。因此，制订一个统一的球团土的国家标准是十分必要的。但正如前所述，由于球团土的影响因素的复杂性，目前，编制球团土的国家标准的时机尚未成熟。因此，作者建议，为了编制球团土的国家标准，首先应由国家立项，组织冶金、地矿与建材非金属等部门分工协作，联合攻关，试验研究探讨，弄清楚究竟是哪些性能是影响膨润土成球性能的关键因素及其作用机理，然后制订一个有科学根据的球团土国家标准。

[1]冯惠敏，王勇华.膨润土在铁矿球团中作用机理[J].中国非金属矿工业导刊，2009(6)：15-18.

[2]中华人民共和国地质矿产部.岩石和矿石分析规程[M].西安：陕西科学出版社，1993：480-551.

[3]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T 20973-2007膨润土[S].北京：中国标准出版社，2007.

[4]地质矿产部科学技术司.膨润土矿物化性能测试暂行统一方法[M].武汉：湖北科学技术出版社，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