用煤泥为还原剂制备海滨砂矿含碳球团

崔 强 孙体昌 余 文 胡天洋

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083)

用煤泥为还原剂制备海滨砂矿含碳球团

崔 强1，2孙体昌1，2余 文1，2胡天洋1，2

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083)

为确定铁品位为51.85%、TiO2含量为11.33%的某海滨砂矿生产含碳球团的合理工艺参数，采用煤泥为还原剂，湿球落下强度、干球抗压强度为评价指标，研究了煤泥用量、水添加量、原矿粒度、黏结剂种类及用量对球团强度的影响。结果表明：与原使用烟煤相比，采用煤泥做还原剂，湿球落下强度由3.7次/个提高到17.8次/个，干球抗压强度由164 N提高到214 N；在煤泥用量为30%、水用量为7%、CMC用量为0.3%条件下，可以获得湿球落下强度大于16次/个，干球抗压强度492N的球团。煤泥具有灰分高、粒度细、黏性大等特性，且价格低廉，为节能高效利用我国海滨钛磁铁矿提供了一种新思路。

海滨砂矿 煤泥 冷固结含碳球团 CMC

近几年来，国内外铁矿石资源供需日益紧张，铁矿石价格不断降低，如何更好地利用海滨砂矿这类储量丰富的矿产资源越来越引起人们的重视。许多学者对此进行了大量的研究[1-5]：选用传统的重选、磁选工艺生产钛铁混合精矿，再通过炼铁工艺来分离钛铁，但是只能利用铁，无法利用钛；采用直接还原后再进行磨矿—磁选的工艺路线，既可以得到高品位的铁精矿，也可以得到富钛渣，为进一步利用钛创造了条件，值得关注[6-7]。

目前煤基直接还原工艺中，实现商业化生产的流程有Fastmet、Fastmelt和ITmk3等，均采用转底炉为还原设备[8]。由于粉矿直接还原易引起设备故障，同时粉矿透气性差，还原效果不好。将入炉物料先经过造球，以球团形式进行还原，可以提高还原效果，因此如何生产强度合格的含碳球团对于海滨砂的工业化应用有着重要意义。物料粒度、水分、压力、黏结剂等都是影响球团强度的关键因素[9]。我国煤储量丰富，利用煤作为还原剂直接还原是生产含碳球团最为常用的方法，但是煤中富含的有机质在提供还原剂的同时，其强疏水性也使得球团强度大大降低。煤泥作为煤矿生产中的一种副产品，价格较低，在拥有一定含量固定碳的同时，富含大量灰分，并且粒度细、持水性强、黏性大，这些特性，制约了洗煤厂的正常生产，但可以利用煤泥的这些特点生产含碳球团。本文采用煤泥做还原剂，以对辊压球机为压球设备，研究了海滨钛磁铁矿冷固结含碳球团湿球落下强度与干球抗压强度的影响因素，研究结果可以为海滨钛磁铁矿煤基直接还原技术的工业化应用提供基础。

1 试验材料

1.1 试验矿样

试验所用铁矿样为印尼某海滨钛磁铁矿，TFe和TiO2品位分别为51.85%和11.33%，S、P含量均较低，-0.074 mm含量仅为1.1%，原矿光学显微镜分析见图1，粒度分布见图2。

图1 原矿光学显微镜照片Fig.1 Optical microscope of raw ore

图2 原矿粒度分布图Fig.2 Particles' size distribution of raw ore

由图1可见，海滨砂矿粒度较细，颗粒比较圆滑，棱角较少，图2显示，海滨砂矿粒度主要集中在0.074～0.3 mm之间，粒度范围较窄。

1.2 还原剂

还原剂为烟煤或煤泥，煤质分析如表1所示。煤泥和烟煤分别磨细至-0.074 mm占68.3%和75.8%。烟煤与煤泥均先放于恒温干燥箱中60℃烘干，再破碎磨细至上述粒度待用。

表1 还原剂工业分析结果(空干基)

Table 1 Industry analysis of reductant (air-dried basis) %

1.3 黏结剂

试验用黏结剂CMC为分析纯产品，淀粉为化学纯产品，膨润土、糖浆、黄糊精为工业产品。

2 试验方法

取300 g的原矿，按其质量百分比称取一定量的还原剂、黏结剂，混匀后再加入占总物料质量一定百分比的水，混匀后通过对辊压球机压制成球，球团尺寸为25 mm×25 mm×14 mm。所得湿球置于室内自然风干，3 d后视为干球。

强度测定包括湿球落下强度与干球抗压强度。湿球落下强度检测是将刚刚压制好的球团置于0.5 m的高处，使其自由下落到水磨石地面上，测得球团碎裂时的落下次数，分别测定7个球团，取平均值作为湿球的落下强度；干球抗压强度采用智能颗粒强度测定仪测定，测试球团破裂时的强度，分别测定7个球团，取平均值作为干球抗压强度。

3 试验结果与讨论

3.1 煤泥与烟煤压球强度对比

参考其他冷固结球团的配料[10]，黏结剂先选用最常见的膨润土。采用原矿在膨润土添加量为8%、水用量为8%时，分别配入30%的煤泥与烟煤压球，测定球团强度，结果如表2所示。

表2 不同还原剂的球团强度Table 2 Strength comparison of briquettes for different reductant

从表2可以看出，采用煤泥做还原剂，与原使用烟煤相比，湿球落下强度由3.7次/个提高到17.8次/个，提高了3.8倍，干球抗压强度由164 N提高到214 N，提高了30.4%。一般来讲，所有的非焦煤在煤基直接还原中均可作为还原剂生产直接还原铁，是常用的还原剂，但由于其有机质含量高，导致疏水性高、塑性差，成球难度大，湿球强度尤其低。而含碳球团强度与其分子间的结合力直接相关，湿球强度主要是由矿粉、煤粉颗粒被水润湿后产生的分子结合力决定的。煤泥作为选煤的尾矿产品，灰分较高、固定碳含量低，即矿物质较多、有机质较少，这使得由矿物质决定的亲水性较强，由有机质决定的疏水性较弱，因此用煤泥压制的含碳球团，湿球中分子结合力大，湿球强度高；另外，煤泥中的矿物质大多为黏土类矿物，在压球过程中能起到一定的黏结作用，提高干球强度。

3.2 煤泥用量影响

在本研究中，煤泥作为添加剂配入含碳球团中，主要利用其还原作用，同时，因其灰分较多，也提供一定的强度。在添加8%膨润土、8%水分条件下，考察煤泥用量对球团强度的影响，结果如图3所示。

图3 煤泥用量对球团强度的影响Fig.3 Effects of briquettes strength on dosage of coal slime▲—湿球落下强度；■—干球抗压强度

由图3可见，煤泥用量对湿球落下强度影响不大；而干球抗压强度随着煤泥用量的提高，呈现小幅先增大后降低的变化规律，在煤泥用量为25%时抗压强度达到最大为236.57 N。冷固结球团强度的维持主要有3个方面[9]：黏结剂与颗粒之间的黏附力、黏结剂的内聚力、颗粒间因机械啮合而产生的摩擦力。由于配料中黏结剂的添加量及矿物颗粒的大小、数量固定，煤泥用量的增大使得对应球团中黏结剂的含量及矿物颗粒含量相对降低。因此一方面由黏结剂带来的黏附力和内聚力降低，另一方面，颗粒之间的摩擦效果变差，这两方面的原因直接导致球团强度的降低。但是随着煤泥含量的增高，球团中黏土类灰分含量也随之增高，有利于球团强度的增高，这些因素共同作用，使得干球抗压强度随着煤泥用量的增加呈现出先增大再降低的变化规律。为保证球团还原效果，煤泥用量采用30%进行试验。

3.3 水用量的影响

与团球法造球相比，压球法所制球团物料颗粒之间的缝隙较小，毛细水的含量低，重力水几乎没有，水用量略大于最大分子结合水含量时最合适，过量的不能与物料颗粒结合的毛细水与重力水在制球时积存在磨具表面或溢出，导致球团难以脱模。在原矿中添加8%膨润土、30%煤泥的条件下，考察了水用量对球团强度的影响，结果如图4所示。

图4 水分对球团强度的影响Fig.4 Effects of briquettes strength on dosage of water▲—湿球落下强度；■—干球抗压强度

由图4可知，随着水用量的增加，湿球落下强度与干球抗压强度均先升高后降低。水添加量过低(5%)时，矿物颗粒润湿不完全，球团成型效果差，强度低；添加量过高(9%)时，物料黏性高，球团脱模困难。水用量从6%提高到8%的过程中，物料中的分子结合水含量逐渐升高并在颗粒间形成水膜[11]，增强了颗粒间黏结强度，因此湿球落下强度逐渐提高，在8%时达到17.8次/个。压球过程中添加的水分，会在晾干过程中逐步挥发并在球团内部留下空隙，湿球中薄膜水含量越高，干球的孔隙率就越高，抗压强度也就越低，因此随着水用量从6%提高到8%，干球抗压强度逐渐降低。考虑到此处黏结剂为膨润土，最大分子结合水含量高，因此水用量选用7%。

3.4 原矿粒度的影响

将原矿磨至不同的细度后配入30%的煤泥、8%的膨润土、7%的水，进行成球试验，考察原矿粒度对球团强度的影响，结果见图5。

图5 矿物粒度对球团强度的影响Fig.5 Effects of briquettes strength on different particle size of raw ore▲—湿球落下强度；■—干球抗压强度

由图5可见，随着原矿中-0.074 mm粒级含量的升高，湿球落下强度逐渐降低，而干球抗压强度几乎不变。当磨矿使颗粒变细之后，比表面积增大，所需要的分子结合水变多，在同样水分的情况下，会使水带来的分子结合力变弱，降低湿球强度。另一方面，矿物颗粒本身尺寸比煤泥大很多，在球团中起骨架作用，当矿物颗粒粒度变小之后，骨架作用减弱，强度降低。粒度变细导致组成球团物料的粒级变窄，孔隙率增大，球团强度降低[12]，因此，原矿不经过磨矿，直接造球。

3.5 黏结剂的影响

在原矿中配入30%的煤泥，选用不同的黏结剂，混合均匀后加入7%的水(因糖浆自身结合水含量较高，采用糖浆做黏结剂时，3%、6%用量下分别配入6%和3%的水，9%、12%用量未加入水)进行压球试验，试验结果见图6。

图6 黏结剂对球团强度的影响Fig.6 Effects of briquettes strength on types of binder▲—湿球落下强度；■—干球抗压强度

由图6可见，当不添加任何黏结剂时，球团强度很差，落下强度不足两次，抗压强度不足100 N。使用膨润土、黄糊精、CMC做黏结剂时，在本研究的用量范围内，球团强度随黏结剂用量的增加而增高。当加入8%膨润土时，湿球落下强度达到13次/个，干球抗压强度接近250 N，基本满足要求。但是膨润土为无机添加剂，用量过高会增加SiO2和Al2O3等杂质含量，降低球团还原性能。而黄糊精用量为1.5%时，干球抗压强度即可超过250 N，但是湿球强度略差，仅4次/个。使用CMC做黏结剂效果最好，用量仅为0.3%时，湿球落下强度就已超过16次/个，干球抗压强度接近492 N，完全满足需求。添加淀粉不能有效提高球团强度，当淀粉用量达到6%时，干球抗压强度也不足120 N，进一步提高淀粉用量，不但成本升高，并且会因淀粉水化困难而降低球团强度。采用糖浆做黏结剂，随着糖浆用量的增加，湿球落下强度逐步提高，而干球抗压强度先增高后降低。由于糖浆中结合水含量高，仅采用自然晾干的方法，很难将水分完全脱去，因此糖浆添加量高的球团，其胶状物质含量高，球团塑性大、硬度低。而在添加6%糖浆时，湿球落下次数超过了5次，干球抗压强度超过750 N，已经满足需求。

添加黏结剂对于提高海滨钛磁铁矿含碳球团强度效果明显，随着黏结剂用量的增加，球团强度提高，其中CMC作为纤维素类黏结剂，用量少，强度高，最适合做海滨钛磁铁矿压球的黏结剂。

4 结 论

(1)采用煤泥为还原剂生产海滨钛磁铁矿含碳球团，在煤泥用量为30%、水用量为7%、CMC用量为0.3%条件下，获得的球团湿球落下强度大于16次/个，干球抗压强度为492 N。

(2)采用煤泥作还原剂生产含碳球团，有利于解决粉矿直接还原效果差、采用烟煤为还原剂时球团强度低等问题。煤泥灰分高、粒度细、黏性大，所产球团强度高，且煤泥为煤矿生产副产品，价格低廉，为节能高效利用我国海滨钛磁铁矿提供了一种新思路。

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(责任编辑 王亚琴)

Preparation of Carbon-containing Briquettes Made from Beach Placer Using Coal-slime as Reductant

Cui Qiang1，2Sun Tichang1，2Yu Wen1，2Hu Tianyang1，2

(1.SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China;2.KeylaboratoryofHigh-efficientMiningandSafetyofMetalMines，MinistryofEducation，Beijing100083，China)

In order to find reasonable parameters for carbon-containing briquettes made from a coastal placer，with iron grade of 51.85% and TiO2contents of 11.33%.Using coal slime as the reductant，wet ball drop strength，dry ball compress strength as evaluating criteria，effects on dosage of coal slime，water content，granularity of raw ore，types and amount of binder are researched.Results show that using coal slime as reductant compared with originally bituminous coal，the drop strength of wet ball dropped increased from 3.7 N/P to 17.8 N/P，the comprehensive strength increased from 164 N to 214 N；briquettes with drop strength of wet ball over 16 N/P，comprehensive strength of dry ball is 492 N can obtained with conditions of coal slime dosage is 30%，water content is 7%，CMC addition of 0.3%.For the advantages of higher ash content，finer granularity，higher viscosity，coal slime provides a new method in high efficient utilization of China's beach titanomagnetite.

Beach placer，Coal slime，Cold bonded briquettes containing carbon，CMC

2014-06-04

国家自然科学基金项目(编号：51474018)。

崔 强(1991—)，男，硕士研究生。通讯作者 孙体昌(1958—)，男，教授，博士研究生导师。

TD925.7

A

1001-1250(2014)-10-086-05