改性复合黏结剂制备磁铁矿氧化球团研究

谢小林 段 婷 郑富强 郭宇峰 景建发(中南大学资源加工与生物工程学院，湖南 长沙 410083)

球团矿是现代高炉炼铁生产中配加的一种主要的优质含铁原料，具有强度好、粒度均匀、形状规则、铁品位高等优点[1-2]。近十几年来，我国球团矿的生产规模发展迅猛，2004年约4 100万t，2015年已增至1.28亿t[3]。

球团矿制备过程中，为了保证其机械强度，需要添加必要的黏结剂[4-5]。国内氧化球团厂普遍采用膨润土作黏结剂，虽然膨润土黏结性能良好，但其含Al2O3、SiO2高，生产中几乎全部残留在球团中，因而降低了球团品位[6-8]。有数据表明，入炉铁品位每提高1个百分点，焦比将降低2～2.5个百分点，产量增加约3个百分点[9-13]。因此，提高球团矿铁品位对高炉炼铁降耗、增产意义重大。

然而，在我国的球团生产中，由于受膨润土资源状况等方面的制约，使用性能较差的天然钙基膨润土的现象十分普遍，导致实际生产中膨润土配加量过高[14]。有研究表明[15]，国内膨润土配加量一般为球团总质量的1.5%～3.0%，有的甚至更高。过高的膨润土配加量将导致球团品位显著下降，进而导致生铁产量下降，炼铁成本增加，企业经济效益下滑等后果[12]。因此，减少膨润土的配加量是球团生产中所要解决的关键问题。

基于大量配加膨润土会降低球团矿铁品位的问题，我国科研工作者一直在研发新型黏结剂，以实现部分取代甚至完全取代膨润土的目标。有研究表明[16-17]，采用有机黏结剂制备球团，可减少黏结剂用量，提高球团铁品位，然而这种球团预热强度低、成本高，目前难以获得广泛应用[18]。对于这种现状，开发新型、高效复合型黏结剂对于改善球团性能具有重要意义。

本研究尝试用羧甲基纤维素钠(CMC)和醋酸钠对膨润土进行改性，力求膨润土用量下降但不影响，甚至能改善生球性能和预热焙烧球强度。

1 试验原料

试验所用含铁原料为山西某矿山的磁铁精矿，主要化学成分分析结果见表1，粒度组成结果见表2。膨润土取自东北某矿山，粒度组成和物理性能分别见表3、表4。黏结剂有膨润土，CMC与膨润土复合而成的CMC复合黏结剂，以及用膨润土、醋酸钠和CMC制备的改性复合黏结剂。

表1 磁铁精矿主要化学成分分析结果Table 1 Analysis results of main chemical composition of magnetite concentrate %

表2 磁铁精矿粒度组成Table 2 Particle size of magnetite concentrate

表3 膨润土粒度组成Table 3 Particle size of bentonite

表4 膨润土的主要物理性能Table 4 Main physical properties of bentonite

由表1可看出，磁铁精矿铁品位为63.49%，SiO2含量较高，为10.96%，S、P、Na2O及K2O含量降低。

由表2可看出，磁铁精矿+0.075 mm产率为12.95%，-0.045 mm产率为59.04%。

由表3可看出，膨润土粒度较细，+0.075 mm产率仅为2.33%，-0.045 mm产率为81.57%，明显较磁铁精矿粒度细。

由表4可看出，膨润土蒙脱石含量、膨胀容、胶质价、吸兰量和吸水率均较高，属优质膨润土。

2 试验方法

2.1 改性复合黏结剂的制备

将一定量的醋酸钠和20 g水配制成溶液，取100 g膨润土，将醋酸钠溶液和膨润土混匀后挤压成块，堆放15 d后再晾晒5 d。将完成自然晾晒的块料进行热风干燥(干燥温度不高于800 ℃)，使块料含水率达到13%后与一定量的CMC混匀，并研磨成0.075～0 mm粉末。

2.2 造球及生球性能检测

称取5 kg磁铁精矿，按一定比例添加黏结剂，再加入与磁铁精矿和黏结剂总质量比为9%的水，混匀后在φ1 m的圆盘造球机(转数24 r/min,倾角49°)中造球。造球模拟生球长大过程，分母球形成、长大和生球紧密等3个过程，其中母球形成和长大时间控制在10 min,生球紧密时间为2 min。

生球性能检测为检测直径为10～15 mm的生球的落下强度和抗压强度：随机选择20个合格生球，从0.5 m的高度垂直下落至10 mm厚的钢板上，以确定生球的落下强度；在KQ-2型抗压机上测试随机选择的20个合格生球的抗压强度。

2.3 预热球和成品球性能检测

将直径为10～15 mm的合格生球置于105 ℃的烘箱中烘2 h，然后进行预热、焙烧试验。试验在CWG-5.5型卧式管状电炉中进行，预热温度为960 ℃，预热时间为12 min,焙烧温度为1 250 ℃，焙烧时间为12 min，然后在ZQYC-10000NⅢ型智能球团压力机上检测预热球和焙烧球的抗压强度。

3 试验结果与讨论

3.1 CMC复合黏结剂确定试验

3.1.1 膨润土添加量对生球性能的影响

膨润土添加量(膨润土与磁铁精矿质量比)对生球性能影响试验结果见图1。

图1 膨润土用量对生球性能影响试验结果Fig.1 Effects of bentonite dosage on the performance of green balls■—落下强度；●—抗压强度

由图1可知，膨润土添加量从1.2%增至2.0%，生球的落下强度和抗压强度均上升；膨润土添加量从2.0%增至2.2%，生球的落下强度继续上升，抗压强度下降，这可能是由于膨润土用量达到一定值后，生球塑性增强，使其抗压强度下降。满足生球质量要求的膨润土添加量为1.6%，对应的生球落下强度为4.4次，抗压强度为15.79 N/个。

3.1.2 CMC添加量对生球性能的影响

在膨润土添加量为1.2%的情况下进行CMC与膨润土的质量比试验，结果见图2。

图2 CMC添加量对生球性能影响试验结果Fig.2 Effects of CMC dosage on the performance of the green balls■—落下强度；●—抗压强度

由图2可知，CMC添加量由0增至1.2%，生球的落下强度由3.2次增至4.5次，抗压强度由13.98 N/个增至15.45 N/个。试验结果表明，添加CMC可显著提高生球的落下强度和抗压强度。满足生球质量要求的CMC添加量为0.9%，对应的生球落下强度为4.11 次，抗压强度为14.97 N/个。

3.1.3 CMC复合黏结剂用量对生球性能的影响

按3.1.2节确定的CMC与膨润土的质量比进行CMC复合黏结剂用量(CMC复合黏结剂与磁铁精矿的质量比)试验，结果见图3。

图3 CMC复合黏结剂用量对生球性能影响试验结果Fig.3 Effects of the CMC composite binder dosage on the performance of green balls■—落下强度；●—抗压强度

由图3可知，CMC复合黏结剂用量由0.8%增至1.2%，生球的落下强度和抗压强度均明显上升；CMC复合黏结剂用量由1.2%增至1.4%，生球的抗压强度缓慢上升，落下强度仍然显著上升。CMC复合黏结剂用量为1.2%时，生球落下强度为4.11次,抗压强度为14.97 N/个，达到了生球的质量要求。与3.1.1节试验结果相比，生球的强度虽略有下降，但使用CMC复合黏结剂可使黏结剂用量降低0.4个百分点，这有利于球团铁品位的提高。

3.1.4CMC复合黏结剂对预热、焙烧球团强度的影响

试验对比了添加1.6%膨润土的球团和添加1.2%CMC复合黏结剂的球团的预热和焙烧强度，结果见表5。

表5 不同黏结剂对预热球团、焙烧球团强度影响试验结果Table 5 Effects of different binders on the strength of preheated pellets and roasted pellets

从表5可以看出，添加1.6%膨润土的预热和焙烧球团的抗压强度均高于添加1.2%CMC复合黏结剂的预热和焙烧球团。由此可以看出，CMC复合黏结剂的添加虽能提高球团铁品位，但会影响预热和焙烧球团的强度。

造成预热、焙烧球团强度下降的原因主要有二：其一，CMC在球团加热氧化过程中分解，以气体方式逸出从而在球团内部留下了空洞；其二，网状结构的CMC的溶液黏度大，因而黏滞阻力也较大，阻碍了水分从毛细管中迁移排出，这些水分储存在球团内，造成颗粒排列不如膨润土球团紧密。

3.2 复合黏结剂改性对球团性能的影响

上述试验表明，添加1.2%CMC复合黏结剂的球团虽然铁品位较添加1.6%膨润土的球团高，但生球、预热球和焙烧球的强度较低。因此，研究了往CMC复合黏结剂中添加少量醋酸钠对改善预热球团及焙烧球团抗压强度的情况。

在CMC复合黏结剂用量为1.2%情况下，醋酸钠与膨润土质量比对生球强度的影响见图4，对预热及焙烧球强度的影响见图5。

从图4可以看出，醋酸钠用量由0增加到0.5%，生球团的抗压强度由14.97 N/个显著增大到22.12 N/个，生球的落下强度稳定在4.1次；继续增大醋酸钠的用量，生球团的抗压强度小幅下降，生球的落下强度小幅上升。醋酸钠用量为0.5%时，生球的落下强度为4.105次,生球的抗压强度为22.12 N/个，满足生产要求。

图4 醋酸钠与膨润土质量比对生球强度的影响Fig.4 Effects of the mass ratio between sodium acetate and bentonite on the strength of green balls■—落下强度；●—抗压强度

图5 醋酸钠与膨润土质量比对焙烧球团强度的影响Fig.5 Effects of the mass ratio between sodium acetate and betonite on the strength of preheated pellets and roasted pellets■—预热球团的强度；●—焙烧球团的强度

从图5可以看出，预热球团和焙烧球团的强度与生球的强度一样，均在醋酸钠用量为0.5%时达到最大值，对应的预热球强度为532 N/个，焙烧球强度为 3 444 N/个，与不添加醋酸钠的预热、焙烧球团强度相比分别提高了110 N/个和356 N/个。

因此，改性CMC复合黏结剂宜由膨润土添加0.9%的CMC和0.5%的醋酸钠制成。改性CMC复合黏结剂替代膨润土作为添加剂，所制备的氧化球团能够在保证球团良好的生球性能、预热球强度及焙烧球强度的基础上明显降低黏结剂用量，提高球团铁品位。

4 结 论

(1)保证氧化球团正常生产的膨润土最佳用量为1.6%，CMC复合黏结剂的最佳用量为1.2%，CMC复合黏结剂的使用可减少球团生产中黏结剂的添加量，但这会影响预热球团及焙烧球团的强度。

(2)CMC复合黏结剂用0.5%醋酸钠改性，可显著提高对应预热球团及焙烧球团的强度，在改性CMC复合黏结剂用量为1.2%时，其生球的落下强度和抗压强度分别为4.1次和22.12 N/个，预热球团、焙烧球团强度分别为532 N/个，3 444 N/个，与CMC复合黏结剂球团相比，预热球团与焙烧球团的强度分别提高110 N/个和471 N/个，与添加1.6%的膨润土制备的球团性能相当，满足生产要求。

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