（矿物加工工程专业论文）raps新工艺中的粘结剂作用机理研究.pdf

尸尸-一一- 中南大学硕士李位论文 r a p s 新 工艺 中 粘结 剂 作 用 机 理 研究 用有关;但对于界面化学反应表观活化能来说， 添加消石灰和生石灰的 e . 分 别 为8 5 .4 7 k j m o l 和8 3 .8 2 k j m o l ， 又比 不 添 加 粘 结 剂 时 的ec低， 这 是 因 为氧化钙可以促进三价铁离子生成来铁酸盐离子，而且氧化钙与二氧化硅的结 合能力大于二者与氧化铁的结合能力，相对来讲提高了氧化铁的活度，促进了 f e ,o , 写 o , 的 反 应 ， 降 低 了 界 面 化 学 反 应 表 观 活 化 能 。 厂 通过本文研究，基本上阐明了膨润土粘结剂在 r a p s新工艺中的作用机 理，论述了膨润土有利于提高成品球团矿强度，而生石灰、消石灰等对成品球 介团矿强度不利，从而为该工艺选择粘结剂及其推广应用莫定了基础。 关性词: / v( 磁 铁 矿 精 矿 ， 酸 性 球 团 矿 ， 烧 结 机 ， lu 结 剂 ) 氧 化 动 力 学 ， 活 化 能 ,j 中南大学硕士学位论文 r a p s 新工艺中粘结剂作用机理研究 abs tract a l o n g w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f m o d e m b l a s t f u rn a c e a i m e d a t h i g h - y i e l d , l o w - c o n s u m e , l o n g - l i f e , t h e p r o m p t a p p e a r a n c e o f n e w fl o w s h e e t o f s t e e l a n d i r o n m a k i n g , t h e u s e o f p e l l e t s w i ll b e m o r e a n d m o re i m p o rt a n t . b u t i t i s n o t a g o o d w a y t o a g g l o m e r a t e u s i n g s i n t e r i n g f o r f in e l y g r o u n d c o n c e n t r a t e . n o w , r i c h o r e s o f f e e d i r o n o re s a r e l e s s a n d l e s s , b u t fi n e l y g r o u n d c o n c e n t r a t e s a r e m o re a n d m o r e , t h e i r o n o re p r o c e s s i n g a n d p r o d u c t c o n fi g u r a t i o n c o m e i n t o b e i n g t h e p a tt e rn o f f i n e l y g r o u n d , d e e p l y s e l e c t , m a k in g p e l l e t . t h i s p a tt e rn b r i n g s i n t o p l a y t h e e ffic a c y o f i r o n o r e w e a l t h w e l l , a n d i t a l s o c a n m e e t t h e n e e d o f t h e rea s o n a b l e b l a s t f u r n a c e l o a d i n g s t ru c t u r a l w i t h h i g h b a s i c i ty s i n t e r a n d a c i d i c p e l l e t , f u r th e r m o r e i t s e e k s t h e s e l f - d e v e l o p m e n t a n d e c o n o m y b e n e f i t o f i r o n o re t r a d e . i n t h i s p a p e r , t h e r o a s t i n g a c i d i c p e l l e t w i t h m o d i fi e d s i n t e r s t r a n d ( r a p s ) m e t h o d h a s b e e n e x p l o r e d . p r a c t i c e s p r o v e d , w i t h t h e c r u d e m a t e r i a l o f h i g h - f e , l o w - s i i r o n c o n c e n t r a t e , t h e b i n d e r o f b e n t o n i t e , a d d i n g d u ff c o a l t o r o a s t , w e c a n o b t a i n p e l l e t s w i t h s u i t a b l e s i z e , e v e n a p p e a r a n c e , f i t t i n g i n t e n s i ty , g o o d m e t a l l u r g y c 叩a b i l i ty u n d e r t h e s o u n d t e c h n i c s s y s t e m : t h e h e i g h t o f f e e d l a y e r i s 5 5 0 m m , d ry i n g n e g a t i v e p r e s s u re i s 4 k p a , d r y i n g t e m p e r a t u r e i s 1 5 0 - 2 5 0 c , d ry i n g t i m e i s 3 m i n u t e s , i g n i t i n g n e g a t i v e p re s s u r e i s 4 k p a , i g n i t in g t e m p e r a t u r e i s 1 1 5 0 - 1 2 0 0 c , i gnit i n g t i m e i s 3 m i n u t e s , r o a s t in g n e g a t i v e p r e s s u r e i s 8 k p a e t c . i n o r d e r t o e x p a t i a t e t h e n a t u re o f n e w r a p s t e c h n i c s , b y w a y o f b r e a k t h r o u g h w it h b e n t o n i t e a n d c a l x i n t h i s p a p e r , t h e a c t i o n m e c h a n i s m o f t h e m a t t h e e v e ry p r o c e s s i n t h e n e w r a p s t e c h n i c s a re s t u d i e d b y t h e n u m b e r s , a n d t h e a c t i o n e ff e c t a r e a l s o c o n t r a s t e d . t h e s t u d y r e s u l t s s h o w t h a t t h e b i n d e r s h a v e g r e a t i n fl u e n c e i n t h e c o u r s e o f r o a s t i n g a c i d i c p e l l e t , e s p e c i a l l y t h e s i e x i s t e d i n b e n t o n i t e re s t r a i n s t h e f e , 0 , c o m e i n t o b e i n g , b u t a l a n d c a a c c e l e r a t e t h e o x i d a t i o n o f f e , 0 4 , t h i s r e s u l t c a n b e e x p l a i n a t t h e a n g l e o f a b i o - c h e m i s t ry i n s o l i d s t a t e . t h e e ff e c t o f u s i n g b e n t o n i t e a re b e tt e r t h a n u s i n g c a l x , b e c a u s e t h e c o m p re s s i o n i n t e n s ity o f t u rn o ff p e l l e t i s m o r e t h a n 1 5 0 0 n e v e ry p e l l e t , t h e c o n t e n t o f f e o i s l e s s t h a n 1 0 %. t h e u s e o f b e n t o n i t e i s t h e k e y t o s u c c e e d .i n t h e n e w r a p s t e c h n i c s . i n a d d i t i o n , t h r o u g h t h e s t u d i e s o n t h e o x i d a t i o n k i n e t i c s u s i n g t h e m o d e l o f s i n g l e o x i d a t i o n k i n e t i c s mo d e l i n t e r f a c e n o t r e a c t i o n i n t h i s p a p e r , o f m a gne t i t e p e l l e t t h e m a gne t it e p e l l e t i s f o u n d e d . t h e m o d e l p a r a m e t e r s a r e c o n fi r m e d b y 又 中南大学硕士学位论文 r a p s 新工艺中粘结剂作用机理研究 o x i d a t i o n e x p e r i m e n t s , a n d b y t h e s t u d i e s o n t h e i n n e r d i ff u s e a c t i v a t i o n e n e r g y e . a n d i n t e r f a c e c h e m i c a l re a c t i o n a p p a r e n t a c t i v a t i o n e n e r g y乓 ， t h e e ff e c t o n m a g n e t i t e p e l l e t o x i d a t i o n k i n e t i c s w i t h b e n t o n i t e i s e x p a t i a t e d mo r e . t h e e x p e r im e n t re s u lts a r e : e e 8 3 .0 0 0. m o l ， e .= 1 5 7 .7 0 0 m o t o f t h e p e ll e t a p p e n d in g b e n t o n i t e , w h i c h i s m o re t h a n t h e v a lu e s o f n o b i n d e r s , t h i s s h o w s t h e o x i d a t i o n r e a c t i o n b e t w e e nq a n d f e , q i s d i f f i c u lt , b u t t h e c h a n c e s t o c o n t a c t b e t w e e n s i 仇 a n d f e , 0 , a re mo r e , t h e s o l i d u s re a c t i o n i s e a s i e r t o c a r ry . c o m p a r a t i v 吻 t o s a y , t h e s i re s t r a i n s t h e r e a c t i o n b e t w e e n 0 2 a n d f e , o , i n a w a y . t h e v a l u e s o f t h e p e l l e t a p p e n d i n g s l a k e d l i m e a n d c a l x a r e : e , = 7 5 .6 0 0. m o l a n d e . = 7 8 . 8 2 0 m o t , w h i c h a re l e s s t h a n t h e v a l u e o f t h e p e l l e t a p p e n d i n g b e n t o n i t e , b u t m o re t h a n t h e v a l u e s o f n o b i n d e r s , t h i s i s r e l a t e d w i t h t h e a c t i o n b i n d e r s . a s w e l l a s i n t e r f a c e c h e m i c a l r e a c t i o n a p p a r e n t a c t i v a t i o n e n e r g y , t h e v a l u e s o f t h e p e ll e t a p p e n d in g s l a k e d l i m e a n d c a l x a r e : e ,= 8 5 .7 9 0 m o t a n d e .= 8 3 .8 2 0. m o l - , w h i c h a r e l e s s t h a n t h e v a l u e o f n o b i n d e r , i t i s b e c a u s e c a l c i u m o x i d e c a n a c c e l e r a t e t r i v a l e n c e i r o n i o n t o c o m e i n t o b e i n g f e r r i t e i o n , a n d t h e b i n d i n g a b i l i ty b e t w e e n c a l c i u m o x i d e a n d s i l i c o n d i o x i d e i s b i g g e r t h a n t h e b i n d i n g a b i l i ty b e t w e e n t h e m a n d f e r r i c o x i d e , c o m p a r a t i v e l y t o s a y , t h e c a l c i u m o x i d e i m p r o v e s t h e l i v i n g t h i c k n e s s o f f e r r ic o x i d e , a c c e l e r a t e s t h e r e a c t i o n b e t w e e n f e 1 0 , a n d 0 2 , re d u c e s t h e i n t e r f a c e c h e m i c a l r e a c t i o n a p p a r e n t a c t i v a t i o n e n e r g y . i n a w o r d , t h r o u g h t h e s t u d i e s i n t h i s p a p e r , t h e a c t i o n m e c h a n i s m o f b e n t o n i t e b i n d e r o f p e l l e t i n t h e n e w r a p s t e c h n i c s i s c l a r i fi e d b a s i c a l l y . b e n t o n i t e m a k e f o r i m p r o v i n g t h e i n t e n s i ty o f t u rn o ff p e l l e t , b u t c a l x a n d s l a k e d l i m e g o a g a i n s t t h e i n t e n s i ty o f t u rn o ff p e l l e t , w h i c h e s t a b l i s h g r o u n d w o r k o f s e l e c t in g b i n d e r s f o r t h e n e w t e c h n i c s a n d o f e x t e n d i n g , a p p l y i n g o f t h e n e w t e c h n i c s . ke y w o r d s : m a g n e t it e c o n c e n t r a t e , a c i d i c p e l l e t ,b i n d e r , o x i d a t i o n k i n e t i c s , a c t i v a t i o n e n e r g y . 中南大学硕士学位论文r a p s 新工艺中粘结荆作用机理研究 前言 冶金工业已被国家列为重点调整结构的行业。铁矿石，作为钢铁冶金最重 要的原料，近十年来从国外进口 量已相当大，而且还有不断增加的趋势.但我 国每年铁矿石开采量仍高达2 . 5 亿吨， 我国钢铁生产的铁矿自 给率约为7 5 %( 大 中企业为 5 5 %)左右，其总体规模还相当大，因而我国的铁矿业在整个国民 经济和钢铁工业中仍然是一个不能忽视的重要部分。 随 着现代高炉炼铁向 着高产、 低耗、长寿目 标发展和钢铁冶炼新流程的迅 速兴起，球团矿使用将会越来越显得迫切和重要。作为细磨精矿，采用烧结法 造块，不是一种理想的方法，无论是对造块生产和产量、质里、能耗和环境保 护，都是十分不利的。 “ 小球烧结法”等，只是细磨精矿烧结生产的技术改进， 只适于生产高碱度烧结矿和高硅酸性烧结矿，并不适用于高铁低硅精矿的造 块，也不能从根本上达到象球团矿那样的冶炼效果。在国外，铁矿业在市场经 济条件下，随着富 矿越来越少和细磨精矿越来越多， 铁矿的加工工艺和产品结 构形成了“ 细磨、 深选、 制球团”的模式。这种结构模式充分发挥了铁矿资源 的功效，而且能很好的满足高碱度烧结矿配加酸性球团 矿这一合理高炉炉料结 构的需求，并求得了铁矿业的自 身发展和经济效益。 涟源钢铁公司新建了一台1 3 0 m 烧结机，计划生产高碱度烧结矿，这就要 求有配套的酸性球团 矿生产系统。 如采用传统的氧化球团生产工艺，一则原料 和现场布置无法满足需要， 二则投资较大， 建设周期长而无法满足生产的急需。 为解决这一问 题，涟钢拟采用改造现有两台 4 0 m 烧结机焙烧酸性球团矿.本 文研究了利用改造烧结机焙烧酸性球团矿的工艺制度和粘结剂的作用机理，以 便为该工艺的实施提供合理的工艺参数，并利用粘结剂作用机理，给该工艺的 生产实践提供理论指导。另外，新工艺的诞生，是对造块工艺的重大发展，对 我国钢铁生产降低能耗，达到增铁节焦的目 的也有重要意义。 本文从r a p s 新工艺的工艺制度入手，揭示了新工艺的焙烧原理， 并通过 对造球、 干燥、 焙烧等过程进行试验研究， 球团矿矿相研究， 粘结剂作用机理， 并通过粘结剂对球团 氧化过程的活化能的测定与计算，对认识r a p s 新工艺的 本质及其指导生产实践具有重要作用。 中南大学硕士学位论文 r a p s 新工艺中粘结剂作用机理研究 1 . 文献综述 1 . 1 铁 矿 球团 法的 发 展 与 现 状 铁矿资源是自 然资源中的一部分，是人类社会赖以生存和发展的重要物质 基础。铁矿石人造富矿，如压块、烧结矿、球团矿，其目的是要将生铁或钢的 成本保持在最低水平。本世纪初以前，装入高炉的铁矿石都是在矿山或钢铁厂 经过破碎和部分经过筛分，使用块矿，这样剩下的粉矿越积越多，高炉冶炼时 吹出的炉尘经回收堆积后也越来越多。大约在本世纪初，各工业发达的国家都 曾不同程度地探讨了处理这种粉尘的可能性， 在瑞典和德国这样的国家，很早 以来就对这个问题特别重视，除烧结法、压团法外，一些研究工作者寻求了另 外一种造块方法，即球团法. 1 . 1 . 1国 内 外 铁 矿 球团 法 工 艺 发 展 历 史 根据t .k . g o l d s t i c k 介绍， 铁精矿造块开始于1 8 9 9 年， 采用芬兰的g . g r o n d a l 提出的团矿法，该法称为 g r o n d a l 工艺，并应用于芬兰的 p i t k a r a n t a 钢铁厂， 该法首先将铁精矿添水制成砖形，然后送入以 煤气为燃料的隧道窑内，在大约 1 3 7 0 的温度下焙烧， 成品质量好， 颇受用户欢迎，因此在1 9 1 3 年有了3 8 个 钢铁厂采用此法to 1 9 1 2年，瑞典的a .g .a n d e r s s o n发明球团法，1 9 1 2年获得瑞典专利12 1 。该 方法是将细粉精矿经过回转圆筒造成小球，然后进行干燥和焙烧。1 9 1 3年德 国c .a .b r a c k e l s b e r g 亦提出了 同 样的 方法， 于1 9 3 0 年在r h e i n h a u s e n 安装试验 设备进行试生产，1 9 3 3 年获得美国 专利13 1 ，但a n d e r s s o n 和b r a c k e l s b e r g 两种 方法均未发展到工业生产的程度。 二战期间，美国针对梅萨比矿区贫矿经深度细选后的铁隧岩精矿进行处 理，美国矿山局的e .p .b a r r e t 负责造球， r . s .d e a n主要负责焙烧，于 1 9 3 6年 获得专利权。实验在明尼苏达大学的矿山实验站进行，并由 e .w .d a v i s . c .v .f i rt h . h .h .w a d e . h i b r a s s e rt等人协助，获得成功。 在2 0 世纪 5 0年代， 美国的a s h l a n d 钢铁厂， r e s e r v e 矿业公司和e r i e 竖炉球团厂相继在竖炉、带 式焙烧机、链蓖机一回转窑等工艺设备上进行了 球团生产工业试验， 成功地将 它们分别应用于球团工业生产a . 5 1 1 . 1 . 2 球团 矿在炼铁原料中的 地位 年代末， 有关世界铁矿石资源的储量已有资料16 1报道， 其大致储量如下 中南大学硕士学位论文 r a p s 新工艺中粘结剂作用机理研究 f e = 6 0 %的矿石约6 0 0 0 亿吨 f e 4 0 %的矿石约2 5 0 0 亿吨 实际储量超过上述数字。从经济角度来看，在今天铁矿石如果不经过认真 加工准备，要入高炉或在直接还原设备内进行处理就不再是可能的了。铁矿石 准备的目的是使原料的各种特性得到质的改善: 1 )机械破碎、磨细、筛分、分级; 2 )用物理方法分选各种矿物成份，从贫矿中剔除脉石，获得品位较高的 精矿; 3 ) 用热处理或 化学处理方法剔除象h 2 o , c o 2 . son. s之类消 耗能量的 挥发成份，或者将赤铁矿转变为磁铁矿; 4 )加入碱性添加剂，改善冶金特性，这种添加剂可以降低后续各加工工 序的能t消耗。 直接还原 高 炉 圈1 . 1 铁矿石处理流程圈 中南大学硕士学位论文 r a p s 新工艺中粘结剂作用机理研究 在上述矿石准备的四项过程中，球团法起着重要的作用: 1 )可将细粒粉矿或精矿造块 ( 第一、二项) ; 2 ) 可 将h 2 o . c 0 2 , s o , , s 之类的 挥发 份剔 除 ( 第 三项) : 3 )可加入碱性添加剂来改变化学成份 ( 第四项) 。 现将铁矿石处理的整个流程图示于图1 . 1 从国内 来看，球团法的 试验研究与生产应用并不比国外晚，1 9 5 8年中南 矿冶学院 ( 现中南大学)就着手开发工作，于 1 9 5 9年在鞍钢隧道窑进行了 球 团工业性试验，仅与美国相差 4 - - 5年;1 9 6 8年以后，济钢、杭钥等八家钢铁 厂陆续建成十几座 8 m 2 , i o m 2 竖炉进行球团矿生产:7 0年代，包钢从日本引 进一台1 6 2 m 带式焙烧机:而后南京钢铁厂又引进一套处理硫酸渣的链蓖机一 回转窑球团矿焙烧设备，承德、成都、沈阳等地的钢铁企业也自 行设计和安装 了类似设备投产:到8 0 年代以后，本钢兴建了一座1 6 m 2 大型竖炉，鞍钢引进 了一套3 2 0 m 2 带式焙烧机ia 目 前，由 于球团矿质t好，在高炉冶炼过程中，与烧结矿相比，有其独特 的优势，并且，随着现代高炉炼铁向着高产、低耗、长寿目 标发展和钢铁冶炼 新流程的兴起，球团矿的使用将会越来越显得迫切和重要。因此，铁矿球团法 必将获得更长足的发展，使得铁矿球团法工艺和理论研究不断发展、完善。 1 . 1 . 3 铁 矿球团 法发 展的 新趋势 目 前球团 矿生产已开始从单一追求球团矿产量转向重视同时提高球团矿的 产质量、降低生产成本和改替工艺条件、开发新工艺设备及流程等方向发展， 其措施大致从以下几方面入手: 1 ) 研究新的球团粘结剂 基于提高球团矿含铁品位、降低入炉球团矿的 碱金属含t和其它有害杂质含量。目 前在球团粘结剂研制方面的主要工作是: 降低无机粘结剂用量，或用有机粘结剂、或复合粘结剂替代或部分替代单一性 的 无机粘结剂。 如通过大量实 验工作探讨了 膨润土在铁矿球团 法中 的 应用t7 ) 测定铁矿球团用膨润土的质童指标1e . ， ，确定粘结剂的用量，荷兰恩卡公司研 制出的佩利多11 0 1 ，我国 广州花都南国化工有限公司研制生产的 k l p系列粘结 剂等m l 。从我国实际情况来分析，这方面工作基本处于试验研究阶段，有待进 一步生产实践。 2 )改善球团矿质it 为改菩球团矿的冶金性能，日本首先从生产酸性球 团矿转向生产自 熔性球团矿以提高产品还原性能1 12 , 13 1 ，瑞典研究认为添加白 云石或橄榄石的球团矿，可以 提高其还原性能及软熔性能，达到防止异常膨胀 中南大学硕士学位论文 r ap s 新工艺中粘结剂作用机理研究 的效果 p 4 - 16 1 。 经高炉冶炼证明: 这类含镁质球团 矿与普通酸性球团 矿相比， 生产吨铁的 焦比降低4 0 - 5 0 k g ，效果明显。 3 )降 低球团矿生产成本 主要通过降低动力和燃料的单位消耗来实现. 目 前，国内 外都采用煤粉或焦粉来代替液体或气体 燃料以降低成本， 这在美国 和日 本己 获成功.国内 外新建的 球团 厂都设有余热回收 利用系统以 充分回收利 用余热，使成本大大降低。 4 )改善工艺条件研究实践数学模型。在信息及知识经济时代，计算机 技术、自 动化技术己被广泛应用于工业生产的各个领域， 球团生产工艺也不例 外， 这就要求球团数学模型的研究要先行一步。1 9 6 2年 l e b e l l e ( - 1 先后发表 了模拟带式焙烧机工艺过程的研究结果， 但这些模型由于其准确性差、 速度慢、 可靠性小等原因而未实现工业化。 5 )开发新的球团生产工艺及设备目 前球团生产工艺所用设备主要有三 种:竖炉、带式焙烧机、 链蓖机一回转窑，能否利用带式烧结机及烧结工艺过 程来实现球团 矿生产，已 成为一研究方向。中南大学 ( 原中南工业大学) 烧结 球团研究所己 着手进行了 这方面的研究工作，取得了成功。 1 .2 铁精矿球团工艺中 粘结剂的作用机理 1 .2 .1粘 结 剂的 种 类及 性 质 在传统的矿粉球团工艺中， 提高产品质量、降 低能耗等方面一个有效的 途 径就是采用适宜的粘结剂，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: 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it时， 成本不能 太高; 9 . 粘结剂原料来源充足. 由 于粘结剂种类繁多，因此，w a t e r s 2 4 1和 me s s m a n 2 5 ) 分别根据粘结剂的物 理状态和化学性质加以分类， 而k o m a r e k l 1 则按其作用方式加以分类， d e r a n e y 和c h i l d s 12 1 将铁矿造球用粘结剂分为可溶性盐类、 无机化学试剂和有机物。 现主要介绍目 前球团生产中应用较为广泛的几种粘结剂。 1 .消石灰13 1消石灰是生石灰 ( c a o ) 加水消化后所得产物。它具有粒度 小、比表面积大、亲水性好和具有天然胶结能力的优等成球性的物料。造球的 物料中 添加消石灰， 其比表面积明 显增加，分子粘结力和毛细力提高，因此使 生球强度得到提高 ( 见图1 .2 和图1 .3 ) . 由 于消石灰增加了生球的塑性，因 此提高生球落下强度效果比提高抗压强 中南大学硕士学位论文 r a p s 新工艺中粘结剂作用机理研究 度更明显。不过当消石灰加入量过多时，由于物料堆密度小，使得毛细水迁移 缓慢，因而也会使成球速率降低.一般消石灰用量为3 - 5 %0 田伯侣树悦10。e20 n侧烦目卫一舒哥 侣暇忆卜缺 0，2 3 4 5 6 7 c a ( o h ) 办 圈1 .2 c a ( o h ) : 对生 球 落 下召 炭的 形响 矿石比 表面积 ( c m 2 / g ) 1 -7 4 0 1 1 - 1 1 2 0 1 1 1 - 1 7 2 0 注: 生球落下强度是从拓厘米高落下。 0 1 2 3 4 5已7 c a幻 h ) : 1 % 圈1 3 c r ( o h ) 2 对生 球 抗 压强 度的 形响 矿石比 表面积 ( c m 2 / g ) 1 - 7 4 0 1 1 - 1 1 2 0 1 1 1 - 1 7 2 0 2 . 膨润土15 . 2 6 - 2 9 1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: 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 . 菠 脱 石 的 分 子 结 构 式 为 ( 工 c a , n a ) ,.66 ( a , m g . f e ) ,(s i, a 0 60 20 ( o h ) , cn h 20 , 2 霍夫曼认为，它的晶胞是由 两层 s i - o 四面体夹着一层 a l - ( 0 . o h ) 】 八 面体构成，又称二八面体型粘土矿物，天然蒙脱石是由 2 0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s i 被a 1 3 代替，铝氧八面体中一部分a 1 3 + 被 f e e 十 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 加% 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 , n a , c a 2 , m g t+ 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: 中南大学硕士学位论文 r a p s 新工艺中粘结剂作用机理研究 l i n a k m 广 c a b a a l 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，如图1 . 6 所示3 0 1 -t _ 户 碑 3 子 乡， 一 润泊 矿 水分 1 0 .0 % 栩映 侣0 ! 专 一。 一 平 山土 ( l ) 一 一黑山土 仇山 土 刃助匀岛团仿105 0 0 0 000尸x，上匆。令、翻迅侣 a s 1 . 0 1 . s 膨润土加 入a / % 圈1 . 6 脚润土加入皿对铁精矿成 旅傲的形晌 球核平均直径减小，如图 1 . 7所示3 0 1 ，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 改普铁精矿的成核能力，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。 . 一 ， 一- - - - 二 - 番 润褚 犷 水 分 1 0 . 0 % 材盆， 即的 一. 一 平 山 as 1 . 0 1 . 5 膨润土加 入2 1 % tlwe叶1仆ilto汁lolqo 日日、哪侧牙卜撼赞 1 . 7 毕润土加入二对球 核平 均直径的 形响 中南大学硕士学位论文 r a p s 新工艺中 粘结荆作用机理研究 ( 2 ) 扩大水分波动范围5 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士 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 研究结果表明阴，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。朱德庆、蔡汝卓等 人3 t 还从表面润湿热、表面电性及红外光谱测试入手，探讨了膨润土与磁铁矿 颗粒表面作用机理. 2 .膨润土对生球千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 .h i c o l 等人3 5 ) 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: 尸 = k r7 v p 2 s 2 (1 - 犷 r s 式中:p 一内压力 p 一原料密度 k ，科泽恩常数 s 一比表面 n 一水的粘度 一气孔率 加入膨润土降低了脱水速度、原料密度和比表面， 少，而使生球在干燥过程中不易爆裂。 v 一流速 ( 脱水速度) r -球团半径 使内压力增加相对地减 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3 6 - 3 8 1 ， 生球从室温迅速加热到2 5 0 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3 9 ， 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1 0 则认为主要是加热时球团 的千、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) 9 中南大学硕士学位论文 r a p s 新工艺中粘结剂作用机理研究 蒸发较慢，蒸汽压不易猛增。但当膨润土添加过皿时，则以上三种说法均不能 很好的解释.薛正良等人4 p 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、千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。 3 .膨润土对未焙烧球团强度的影响 根据报导14 2 1 ，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 . 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。但关于生球强度理论却众说纷纭: 衰 1 . 1 生球落下次数 f 次、 ( 0 . 5 m ) ， 序润土对球团刃度的形喃 膨润上加入t 月毛 生球抗压强度千球抗压强度 1 n 个一 ，加 个一 ， 3 石 9 . 8111.816 .0 5 . 4 4 7 . 0 0肠 t i g e r s h i o ld 等 人 4 3 提出t 经典的 毛 细 力 理 论， n e w i tt 4 4 1 . h a n i e s 4 3 和f i s h e r 4 6 1 等 人 发展了 毛 细 力 理 论， 提出了 生 球内 颗 粒间 水的 三 种 状态。 r u m p f 等 人4 7 . 4 8 导出了 两种模型来预测生球强度， w y n n s k y i 14 9 ) 采用采用重量平均半径取代水 力 学半 径， 运用r u m p f 所 提出 的 模型 预 测生 球强 度。 w a d a so l等人 提出 粘 度毛 细力理论。 k i h l s t e d t 等人5 11 和 g u b i n 5 1 则认为静电力对生球强度具有决定性影 响，最佳成球发生在物料零电点处.k o ro t i c h 13 3 1 等认为氢键作用不容忽视。 h a r t l e y等人(54 1 认为由 磁铁矿颗粒制成的生球由毛细引力和磁引力决定其强 度。朱德庆等人13 5 ) 则提出了含粘结剂的磁铁矿生球强度主要由颗粒间的化学作 用能、 粘滞作用能和毛细引力能决定的观点。 对生球来讲， 根据毛细力理论认为，小矿粒间的毛细管愈细，拉紧矿粒的 力也愈大。由于膨润土的层状结构，其比 表面积可高达 1 0 0 米z l 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。