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冶金球团用膨润土的研究与实践
来源:中国粉体技术网    更新时间:2015-06-01 10:47:55    浏览次数:
 
1 前言
      (中国粉体技术网/班建伟)我国球团生产正处于高速发展的阶段,随着钢铁工业的不断发展,高炉迫切需要合理的炉料结构,而酸性球团矿配加高碱度烧结矿被认为是一种较理想的高炉炉料结构。近几年许多钢铁企业都纷纷利用自身的铁精矿生产球团矿,全国球团矿年总量持续攀升。在球团矿的生产过程中,为了保证其强度要求,必须添加粘结剂,以提高生球的落下强度、抗压强度、爆裂温度以及焙烧球团的抗压强度,同时在还原的过程中降低其膨胀系数。
       
膨润土是球团生产中最常用的粘结剂,国内外已广泛采用膨润土作球团粘结剂,但将它添加到铁精粉中势必降低球团矿的含铁品位。因此,尽量降低膨润土用量是提高球团矿品位的一条行之有效的途径。国外发达国家球团生产中膨润土添加量一般很低(<1%),使用的都是性能优良的钠基膨润土。我国球团生产中膨润土的配入量太高,其平均配入量为3%~4%左右,大多数生产厂家使用性能较低膨润土,使用效果与国外差距明显。
       膨润土的粘结性来源于其较高的电动电位,以范德华力作用于周围的各种分子(特别是有机分子和极性分子)称为粘结性。在离子中低价离子比高价离子电动电位高,在阳离子中钾钠离子的电动电位最高。所以人工钠化膨润土的粘结性要高于钙基膨润土。
       膨润土改性过程是一个离子交换的过程,必须要有水的参与,有的企业在冶金球团用膨润土生产中,使用干法钠化工艺,就是将碳酸钠粉加入雷蒙磨中与干燥的膨润土一起制粉,由于没有离子的存在是没有钠化的膨润土,称之为假钠化土。但是这种土在化验室被加入水中后由于颗粒细、水量大,搅拌或摇晃剧烈,是快速的悬浮溶液法,所以在化验室检测出来的指标是人工钠化土的指标,在冶金球团工业生产中使用效果较差,膨润土配入量偏高。
       由于膨润土的主要成分为SiO2,其含量在60%以上,在竖炉中不能被去除,直接进入球团矿中。球团生产过程中膨润土配比增加了1%,球团矿品位降低了0.6%。目前,用优良钠基膨润土取代钙基膨润土或性能较差钠基膨润土,是降低膨润土消耗、提高球团矿品位的主要手段。
       因此,研究适宜冶金球团用高性能膨润土、降低膨润土在铁矿球团中的配加量具有重要的现实意义。
2 工业试验
2.1 试验条件
       试验所采取原矿为鄂州梁子湖地区某矿,该矿产于安山岩系中,是由珍珠岩蚀变而成的钙基膨润土,原矿通过显微镜观察,同时结合XRD分析可知:蒙脱石层间距d(001)值为15.031 9nm,属于典型的钙基膨润土。原矿矿物组成(%)为:蒙脱石66、石英8、斜长石16、黑云母5、赤(褐,磁)铁矿4、黄铁矿1、其他<1。试样矿物的主要成分为蒙脱石,次要矿物为斜长石,少量的黑云母,褐铁矿和磁铁矿。此类矿石为斑状、块状结构,矿石表面粗糙,比较致密,蒙脱石含量为60%~70%。
通过测试,该矿物的化学成分分析结果(%)为:SiO2 57.55、Al2O3 17.53.TF e2O3 4.49、M g O 3.17、CaO 2.75、Na2O 1.83、K2O 1.33、TiO2 0.99、P2O5 0.25、MnO 0.09、S 0.005、烧失量 10.00。
       原矿理化性能为:吸蓝量31.39g /100g 、膨胀容7.56mL /g 、胶质价44mL /15g 、2h 吸水率140%、蒙脱石含量65.42%。
       加工设备:初破设备为锤式破碎机;改性设备:轮碾碾机;烘干设备:干燥粉碎机;磨粉设备:雷蒙磨。
       工艺流程:膨润土原矿→晾晒→人工除石→粗破→轮碾碾压改性→陈化→干燥粉碎→磨粉包装→出厂。
2.2 试验方法
       膨润土传统的钠化改性方法有3种:堆场钠化、悬浮法钠化与挤压钠化。堆场钠化操作简单但生产周期长,钠化效果差;悬浮法钠化效果好,但生产实施困难,经济成本高。传统挤压钠化一般采用螺旋挤压,而螺旋挤压设备对改性过程中物料水分要求较为苛刻,水分大,钠化效果不佳;水分小,对于设备损伤较大,而且生产中耗电量大。
       本研究利用轮碾设备对试样进行钠化改性,该设备主要用于物料的破碎、碾压,物料经过碾轮时,挤压受力,使物料充分粘合。如用于膨润土改性,除了可以将土料、纯碱、水混合均匀外,对物料有一定碾压作用,能耗相对同产量的螺旋挤压设备较低,通过一定时间碾压可以使膨润土得到良好的改性。本试验采用大型工业用轮碾机,每次进料量两吨。
       本研究通过对不同条件下的破碎粒径、改性剂用量、原料水分、碾压时间、陈化时间等进行试验,寻找冶金用钠化膨润土的最佳工艺,以满足冶金球团用膨润土要求。
2.3 试验及结果分析
2.3.1 破碎粒径
       试验选择加碱量为2.0%、碾压水分为26%、碾压时间为15min、陈化7d,对破碎粒径进行效果测试,结果如表1所示。
       由表1可以看出,该膨润土矿样在不同粒径加工后,从各粒径试样的吸水率、膨胀容和胶质价观察,在粒径小于25mm后,随着粒径变细,膨胀容指标测试结果逐渐增大,但增大效果不显著;试样的吸水率随粒径变化不明显。由此可见,原矿进行破碎筛分对改性效果的选择性不高,即只要将原料中大的石块去除即可。在此,选择原矿破碎筛分粒径为25mm。
2.3.2 改性剂用量
       确定原矿破碎粒径为25mm、碾压水分为26%、碾压时间为15min、陈化7d,对改性剂用量进行考察,测试结果如表2所示。
       从表2可以看出,改性剂用量在2.0%以下时,各测试数值增加不明显。随着改性剂用量的增加,当达到2.5%时,吸水率指标有了很大提高,膨胀容和胶质价指标也发生明显的增大趋势。综合考虑经济成本,改性剂用量宜选用2.5%。
2.3.3 碾压水分
       确定原矿破碎粒径为25m m、改性剂用量为2.5%、碾压时间为15min、陈化7d,考察改性水分对改性效果的影响。测试结果如表3所示。
       碾压水分对膨润土钠化影响较大,原料中加水量有一个最佳点,加水过少,不利于Na+与Ca2+交换反应,影响改性效果;若加水过多,影响产量,同时不利于碾压过程进行和后期磨粉加工。根据表3试验结果,将其碾压水分控制在26%左右。
2.3.4 碾压时间
       确定破碎粒径为25mm、改性剂用量为2.5%、碾压水分为26%、陈化7d,考察碾压时间对改性效果影响,测试结果如表4所示。碾压时间越长,改性越充分,各测试指标均有明显提高,当碾压时间为15min时,指标达到相对理想状态。随着碾压时间延长,产量降低,指标提高不是很大,所以选择碾压时间为15min。
2.3.5 陈化时间
       根据以上结果,确定原料粒径为25mm、改性剂用量为2.5%、改性水分为26%、碾压改性时间为15min,陈化时间对改性效果影响如表5所示。
       钙基膨润土经碾压改性后,还需有一定陈化时间,使离子交换反应进行的更加充分,即钠化效果达到最佳状态。由以上数据显示,随陈化时间增加,膨胀容指标表现明显,当陈化时间达到7d,指标表现良好,再延长陈化时间,指标增加不明显。鉴于以上结果,选择陈化时间为7d。
2.4 工业生产实践
       根据以上工业试验,选择最佳工艺条件进行大批量连续生产,产品指标得到很好控制,质量也相对比较稳定。将所生产成品发往某球团厂进行工业试用研究,经过使用,对方表示产品使用效果良好,相对以前所供球团土指标较好,质量稳定。配比为2.55%左右,其氧化球团工业试验数据如表6所示。
3 结论
       (1) 本研究对湖北鄂州梁子湖区某钙基膨润土进行半干法轮碾碾压改性,对其钠化改性条件进行控制,寻找出最佳钠化工艺方案。产品经过工业实践,证明其完全可用于冶金球团氧化球团的生产,膨润土的配比相对较低。铁精矿的成球性、生球产量和质量、成品球团的产量和质量都有大幅度的提高,球团产品可完全满足该地区冶金球团用膨润土的需要。
       (2) 本研究采用的轮碾碾压改性方法,工艺比较简单,钠化效果好,对钠化水分的要求相对较小,生产效率高,节省能耗,工艺简单,易于干燥且设备投资低,产品质量指标也比较稳定。在干燥粉碎步骤,我公司采用粉碎装置对其进行干燥粉碎,效率较高,生产不受气候影响(很多企业钠化改性后直接进行晒场晾晒,受天气影响较大,生产不连续,产品水分不稳定),可以全天候生产,产品水分比较稳定。
       (3) 由于本次实践研究时间相对较短,没能够更深层次研究,但从理论分析可以看出,采用此工艺生产的冶金球团用膨润土还可进一步降低膨润土配比。


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