白亞楠, 張建良, 蘇步新, 國宏偉, 閆炳基

( 北京科技大學冶金與生態工程學院, 北京 100083)

摘 要: 研究了不同鐵礦粉對水分的吸收性能, 通過自制吸水裝置測量了各種礦石的吸水速率曲線。定義礦粉親水性 H 為: 吸水速度 k 與最大吸水百分含量的乘積, 以此表征鐵礦粉的吸水能力, 效果較理想。通過對幾種礦粉的不同粒級進行吸水實驗, 結果得出: > 1 mm 粒級的親水性較差, 隨著粒度減小, 親水性變好, 粒度為 0125~ 015 mm 時, 親水性最好, 吸水指數 H 呈倒/ V型分布; 粒度越小, 吸水性能越接近。

關鍵詞: 水分; 燒結; 鐵礦粉; 吸水性能

1 前 言

隨著厚料層燒結技術的發展, 如何提高料層透氣性已越來越受到重視。改善制粒效果可顯著提高料層透氣性, 改善燒結礦冶金性能。而混合料制粒過程中, 水分起著連接橋和粘結的作用, 不同的配水量可以改變制粒后顆粒的粒度分布, 進而對燒結料層的透氣性產生影響。

本文從礦粉的冷態性能進行研究, 定義了親水性概念來表征礦粉在制粒過程中的行為特性。

2 實驗原料及方法

211 實驗原料

取某鋼廠生產現場所用的 6 種礦粉作為實驗原料, 其中富礦粉三種(F1、F2、F3) , 精礦粉三種( J1、J2、J3), 它們的化學成分列于表 1。

212 實驗方法

采用掃描電子顯微鏡( SEM)對 6 種礦粉進行表面形貌分析。

吸水性能試驗: 采用圖 1 所示裝置測定物料的吸水過程。當量筒中的礦粉和水接觸時,燒杯中的水會在自然堆積狀態的礦粉間毛細力、礦粉自身對水分的吸引力等作用下沿著礦粉柱上升, 直至最高值( 顆粒吸水飽和并保持相對穩定) 。設備中循環水泵為兩個連通燒杯提供穩定的供水, 而兩個燒杯之間的水位差為礦粉吸水提供了穩定的水位, 減少水面波動對吸水過程的影響。

實驗步驟如下:

( 1) 將鐵礦粉置于烘干箱中, 在 105 ? 1 e下恒溫干燥 2 h, 每隔 20 min 翻動一次, 以防板

結。

( 2) 在圓筒底部用濾紙封住, 浸入燒杯, 調整浸入水面深度直至天平示數為 0。此時的狀態記為標準 0 點, 圓筒所受浮力、重力、表面張力相互平衡。

( 3) 稱取待測鐵礦粉 20 ? 011 g, 放入圓筒內, 反復顛倒三次, 以達到礦粉自然堆積的狀態。

( 4) 裝好后掛在電子天平下掛鉤上, 記錄總重量后清零天平, 打開循環水, 繪制吸水曲線。

3 實驗結果及分析

分別對 6 種鐵礦粉進行電鏡掃描, 得到整體 SEM 圖和單一顆粒 SEM 圖( 見圖 2) , 并根據各礦粉的表觀形貌, 分析其對吸水效果的影響。

由圖 2 可知, F1 礦粉顆粒皆呈近圓球形, 單個顆粒的表面很粗糙, 并粘附少許細小顆粒。F 2 礦粉顆粒有圓球狀、片狀和一些不規則塊狀,其表面不太光滑, 有少許毛刺狀, 表面分布少量空洞, 部分尖端處粘附著極少細小顆粒。F3 礦粉明顯分為大顆粒和小顆粒, 其中大顆粒形狀比較規則, 形貌大部分呈多面體, 表面比較光滑, 顆粒致密, 表面無孔隙空洞, 棱角分明; 小顆粒則呈絮狀, 表面粗糙。J1 精粉的顆粒形狀比較規則, 形貌大部分呈多面體, 顆粒分布較均勻, 表面非常光滑, 顆粒致密, 表面無孔隙空洞,棱角分明。J2 精粉粒度分布不均勻, 外形以片狀為主, 同時又有圓形和一些不規則塊狀, 表面不太光滑, 有少許毛刺狀, 成網狀分布, 無明顯孔隙空洞, 在顆粒表面粘附著細小顆粒。J3 精粉以片狀和近似圓球狀等外形比較整齊的顆粒居多, 大小分布不均勻, 顆粒表面相對比較光滑, 其表面致密, 粘附有少量的細小顆粒。

6 種礦粉吸水實驗后的狀態如圖 3 所示。按礦粉表面殘留水分從多到少排列, 依次為 F2、F1、J2、J3、F3 和 J1。

由圖 3 可以看出, 各種礦粉吸水都很充分,表面有水潤光澤。F2 和F1 幾乎成泥狀, 表面有明顯水層, 可塑性差, 不能保持形狀; J2 和 J3 表面殘留水分略少, 有一定的可塑性; F3 和 J1 表面已無明顯水分, 且有很好的可塑性, 能保持住實驗形態。對比 SEM 照片, F1 和 F2 因為礦粉表面粗糙, 有空隙分布, 因而能吸收更多的水分, 超出礦粉的飽和水分值, 呈過飽和狀態, 所以成泥狀且表面有明顯的水層。隨著顆粒表面粗糙程度降低, 礦粉愈能保持樣品形態, 因為此時礦粉中的水分大部分是分散在大顆粒和小顆粒之間, 小顆粒在水分的液橋和毛細力作用下聚集在大顆粒周圍, 因而具有保持潤濕形態的性能。

本實驗定義單位質量礦粉所吸收的水分的百分比為持水率 H, 即 H= Wt/ ( W0+ Wt) , W0為礦粉初始質量, Wt為 t 時刻礦粉吸水質量。實驗繪制的礦粉吸水曲線見圖 4。

根據圖 4, 可將 6 種礦粉的吸水曲線歸結為3 種類型: 峰值型、無峰型和滯后型, 見圖 5。峰值型曲線表示該種礦粉對水分的吸收能力很強, 水分在較大引力的吸引下具有較大慣性, 在吸水曲線上表現為出現一個峰值。而隨著時間的推移, 并不能維持該水分含量, 故出現下降趨勢直至一個相對穩定的值, 即穩定持水量 Hhold。無峰型曲線沒有明顯的峰值, 其特點是在較短時間直接達到穩定持水量。滯后型的吸水速度較均勻, 但是過程較慢, 達到穩定值的時間較長。

上述 6 種礦粉中, F1、J1 屬于峰值型, J2 和F3 粉屬于無峰型, J3 精粉、F2 粉屬于滯后型。F1、J1 主要為赤鐵礦, 顆粒本身有較多的空隙,表面粗糙, 對水分的吸收較多且較快。J2 和 F3主要為磁鐵礦, 顆粒表面較光滑致密, 對水分的吸收過程較平穩, 能在較短時間內達到穩定值。J3和F 2雖然主要礦物不同, 但是二者顆粒表面的特點相似, 均較平滑, 表面粘附有細小顆粒,二者細粒度的粉狀礦含量均較高, 因此吸水過程時間較長。

由表 2 可知, 6 種礦粉的穩定持水率排序為: J3> F2> F1> J2> J1> F3。其中, J3 和 F2

吸收水分最高, 屬于高持水率; F1 和 J2 持水率在25% 左右, 屬于中等水平; J1 和 F3 為 13%、12% , 屬于較低水平。

從表 3 可看出, J1 和 F1 的吸水速度最快;F 3 和 J2 較慢, 但其吸水曲線較好; J3 和 F2 最慢, 40 min 后仍有較弱的吸水趨勢。以上結果與峰型分析結果相吻合。

礦粉的吸水量雖然能反映礦粉對水分吸收量上的區別, 但是高的吸水量并不一定表示吸水速度就快。如 F2 和 J3 粉雖然吸水量在 27%和 29% , 相比 J1 和 F3 高出近一倍, 但它們的吸水時間卻長達 40 min( 見表 3) ; J1 和 F3 雖然吸水量比較低, 分別為 13% 和12%, 但它們的吸水卻是在很短時間內完成的, J1 只用了 3 min, F3也只用了 10 min。因此, 單從礦粉的吸水量來判斷其吸水性能的好壞是不合理的。

基于上述原因, 本文提出用吸水性能指數H 來表示礦粉吸水性能的差異, 并將其定義為吸水速率與持水率的乘積, 即 H = kH。從吸水曲線可以看出, 不同礦粉不同粒度的吸水速率 k相差甚大(見表 4)。

吸水指數越大, 吸水性能越好。由圖 6 可知, 富礦粉的吸水指數要好于精礦粉( 012 左右)。J3 和 F2 雖然吸水率高達 29% 和 27%, 且還有上升的趨勢, 但它們的吸水速率偏低, 吸水指數僅有 01203 和 01189, 因而從整體上來說,其吸水性欠佳。J2 精粉吸水率雖然比 J3 低6% , 但因其達到穩定值所需時間較短, 吸水性能好于 J3。而 J1 雖然吸水速度快, 但其能吸收的水量僅有 13% , 故吸水指數也僅有 01169, 為6 種礦粉中最差的。綜上所述, 吸水指數 H 能夠較好地反映礦粉的吸水性能。

4 鐵礦粉粒度對吸水性能的影響

為了進一步弄清礦粉粒度對吸水性能的影響, 本實驗選取礦粉 F4, F5 和 J4 進行不同粒度的吸水實驗。將礦粉按 8 個粒級分級篩分( 見表 5), 分別對各粒級進行吸水試驗。結果列于表 5。

由表 5 可看出, F4 粉< 1 mm 以下各粒級的持水量相差不大, 而當粒度> 1 mm 時, 礦粉的持水率明顯下降, 由平均 2615% 降到 2215%、12% , > 5 mm 時基本呈不吸水狀態。分析認為, 礦粉中的水分主要是顆粒自身吸水和顆粒之間空隙中存在的水分, 主要以毛細水狀態存在。而毛細水的存在, 需要大小合適的空隙, 礦粉顆粒越大, 顆粒間的空隙越大, 越不利于毛細水的駐留。因此, 隨礦粉粒度增大, 持水率減小。

由表 6 可知, F5 礦粉< 3 mm粒級的持水率都在 30% 左右, < 01074 mm 粒級和 015~ 1 mm粒級的持水率更高, 達到 33% 以上; 而吸水指數在< 1 mm 時變化不明顯, 粒度> 1 mm 時吸水指數明顯下降。

由表 7 可知, J4 礦粉< 015 mm 以下各粒級的吸水量差別不大, 均在 50% 左右。015~ 1mm 粒級有 2614% 的樣品沒有吸水, 而 1 ~ 3mm 粒級只有接觸濾紙的部分粘取了少量水分,其它 94%不吸水。總體來看, < 1 mm粒級的吸水性能較好, < 015 mm 粒級的持水率可達 90%左右。分析認為, J4 礦粉的顆粒致密, 無孔隙,其顆粒本身并不能吸收多少水分; 其中較大顆粒間形成的空隙孔徑較大, 也不能持有太多毛細水, 而較小顆粒間的空隙有利于毛細水存在,故吸水量明顯提升。

將 4種礦粉按各粒度歸納吸水結果, 見圖 7。

由圖 7 可知, > 1 mm 粒度的吸水指數較小, 表觀吸水也很差; 而< 1 mm 以下的各粒級具有較大的吸水值, 表觀吸水情況均較好。吸水指數最好的是 0125~ 015 mm 粒級, 三種礦粉此粒級的表觀吸水均比較充分, 形狀也較完整。

5 結 論

1) 本研究中 6 種礦粉的穩定持水率按大小排序依次為 J3> F2> F1> J2> J1> F3。其中,J3 和 F1 屬高持水率; F 1 和 J2 屬中等持水率; J1和 F3 屬較低持水率。

2) 定義吸水性能指數 H 為: 礦粉的吸水量與吸水速率的乘積, 以此表征礦粉的吸水性能好壞。吸水指數越大, 吸水性能越好, 按照吸水指數大小排序, 6 種礦粉依次為: F1、F3、J2、J3、F2、J1, 該結果與表面特征和礦相結構相吻合。

3) 富礦粉相對于精礦粉有較好的吸水性能, 其吸水指數在 015 以上, 要好于精礦粉( 012左右)。J3 精粉和 F2 雖然吸水率高達 29% 和27% , 且還有上升的趨勢, 但它們的吸水速率偏低, 吸水指數僅有 01203 和 01189, 從整體上來說, 吸水性欠佳。J2 吸水率雖然比 J3 低 6% , 但因其達到穩定值所需的時間較短, 吸水性能好于 J3。J1 雖然吸水速度最快, 但其能吸收的水量僅有13% , 故吸水指數也僅有01169, 是6種礦粉中最差的。綜上所述, 吸水指數 H 能夠較好地反映礦粉的吸水性能。

4) 礦粉粒度對吸水性能有很大影響。根據三種鐵礦粉各粒級吸水實驗得出, > 1 mm粒級的吸水性能較差; 隨著粒度減小, 親水性變好, 但并非粒度越小吸水性能就越好, 吸水指數呈倒 / V0 型分布, 在 0125~ 015 mm 達到最高值。

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