膨润土对球团性能的影响
- 格式：pdf
- 大小：382.65 KB
- 文档页数：8
（Na,Ca）0.33(Al1.67,Mg0.33)Si4O10(OH)2nH2O 膨润土结晶结构见图 1。Mg2＋同晶置换Al3＋，改变了晶体的电荷平衡，使晶格带上一个负电 荷。这需吸附阳离子（通常是Na＋和Ca2＋）以平衡料层。这些层间可交换阳离子的水化引起 呈膨润土的膨胀。在传统分散机理基础上，钠膨润土颗粒（见图 2A）。在水中膨胀和分散 呈单晶粒（见图 2B），其表层覆盖磁铁矿粒子像胶化体。钙膨润土被认为粘结性能较差， 其的膨胀和分散性能很差。它们的粒子显示在图表 2A。粘结相分散性能被认为是膨润土在
膨润土是一种非金属矿物，天然膨润土大体上分为钠基膨润土和钙基膨润土。钠基膨润 土的工艺性能较明显优越于钙基膨润土，钠基膨润土吸水率和膨胀倍数大；阳离子交换容量 高；在水中分散好，胶质价高，其胶体悬浮液触变性、粘度、润滑性好，PH 值高、热稳定 性好等。我国膨润土 90%为钙基膨润土，天然钠基膨润土很少。在本文中，我们进行了钠基 和钙基膨润土对球团性能影响的对比，解释了钠、钙离子在球团性能中所起到的作用。
Cu P
S
Ig
0.003 0.06 0.01 0.68 0.008 0.05 0.12 0.45 0.003 0.04 0.16 0.62 0.004 0.04 0.01 1.05
膨润土种类 钠基膨润土 钙基膨润土
表 2 膨润土的化学成分/%
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO MnO TiO2 K2O Na2O Ig 59.05 18.72 6.26 0.68 1.73 0.04 0.53 1.49 1.45 9.05 60.65 17.83 5.39 1.23 2.45 0.06 0.42 1.32 1.11 7.98
我们通常所说的膨润土在铁矿球团中的粘结机理是指膨润土形成水合物，通过膨胀，分 散，然后形成粘结的薄膜把铁矿球团的粒子粘结在一起。美国作者S.K.KAWATRA和S.J.RIPKE 提出膨润土纤维结构的理论,对膨润土和球团性能提出了新的理解[5-8]。当膨润土纤维形成 后，粘结性能就大大的提高了。膨润土纤维结构的理论现在应用于铁矿球团生产中，起到良 好作用。
Al2O3
1.16 1.02 1.53 1.78
表 1 铁精矿的化学成分/%
CaO MnO MgO K2O Na2O
0.15 0.17 0.04 0.10 0.01 0.23 0.55 0.06 0.03 0.09 0.11 0.03 0.12 0.006 0.002 0.49 2.06 2.67 0.013 0.01
1. 引言：
过去几十年来，国内外已广泛采用膨润土作球团粘结剂。生产证明，膨润土是球团生产 重要组成原料。但我国球团生产中膨润土的配入量太高。我国的生产企业的膨润土平均配入 量为 1.5%-3.5%左右，与国外低于 1%的水平相比，差距明显。
有资料显示[1-4]：蒙脱石含量对未焙烧球团的各种性能都有高度显著的影响，是提高生 球爆裂温度的唯一影响因素；吸水率、蒙脱石含量、阳离子交换是生球抗压、落下和干球抗 压强度提高的显著和高度显著的影响因子。但是通过试验证明，生球质量与蒙脱石含量没有 绝对一致的规律。这主要是由于铁精矿与膨润土匹配问题，要考虑到它们表面特性的不同。
-2-
铁矿球团的行为。
互换阳离子
（有时可是铝离子）
图 1：膨润土的三元单元格。在单元格的两面都含有氧离子结构和碳氰化合物似的八面体， 它们其间还有两个四面体硅层结构镶嵌在六边的环状物中。 膨润土片晶 膨润土粒子
磁铁矿粒子
图 2：磁铁矿中的两种膨润土粘结机理。图 A 和 B 为分散机理。 S.K.KAWATRA 和 S.J.RIPKE 提出膨润土纤维结构的理论。图 3 表明：当膨润土被润湿后， 膨润土各层吸水膨胀，导致各层间的静电引力变弱；在压力、剪切力作用下，膨润土各片层 产生滑动，促使膨润土纤维结构形成。球团内部保持散状的膨润土，在足够的水分和压力、 剪切力作用下，产生了膨润土晶层滑动，促使纤维星散状结构的形成。纤维结构出现后，膨 润土的粘结效果得到明显提高，球团抗压和落下强度也得到明显的改善。
膨润土是一种高分散性物质，添加膨润土后改善了造球物料的粒度组成，使生球内毛细 管径变小，毛细力增大；另一方面膨润土吸水后呈胶体颗粒，填充在生球的颗粒之间，增加 了颗粒之间的分子粘结力，因此它可以提高生球的强度。当生球受到外力冲击，颗粒之间可 产生滑动，所以对提高生球落下强度更为明显。但是膨润土主要成分是SiO2，过多的添加膨 润土不但会降低生球的长大速度，主要还降低球团矿品位。给高炉炼铁带来很大的损失。
235.80
7.65
85.50
生球的制备是在圆盘造球机上进行的。造球机直径为￠1000mm，转速为 15-25r/min， 倾角 440-470可调。
生球破裂温度的测定采用动态介质法。干燥用的生球装在￠50×150mm 的不锈钢干燥管 内，把干燥罐放入温度恒定的炉膛上部，用叶式鼓风机向炉膛内送入室温空气，当空气透过 炉膛时与瓷球发生热交换，被加热至恒定的预先确定的温度。
提高生球破裂温度的主要原因是：其一，添加膨润土的生球，水分蒸发速度较慢，因为膨润
土晶层间含有大量的分子结合水，这种水有较大的粘滞性和较低的蒸汽压，表面汽化速度低，
而且当生球表面水分汽化后，内部的水分又可以通过毛细管扩散到生球表面层膨润土的晶层
间，因而失去干燥外壳形成比较慢，大量毛细水在表面蒸发，不易造成内部过剩的蒸汽压，
-3-
图 3 膨润土晶层的滑动。 A 中剪切力使膨润土颗粒变成 B 图中的纤维状结构。 用电子显微镜我们可以观察到：钠基膨润土中的 Na-蒙脱石图像是一连续的云雾状集 合体，钙基膨润土中的 Ca-蒙脱石为块状集合体，轮廓不规则。正是由于这个原因，钠基膨 润土的连续云雾状结构是钠基膨润土在物料中分布均匀，而钙基膨润土的块状结构使钙基膨 润土在物料中分布不均匀，影响了膨润土的性能。 钙基膨润土单位晶层底面与另一单元晶层表面距离不会大于 2.14nm,也就是说在两晶 层间虽有层间水和水化钙离子，若无外力作用，两单位晶层难以脱开，而钠膨润土可以使上 述距 离达到 10nm-20nm，直至完全脱开，分散为 0.96nm 厚度的颗粒，而粘结剂越细，而粘 结剂越细，使粘结力越大是显而易见的。结果导致：同样的膨润土加入量，钠基膨润土的颗 粒数量远远比钙基膨润土颗粒数量多，粘结强度大。单位晶层外围以氧原子组成，吸附水化 钠离子能力增大；膨润土颗粒对钠离子的结合力大于钙离子的吸引力，粘结强度增加。
膨润土用量为 1.5%，生球落下强度大于 3 次/(0.5m)。可见，采用润磨的方法促使膨润土晶 层滑动并形成纤维结构，从而降低膨润土用量和提高了生球的强度。
对铁精矿采取润磨和不润磨的干球进行显微结构鉴定（见图 6 和图 7）。表明，没有润 磨的干球内部结构比较松散，铁精矿呈零星状的较多，部分颗粒周围有一层很薄的膨润土粘
预热焙烧试验是在卧式管状电炉中进行的。管炉由炉膛直径 50mm的一个铁铬铝丝电阻 炉和硅碳管对接而成，前者作预热，后者作焙烧用。直径为 10－15mm生球首先在烘干箱中 于 1200C温度下烘干。实验时，将干球装入瓷舟中按预先的指定的试验方案进行预热焙烧。
3. 膨润土对生球性能作用机理研究
膨润土主要是含水的硅酸铝粘土，主要是由不同种类蒙脱石矿物组成。蒙脱石理想的 化学式：
4.4 润磨对预热球和成品球强度的影响
预热球强度随润磨时间的变化曲线如图 8 所示。在预热温度为 900 ℃、预热时间为 8 min 条件下，润磨明显提高了预热球的抗压强度。当润磨时间大于 6 min 时，预热球强度值增大 幅度逐渐减小，润磨时间为 6 min 时，预热球强度达到 900 N/个。
3
未润磨
2
2
1 0.5
1.0
1.5
2.0
膨润土用量/ %
1
2.5
图 5 润磨对强度的影响 巴西矿与秘鲁矿质量比为 8：2， 造球时间为 8 min
图 6 未润磨的干球显微结构 Fe2O3—浅白色 Fe2O3—浅白色
膨润土—黑色带状物
图 7 润磨后干球显微结构 Fe2O3—浅白色 Fe2O3—浅白色
膨润土—黑色点状、条状
附（黑色带状物）。而混合料进行润磨后的干球，内部结构较致密，铁矿物呈颗粒集团分布。
膨润土被包裹在颗粒集团中间，粘附效果更好。故采用了润磨的方法后，膨润土的作用得到
了较充பைடு நூலகம்的发挥。
-5-
生球落下强度/(次· (0.5m)-1)
6
6
5
润磨6 min
5
4
4
3
2. 原料性能与研究方法
本试验采用了四种不同化学成分的铁精矿：巴西矿、秘鲁矿、海南矿和广东矿。四种 铁精矿的化学成分见表 1。试验使用了钠基膨润土，钙基膨润土。其物化性能见表 2 和表 3。
* 基金项目：新世纪优秀人才支持计划项目（NCET-04-0748） -1-
矿种 TFe FeO SiO2
巴西矿 67.60 0.72 1.55 秘鲁矿 69.31 27.88 1.32 海南矿 63.19 2.32 7.05 广东矿 63.63 21.05 2.26
膨润土 种类 钠基 膨润土 钙基 膨润土
含水量 /% 7.50
13.50
吸兰量 /g/100g
表 3 膨润土粘结特性
胶质价 /%
蒙脱石含 吸水率（2
量/%
小时）/%
33.18
100.00
75.08
322.70
膨胀容 /ml/g
11.75
粒度/% （-200 目）
98.00
33.37
50.25
75.50
-4-
爆裂温度 /0C
600
1
550
500
2
450
400
18 16 14 12 10
8
1 2
膨润土是一种非金属矿物，天然膨润土大体上分为钠基膨润土和钙基膨润土。钠基膨润 土的工艺性能较明显优越于钙基膨润土，钠基膨润土吸水率和膨胀倍数大；阳离子交换容量 高；在水中分散好，胶质价高，其胶体悬浮液触变性、粘度、润滑性好，PH 值高、热稳定 性好等。我国膨润土 90%为钙基膨润土，天然钠基膨润土很少。在本文中，我们进行了钠基 和钙基膨润土对球团性能影响的对比，解释了钠、钙离子在球团性能中所起到的作用。
Cu P
S
Ig
0.003 0.06 0.01 0.68 0.008 0.05 0.12 0.45 0.003 0.04 0.16 0.62 0.004 0.04 0.01 1.05
膨润土种类 钠基膨润土 钙基膨润土
表 2 膨润土的化学成分/%
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO MnO TiO2 K2O Na2O Ig 59.05 18.72 6.26 0.68 1.73 0.04 0.53 1.49 1.45 9.05 60.65 17.83 5.39 1.23 2.45 0.06 0.42 1.32 1.11 7.98
我们通常所说的膨润土在铁矿球团中的粘结机理是指膨润土形成水合物，通过膨胀，分 散，然后形成粘结的薄膜把铁矿球团的粒子粘结在一起。美国作者S.K.KAWATRA和S.J.RIPKE 提出膨润土纤维结构的理论,对膨润土和球团性能提出了新的理解[5-8]。当膨润土纤维形成 后，粘结性能就大大的提高了。膨润土纤维结构的理论现在应用于铁矿球团生产中，起到良 好作用。
Al2O3
1.16 1.02 1.53 1.78
表 1 铁精矿的化学成分/%
CaO MnO MgO K2O Na2O
0.15 0.17 0.04 0.10 0.01 0.23 0.55 0.06 0.03 0.09 0.11 0.03 0.12 0.006 0.002 0.49 2.06 2.67 0.013 0.01
1. 引言：
过去几十年来，国内外已广泛采用膨润土作球团粘结剂。生产证明，膨润土是球团生产 重要组成原料。但我国球团生产中膨润土的配入量太高。我国的生产企业的膨润土平均配入 量为 1.5%-3.5%左右，与国外低于 1%的水平相比，差距明显。
有资料显示[1-4]：蒙脱石含量对未焙烧球团的各种性能都有高度显著的影响，是提高生 球爆裂温度的唯一影响因素；吸水率、蒙脱石含量、阳离子交换是生球抗压、落下和干球抗 压强度提高的显著和高度显著的影响因子。但是通过试验证明，生球质量与蒙脱石含量没有 绝对一致的规律。这主要是由于铁精矿与膨润土匹配问题，要考虑到它们表面特性的不同。
-2-
铁矿球团的行为。
互换阳离子
（有时可是铝离子）
图 1：膨润土的三元单元格。在单元格的两面都含有氧离子结构和碳氰化合物似的八面体， 它们其间还有两个四面体硅层结构镶嵌在六边的环状物中。 膨润土片晶 膨润土粒子
磁铁矿粒子
图 2：磁铁矿中的两种膨润土粘结机理。图 A 和 B 为分散机理。 S.K.KAWATRA 和 S.J.RIPKE 提出膨润土纤维结构的理论。图 3 表明：当膨润土被润湿后， 膨润土各层吸水膨胀，导致各层间的静电引力变弱；在压力、剪切力作用下，膨润土各片层 产生滑动，促使膨润土纤维结构形成。球团内部保持散状的膨润土，在足够的水分和压力、 剪切力作用下，产生了膨润土晶层滑动，促使纤维星散状结构的形成。纤维结构出现后，膨 润土的粘结效果得到明显提高，球团抗压和落下强度也得到明显的改善。
膨润土是一种高分散性物质，添加膨润土后改善了造球物料的粒度组成，使生球内毛细 管径变小，毛细力增大；另一方面膨润土吸水后呈胶体颗粒，填充在生球的颗粒之间，增加 了颗粒之间的分子粘结力，因此它可以提高生球的强度。当生球受到外力冲击，颗粒之间可 产生滑动，所以对提高生球落下强度更为明显。但是膨润土主要成分是SiO2，过多的添加膨 润土不但会降低生球的长大速度，主要还降低球团矿品位。给高炉炼铁带来很大的损失。
235.80
7.65
85.50
生球的制备是在圆盘造球机上进行的。造球机直径为￠1000mm，转速为 15-25r/min， 倾角 440-470可调。
生球破裂温度的测定采用动态介质法。干燥用的生球装在￠50×150mm 的不锈钢干燥管 内，把干燥罐放入温度恒定的炉膛上部，用叶式鼓风机向炉膛内送入室温空气，当空气透过 炉膛时与瓷球发生热交换，被加热至恒定的预先确定的温度。
提高生球破裂温度的主要原因是：其一，添加膨润土的生球，水分蒸发速度较慢，因为膨润
土晶层间含有大量的分子结合水，这种水有较大的粘滞性和较低的蒸汽压，表面汽化速度低，
而且当生球表面水分汽化后，内部的水分又可以通过毛细管扩散到生球表面层膨润土的晶层
间，因而失去干燥外壳形成比较慢，大量毛细水在表面蒸发，不易造成内部过剩的蒸汽压，
-3-
图 3 膨润土晶层的滑动。 A 中剪切力使膨润土颗粒变成 B 图中的纤维状结构。 用电子显微镜我们可以观察到：钠基膨润土中的 Na-蒙脱石图像是一连续的云雾状集 合体，钙基膨润土中的 Ca-蒙脱石为块状集合体，轮廓不规则。正是由于这个原因，钠基膨 润土的连续云雾状结构是钠基膨润土在物料中分布均匀，而钙基膨润土的块状结构使钙基膨 润土在物料中分布不均匀，影响了膨润土的性能。 钙基膨润土单位晶层底面与另一单元晶层表面距离不会大于 2.14nm,也就是说在两晶 层间虽有层间水和水化钙离子，若无外力作用，两单位晶层难以脱开，而钠膨润土可以使上 述距 离达到 10nm-20nm，直至完全脱开，分散为 0.96nm 厚度的颗粒，而粘结剂越细，而粘 结剂越细，使粘结力越大是显而易见的。结果导致：同样的膨润土加入量，钠基膨润土的颗 粒数量远远比钙基膨润土颗粒数量多，粘结强度大。单位晶层外围以氧原子组成，吸附水化 钠离子能力增大；膨润土颗粒对钠离子的结合力大于钙离子的吸引力，粘结强度增加。
膨润土用量为 1.5%，生球落下强度大于 3 次/(0.5m)。可见，采用润磨的方法促使膨润土晶 层滑动并形成纤维结构，从而降低膨润土用量和提高了生球的强度。
对铁精矿采取润磨和不润磨的干球进行显微结构鉴定（见图 6 和图 7）。表明，没有润 磨的干球内部结构比较松散，铁精矿呈零星状的较多，部分颗粒周围有一层很薄的膨润土粘
预热焙烧试验是在卧式管状电炉中进行的。管炉由炉膛直径 50mm的一个铁铬铝丝电阻 炉和硅碳管对接而成，前者作预热，后者作焙烧用。直径为 10－15mm生球首先在烘干箱中 于 1200C温度下烘干。实验时，将干球装入瓷舟中按预先的指定的试验方案进行预热焙烧。
3. 膨润土对生球性能作用机理研究
膨润土主要是含水的硅酸铝粘土，主要是由不同种类蒙脱石矿物组成。蒙脱石理想的 化学式：
4.4 润磨对预热球和成品球强度的影响
预热球强度随润磨时间的变化曲线如图 8 所示。在预热温度为 900 ℃、预热时间为 8 min 条件下，润磨明显提高了预热球的抗压强度。当润磨时间大于 6 min 时，预热球强度值增大 幅度逐渐减小，润磨时间为 6 min 时，预热球强度达到 900 N/个。
3
未润磨
2
2
1 0.5
1.0
1.5
2.0
膨润土用量/ %
1
2.5
图 5 润磨对强度的影响 巴西矿与秘鲁矿质量比为 8：2， 造球时间为 8 min
图 6 未润磨的干球显微结构 Fe2O3—浅白色 Fe2O3—浅白色
膨润土—黑色带状物
图 7 润磨后干球显微结构 Fe2O3—浅白色 Fe2O3—浅白色
膨润土—黑色点状、条状
附（黑色带状物）。而混合料进行润磨后的干球，内部结构较致密，铁矿物呈颗粒集团分布。
膨润土被包裹在颗粒集团中间，粘附效果更好。故采用了润磨的方法后，膨润土的作用得到
了较充பைடு நூலகம்的发挥。
-5-
生球落下强度/(次· (0.5m)-1)
6
6
5
润磨6 min
5
4
4
3
2. 原料性能与研究方法
本试验采用了四种不同化学成分的铁精矿：巴西矿、秘鲁矿、海南矿和广东矿。四种 铁精矿的化学成分见表 1。试验使用了钠基膨润土，钙基膨润土。其物化性能见表 2 和表 3。
* 基金项目：新世纪优秀人才支持计划项目（NCET-04-0748） -1-
矿种 TFe FeO SiO2
巴西矿 67.60 0.72 1.55 秘鲁矿 69.31 27.88 1.32 海南矿 63.19 2.32 7.05 广东矿 63.63 21.05 2.26
膨润土 种类 钠基 膨润土 钙基 膨润土
含水量 /% 7.50
13.50
吸兰量 /g/100g
表 3 膨润土粘结特性
胶质价 /%
蒙脱石含 吸水率（2
量/%
小时）/%
33.18
100.00
75.08
322.70
膨胀容 /ml/g
11.75
粒度/% （-200 目）
98.00
33.37
50.25
75.50
-4-
爆裂温度 /0C
600
1
550
500
2
450
400
18 16 14 12 10
8
1 2
