工程科学学报，第39卷，第6期：830837,2017年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.6:830-837,June 2017 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2017.06.003:http://journals.ustb.edu.cn 超微细铁精矿的粒度特性和润湿性对其成球性能的 交互影响 潘建，田宏宇区，朱德庆，杨聪聪，徐梦杰 中南大学资源加工与生物工程学院，长沙410083 ☒通信作者，E-mail:hytian@csu.cdu.cm 摘要以产自澳洲Pilbara矿区和国内东北地区的两种磁铁精矿作为研究对象，基于Washburn公式所构建的卧式薄板毛细 渗透装置，针对粒度特性研究其润湿性对成球性能的影响，并辅以成球性能、造球试验和生球性能检测等一系列的研究，探究 铁精矿超微细粒度特性和润湿性对其成球性能的交互影响.结果表明：超微细的粒度特性和润湿性对成球性能产生了较大 影响.微细的粒度特性带来的较好的润湿性对提高生球的抗压强度有利.然而，超微细粒度和较窄的粒级分布不利于生球内 形成较合理的毛细管半径，进而限制其热稳定性的提高， 关键词球团：超微细粒：润湿性：成球性能：毛细管半径 分类号TF521.1 Particle size and wettability effect of ultrafine magnetite concentrate on ballability PAN Jian,TIAN Hong-yu,ZHU De-qing,YANG Cong-cong,XU Meng jie School of Minerals Processing and Bioengineering,Central South University,Changsha 410083,China Corresponding author,E-mail:hytian@csu.edu.cn ABSTRACT Two kinds of magnetite concentrates from Pilbara in Australia and an area in the northeast in China were used to ex- plore the effect of wettability,which depends on particle size,on ballability.Capillary osmosis equipment of a horizontal plate was constructed based on the equation Washbum.To investigate the effect of particle size and wettability of ultrafine magnetite concentrates on ballability,ballability,balling test,and performance test were performed.The results suggest that ultrafine particle size and wetta- bility strongly affect ballability.Its better wettability on account of particle ultrafine size characteristic is beneficial to improve its com- pressive strength.However,a narrow ultrafine particle-size distribution will limit the improvements in ballability,because it affects the capillary radius. KEY WORDS pellet;ultrafine particle size:wettability:ballability:capillary radius 球团矿作为现代高炉炼铁的优质炉料，具有粒度 发现，造球磁铁精矿其-0.074mm粒级控制在85% 均匀、冷强度大、铁品位高和还原性好的特点，所以炉 以上且随着粒度组成的细粒级部分的增多，生球落下 料中使用球团矿的比例越来越高”.而原料特性作为 强度呈上升趋势：胡志清等田提出铁精矿的比表面积 评价球团生产的第一环节，直接决定着球团矿的加工 对其成球性有决定性影响：侯通可发现随着造球原料 与入炉治炼性能四.针对中国国情资源特点，围绕原 的平均粒径的减小和比表面积的增大，生球的长大速 料的成球性，国内已经展开了一些国内贫矿和复杂矿 率是不断升高的：罗艳红网发现不同矿物的生球爆裂 及国外优质进口矿的研究.其中，王昌安和罗廉明四 温度主要受物料比表面积、生球强度及水分影响.但 收稿日期：201607-22 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51474161)
工程科学学报，第 39 卷，第 6 期: 830--837，2017 年 6 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 39，No． 6: 830--837，June 2017 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2017． 06． 003; http: / /journals． ustb． edu． cn 超微细铁精矿的粒度特性和润湿性对其成球性能的 交互影响 潘 建，田宏宇，朱德庆，杨聪聪，徐梦杰 中南大学资源加工与生物工程学院，长沙 410083 通信作者，E-mail: hytian@ csu． edu． cn 摘 要 以产自澳洲 Pilbara 矿区和国内东北地区的两种磁铁精矿作为研究对象，基于 Washburn 公式所构建的卧式薄板毛细 渗透装置，针对粒度特性研究其润湿性对成球性能的影响，并辅以成球性能、造球试验和生球性能检测等一系列的研究，探究 铁精矿超微细粒度特性和润湿性对其成球性能的交互影响． 结果表明: 超微细的粒度特性和润湿性对成球性能产生了较大 影响． 微细的粒度特性带来的较好的润湿性对提高生球的抗压强度有利． 然而，超微细粒度和较窄的粒级分布不利于生球内 形成较合理的毛细管半径，进而限制其热稳定性的提高． 关键词 球团; 超微细粒; 润湿性; 成球性能; 毛细管半径 分类号 TF521 + . 1 Particle size and wettability effect of ultrafine magnetite concentrate on ballability PAN Jian，TIAN Hong-yu ，ZHU De-qing，YANG Cong-cong，XU Meng-jie School of Minerals Processing and Bioengineering，Central South University，Changsha 410083，China Corresponding author，E-mail: hytian@ csu． edu． cn ABSTＲACT Two kinds of magnetite concentrates from Pilbara in Australia and an area in the northeast in China were used to explore the effect of wettability，which depends on particle size，on ballability． Capillary osmosis equipment of a horizontal plate was constructed based on the equation Washburn． To investigate the effect of particle size and wettability of ultrafine magnetite concentrates on ballability，ballability，balling test，and performance test were performed． The results suggest that ultrafine particle size and wettability strongly affect ballability． Its better wettability on account of particle ultrafine size characteristic is beneficial to improve its compressive strength． However，a narrow ultrafine particle-size distribution will limit the improvements in ballability，because it affects the capillary radius． KEY WOＲDS pellet; ultrafine particle size; wettability; ballability; capillary radius 收稿日期: 2016--07--22 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51474161) 球团矿作为现代高炉炼铁的优质炉料，具有粒度 均匀、冷强度大、铁品位高和还原性好的特点，所以炉 料中使用球团矿的比例越来越高［1］． 而原料特性作为 评价球团生产的第一环节，直接决定着球团矿的加工 与入炉冶炼性能［2］． 针对中国国情资源特点，围绕原 料的成球性，国内已经展开了一些国内贫矿和复杂矿 及国外优质进口矿的研究． 其中，王昌安和罗廉明［3］ 发现，造球磁铁精矿其 － 0. 074 mm 粒级控制在 85% 以上且随着粒度组成的细粒级部分的增多，生球落下 强度呈上升趋势; 胡志清等［4］提出铁精矿的比表面积 对其成球性有决定性影响; 侯通［5］发现随着造球原料 的平均粒径的减小和比表面积的增大，生球的长大速 率是不断升高的; 罗艳红［6］发现不同矿物的生球爆裂 温度主要受物料比表面积、生球强度及水分影响． 但
潘建等：超微细铁精矿的粒度特性和润湿性对其成球性能的交互影响 831 是随着钢铁企业对进口磁铁矿的需求增大，一部分具 粒级磁铁精粉为实验组，以国内比较典型的东北磁铁 有超微细粒度特点的原料进口到国内切.较粒级而 精矿为对照组，针对其超微细粒的粒度特性，研究粒度 言，国内磁铁精矿大多都要经过磨矿预处理，以达到球 特性和润湿性对其成球性能的交互影响，进而为超微 团的基本要求(-0.074mm大于85%)，且在公开发 细粒磁铁精粉合理利用于球团生产提供理论指导. 表过的文献记载中，山西磁铁精粉为国内发现粒级最 细的(-0.043mm大于86%)图，而西澳磁铁精粉却 1试验原料和研究方法 达到了-0.025mm大于90%的超微细粒级.前期针 1.1试验原料 对西澳超细磁铁精粉的氧化、焙烧固结行为进行了研 试验所用的磁铁矿精粉有2种：一种产自西澳 究回，但未对该磁铁精粉的成球行为进行细致研究 Pilbara矿区(A),另一种产自国内东北地区(B).造球 实际上其特殊的原料特性对成球性能造成了很大的影 试验所用膨润土产自印度.原料的化学成分分析见表 响，且已经不能套用国内磁铁精矿较成熟的评价体系. 1,膨润土的各项指标见表2. 因此，本研究以产自西澳Pilbara矿区比较典型的超细 由表1和图1知，磁铁精矿A和B的铁品位都达 表1两种磁铁铁精矿和试验所用膨润土的化学成分分析结果（质量分数） Table 1 Chemical analysis of the magnetite concentrate and bentonite used in testing % 原料种类 TFe FeO SiOz Al2O CaO Mgo P 烧损 A 66.83 28.96 5.25 0.32 0.16 0.30 0.010 0.020 3.19 B 65.12 27.67 3.61 1.42 0.98 1.49 0.190 0.021 2.80 膨润土 12.39 0.22 43.30 15.51 2.03 2.06 0.036 0.045 12.10 表2试验用膨润土的物理性能 Table 2 Physical properties of bentonite 蒙脱石质量分数/% 胶质价/% 吸兰量/g 吸水率(2h)/% 膨胀倍数/(mL·gl)粒度(<0.074mm)1% 88.39 100 39.85 567 伊 98 到了66%左右，且主要矿物为磁铁矿.而精矿A的主 由表2可知，试验所用膨润土主要成分为Si02和 要脉石成分Si02含量高于精矿B,达到了5.25%，但整 Al,O,主要以蒙脱石的形式存在：有害杂质元素P、S 体酸性脉石含量相当，并且P、S等杂质元素比精矿B 含量少，粒度小于0.074mm达98%，2h吸水率高达 含量低 567%,其各项物理性能优良，属于优质膨润土m 2500a M一磁铁矿 1600() Q一石英 M一磁铁矿 2000 P一方镁石 1400 MA镁铁尖品石 81500 1200 1000 100 800 500 600 400 20 40 50 60 20 30 40 0 20) 20 图1精矿A(a)、B(b)的X射线衍射图 Fig.I X-tay diffraction patterns of magnetite concentrates A (a)and B (b) 1.2研究方法 在振筛机上干筛15min,称出各粒级的质量，计算各粒 1.2.1铁精粉的粒度测定 级的百分含量. 本试验含铁原料的粒度分析采用干法和湿法相结 1.2.2铁精粉的润湿性测定 合的测定方法.取试样200g,先用325目的筛子进行 磁铁精粉自身润湿特性影响整个成球流程.由于 湿筛，筛下物烘干称量后用500目的筛子继续湿筛、干 其超微细的粒度特点，前人在研究磁铁精矿润湿性时 燥、称量.筛上物烘干称重后，再用200、80目的套筛， 采用的竖式毛细渗透法并不适合处理此种原料00
潘 建等: 超微细铁精矿的粒度特性和润湿性对其成球性能的交互影响 是随着钢铁企业对进口磁铁矿的需求增大，一部分具 有超微细粒度特点的原料进口到国内［7］． 较粒级而 言，国内磁铁精矿大多都要经过磨矿预处理，以达到球 团的基本要求( － 0. 074 mm 大于 85% ) ，且在公开发 表过的文献记载中，山西磁铁精粉为国内发现粒级最 细的( － 0. 043 mm 大于 86% ) ［8］，而西澳磁铁精粉却 达到了 － 0. 025 mm 大于 90% 的超微细粒级． 前期针 对西澳超细磁铁精粉的氧化、焙烧固结行为进行了研 究［9］，但未对该磁铁精粉的成球行为进行细致研究． 实际上其特殊的原料特性对成球性能造成了很大的影 响，且已经不能套用国内磁铁精矿较成熟的评价体系． 因此，本研究以产自西澳 Pilbara 矿区比较典型的超细 粒级磁铁精粉为实验组，以国内比较典型的东北磁铁 精矿为对照组，针对其超微细粒的粒度特性，研究粒度 特性和润湿性对其成球性能的交互影响，进而为超微 细粒磁铁精粉合理利用于球团生产提供理论指导． 1 试验原料和研究方法 1. 1 试验原料 试验所用的 磁 铁 矿 精 粉 有 2 种: 一 种 产 自 西 澳 Pilbara 矿区( A) ，另一种产自国内东北地区( B) ． 造球 试验所用膨润土产自印度． 原料的化学成分分析见表 1，膨润土的各项指标见表 2． 由 表1 和 图1 知，磁 铁 精 矿A和B的 铁 品 位 都 达 表 1 两种磁铁铁精矿和试验所用膨润土的化学成分分析结果( 质量分数) Table 1 Chemical analysis of the magnetite concentrate and bentonite used in testing % 原料种类 TFe FeO SiO2 Al2O3 CaO MgO S P 烧损 A 66. 83 28. 96 5. 25 0. 32 0. 16 0. 30 0. 010 0. 020 !3. 19 B 65. 12 27. 67 3. 61 1. 42 0. 98 1. 49 0. 190 0. 021 !2. 80 膨润土 12. 39 0. 22 43. 30 15. 51 2. 03 2. 06 0. 036 0. 045 12. 10 表 2 试验用膨润土的物理性能 Table 2 Physical properties of bentonite 蒙脱石质量分数/% 胶质价/% 吸兰量/g 吸水率( 2 h) /% 膨胀倍数/( mL·g － 1 ) 粒度( ＜ 0. 074 mm) /% 88. 39 100 39. 85 567 18 98 到了 66% 左右，且主要矿物为磁铁矿． 而精矿 A 的主 要脉石成分 SiO2含量高于精矿 B，达到了 5. 25% ，但整 体酸性脉石含量相当，并且 P、S 等杂质元素比精矿 B 含量低． 由表 2 可知，试验所用膨润土主要成分为 SiO2和 Al2O3，主要以蒙脱石的形式存在; 有害杂质元素 P、S 含量少，粒度小于 0. 074 mm 达 98% ，2 h 吸水率高达 567% ，其各项物理性能优良，属于优质膨润土［1］． 图 1 精矿 A( a) 、B( b) 的 X 射线衍射图 Fig． 1 X-ray diffraction patterns of magnetite concentrates A ( a) and B ( b) 1. 2 研究方法 1. 2. 1 铁精粉的粒度测定 本试验含铁原料的粒度分析采用干法和湿法相结 合的测定方法． 取试样 200 g，先用 325 目的筛子进行 湿筛，筛下物烘干称量后用 500 目的筛子继续湿筛、干 燥、称量． 筛上物烘干称重后，再用 200、80 目的套筛， 在振筛机上干筛 15 min，称出各粒级的质量，计算各粒 级的百分含量． 1. 2. 2 铁精粉的润湿性测定 磁铁精粉自身润湿特性影响整个成球流程． 由于 其超微细的粒度特点，前人在研究磁铁精矿润湿性时 采用的竖式毛细渗透法并不适合处理此种原料［10--11］． · 138 ·
·832· 工程科学学报，第39卷，第6期 磁铁精粉A粒度细，粒级范围小，容易在竖式料柱中 润湿性越好.正庚烷的表面张力很低，可以在粉体表 塌陷，通过多次测量同样高度的料柱，其物料质量差异 面完全铺展，即日=0，可以作为参照探针溶液，通过式 较大，且随着毛细水的增多，上下层的物料堆密度不同 (2)可以计算得到粉末间毛细管有效半径R然后再 会对毛细水的迁移过程和速率造成不可预期的影响. 用水与正庚烷对比便可准确得到铁精矿在水中的绝对 且每种磁铁精矿的粒度差异较大，不能忽略其重力因 接触角： 素的影响2-围.针对粒级对其成球性影响较大的原 料，本研究自制卧式薄板毛细渗透法，可根据接触角表 8=arccos kYon (3) koYiTo 征润湿性. 式中：k。k,分别为正庚烷和水计算所得斜率；y。y,分 本试验装置简易图见图2.首先选择一块25mm× 别为正庚烷和水的表面张力，m·mm2:。,分别为 35mm的透明玻璃作为试验台基，通过四角螺丝调节 正庚烷和水的液体黏度，mPa·s 水平.用一长方体玻璃料盒作为浸润液容器，一端盒 1.2.3铁精粉的成球性表征 高略低，上覆盖脱脂棉用于液体传递介质，两玻璃片和 在造球试验之前，探究超微细铁精粉粒度特性对 螺丝分别用于密封和固定.在其右侧固定一玻璃罩， 成球性能的影响，结合原料粒度组成和扫描电镜下其 上标记刻度，内有薄片支架用于支撑载玻片，使其与玻 微观颗粒形貌特征，主要考察其静态成球性和动态成 璃盒缺口处相接触.根据矿样密度和载玻片大小确定 球性 2mm料层高度时矿样质量，在烧杯中加水充分搅拌， 实验采用静态成球性指数K经验公式计算四： 并倒入另一个底部完全覆盖载玻片的器皿中，使其自 W 然沉降，可相同条件下同时制3~5个样，待放入烘箱 K=W。-W (4) 中干燥后，取出载玻片备用. 式中：K为静态成球性指数：W为最大分子水质量分 固定螺钉 数；W为最大毛细水质量分数. 玻璃片 接触口 分子水和毛细水的测量方法见文献[6]，测量最 大毛细水同时测毛细水迁移速率 脱脂棉 试验采用批量造球的方法研究铁精矿动态成球 截玻片 性，造球物料调节最优水分后，造球试验过程不添加 水，使物料在圆盘内自己滚动成球.测量不同时间取 出生球的粒度，用套筛分类，通过算术平均值法算出生 带刻度的玻璃罩 薄片支架 球平均直径D.考察物料的自动成母球的能力和生球 长大能力 水平调节螺钉透明水平台基品 D=∑Pd (5) 图2磁铁精矿接触角测定装置 式中：P为生球中某一粒级区间的百分含量；d,为生 Fig.2 Setup for measuring the magnetite concentrate contact angle 球中某一粒级区间的平均直径，mm. 本润湿性研究方法基于Washburn公式： 1.2.4生球制备与生球性能检测 x2=R'y.cos0t 造球试验：称取3kg磁铁精矿（以干重计），配入 21 (1) 定量膨润土和水分，在料盘中混匀，然后在造球机内造 式中：x为液体前端渗透的距离，mm;t为液体前端渗 球I5min,紧密2min,过程中配加定量水分完成造球过 透的时间，s;R为粉末孔隙间的毛细管有效半径，mm; 程.取直径10~12mm的生球，测其落下强度、抗压强 y为液体的表面张力，mJ·mm2;7为探针液体的黏 度、爆裂温度，其中，落下强度以20个合格生球从0.5 度，mPas. m高度重复落下至出现裂纹的次数的平均值来表征， 同时，Washburn方程可以描述为： 抗压强度、爆裂温度的检测方法参见文献6] k=￡=Rycos0 实验设备：(1)生球性能测定设备.KQ-2型生 (2) 2n 球抗压强度测定仪，生球爆裂温度测定仪器为650 由于液体的表面张力和液体黏度受温度和液体种 mm×970mm的竖式管炉，风压为14700Pa、风量为 类影响较大，所以本试验都以20±1℃的室温为基准， 1.05m·min.(2)圆盘造球机.直径1000mm,边高 而测量用水取自经处理的超纯水.通过测量不同时间 150mm,转速28r·min-,圆盘倾角为47° :下液体前端前进的距离x来测定铁精矿与水的接触 原料真密度的测量方法见文献5]，而生球的孔 角，得出斜率k.对于亲水性粉体，接触角日越小，亲水 隙率和毛细管半径检测方法如下：
工程科学学报，第 39 卷，第 6 期 磁铁精粉 A 粒度细，粒级范围小，容易在竖式料柱中 塌陷，通过多次测量同样高度的料柱，其物料质量差异 较大，且随着毛细水的增多，上下层的物料堆密度不同 会对毛细水的迁移过程和速率造成不可预期的影响． 且每种磁铁精矿的粒度差异较大，不能忽略其重力因 素的影响［12--13］． 针对粒级对其成球性影响较大的原 料，本研究自制卧式薄板毛细渗透法，可根据接触角表 征润湿性． 本试验装置简易图见图 2． 首先选择一块 25 mm × 35 mm 的透明玻璃作为试验台基，通过四角螺丝调节 水平． 用一长方体玻璃料盒作为浸润液容器，一端盒 高略低，上覆盖脱脂棉用于液体传递介质，两玻璃片和 螺丝分别用于密封和固定． 在其右侧固定一玻璃罩， 上标记刻度，内有薄片支架用于支撑载玻片，使其与玻 璃盒缺口处相接触． 根据矿样密度和载玻片大小确定 2 mm 料层高度时矿样质量，在烧杯中加水充分搅拌， 并倒入另一个底部完全覆盖载玻片的器皿中，使其自 然沉降，可相同条件下同时制 3 ～ 5 个样，待放入烘箱 中干燥后，取出载玻片备用． 图 2 磁铁精矿接触角测定装置 Fig． 2 Setup for measuring the magnetite concentrate contact angle 本润湿性研究方法基于 Washburn［14］公式: x 2 = Ｒ·γ·cosθ·t 2η ． ( 1) 式中: x 为液体前端渗透的距离，mm; t 为液体前端渗 透的时间，s; Ｒ 为粉末孔隙间的毛细管有效半径，mm; γ 为液体的表面张力，mJ·mm － 2 ; η 为探针液体的黏 度，mPa·s． 同时，Washburn 方程可以描述为: k = x 2 t = Ｒ·γ·cosθ 2η ． ( 2) 由于液体的表面张力和液体黏度受温度和液体种 类影响较大，所以本试验都以 20 ± 1 ℃ 的室温为基准， 而测量用水取自经处理的超纯水． 通过测量不同时间 t 下液体前端前进的距离 x 来测定铁精矿与水的接触 角，得出斜率 k． 对于亲水性粉体，接触角 θ 越小，亲水 润湿性越好． 正庚烷的表面张力很低，可以在粉体表 面完全铺展，即 θ = 0，可以作为参照探针溶液，通过式 ( 2) 可以计算得到粉末间毛细管有效半径 Ｒ． 然后再 用水与正庚烷对比便可准确得到铁精矿在水中的绝对 接触角: θ ( = arccos k1γ0η1 k0γ1η ) 0 ． ( 3) 式中: k0、k1分别为正庚烷和水计算所得斜率; γ0、γ1分 别为正庚烷和水的表面张力，mJ·mm － 2 ; η0、η1分别为 正庚烷和水的液体黏度，mPa·s． 1. 2. 3 铁精粉的成球性表征 在造球试验之前，探究超微细铁精粉粒度特性对 成球性能的影响，结合原料粒度组成和扫描电镜下其 微观颗粒形貌特征，主要考察其静态成球性和动态成 球性． 实验采用静态成球性指数 K 经验公式计算［1］: Kp = Wm Wc － Wm ． ( 4) 式中: Kp为静态成球性指数; Wm为最大分子水质量分 数; Wc为最大毛细水质量分数 . 分子水和毛细水的测量方法见文献［6］，测量最 大毛细水同时测毛细水迁移速率． 试验采用批量造球的方法研究铁精矿动态成球 性，造球物料调节最优水分后，造球试验过程不添加 水，使物料在圆盘内自己滚动成球． 测量不同时间取 出生球的粒度，用套筛分类，通过算术平均值法算出生 球平均直径 D． 考察物料的自动成母球的能力和生球 长大能力． D = ∑ Pidi ． ( 5) 式中: Pi 为生球中某一粒级区间的百分含量; di 为生 球中某一粒级区间的平均直径，mm． 1. 2. 4 生球制备与生球性能检测 造球试验: 称取 3 kg 磁铁精矿( 以干重计) ，配入 定量膨润土和水分，在料盘中混匀，然后在造球机内造 球 15 min，紧密2 min，过程中配加定量水分完成造球过 程． 取直径 10 ～ 12 mm 的生球，测其落下强度、抗压强 度、爆裂温度，其中，落下强度以 20 个合格生球从 0. 5 m 高度重复落下至出现裂纹的次数的平均值来表征， 抗压强度、爆裂温度的检测方法参见文献［6］． 实验设备: ( 1) 生球性能测定设备． KQ--2 型生 球抗压强度测定仪，生球爆裂温度测定仪器为 650 mm × 970 mm 的 竖 式 管 炉，风 压 为 14700 Pa、风 量 为 1. 05 m3 ·min － 1 ． ( 2) 圆盘造球机． 直径 1000 mm，边高 150 mm，转速 28 r·min － 1，圆盘倾角为 47°． 原料真密度的测量方法见文献［15］，而生球的孔 隙率和毛细管半径检测方法如下［1，15］: · 238 ·
潘建等：超微细铁精矿的粒度特性和润湿性对其成球性能的交互影响 833 s-0-Px100, 比表面积，cm2g. (6) P 28 2实验结果及分析 r= Sp (1-e) (7) 2.1粒度特性 式中：e为生球孔隙率：p,为原料真密度，g“cm3p为 将测定后铁精矿的粒度组成和比表面积列于表 生球实际密度，gcm3;r为生球毛细管半径，mm:S为 3,其累积粒度分布如图3所示 表3两种磁铁精矿的粒度组成及比表面积 Table 3 Size distribution and specific area of magnetite concentrates 粒度组成/% 比表面积/ 原料种类 +0.180mm 0.074-0.180mm0.043-0.074mm0.025-0.043mm -0.025mm (cm2.g-1) A 0.00 0.06 0.54 2.61 96.79 2254 B 0.61 14.19 25.15 26.94 33.11 1138 2.2润湿性 100 水分对铁精矿颗粒的润湿对铁精粉成球的成核阶 段具有决定作用，也严重影响球核长大阶段.按照上 80 述测定方法测定两种粒度组成截然不同的铁精粉的润 70 湿性，将试验所测时间【和液体前端前进距离x的结 果进行绘图分析，得出x2-1的回归线性关系，如图4 50 % 所示. 名 已知正庚烷(20℃)Y。=2.01×10-5m·mm2,no 20 =0.00409mPa·s;水(20℃)y1=7.28×105m· 0.020.040.060.080.100.120.140.160.180.20 粒级/mm mm2,n,=0.010mPa·s.结合Washburn方程和式 (3),导出两种磁铁精粉的相对润湿接触角，并与测定 图3铁精矿的累积粒度分布 的最大分子水和最大毛细水列于表4. Fig.3 Cumulative particle-size distributions of iron ore concentrate 由图4和表4知，精矿A、B的接触角数值均落在 由表3和图3知，精矿A粒级在-0.074mm含量 Iveson等a对铁矿粉接触角测定的30°~70°区间范 为99.4%，而-0.025mm含量则达到96.79%，比表面 围之内，但精矿A接触角较B更小，说明水对不同铁 积高达2254cm2·g,相比典型磁铁精矿B粒度差异 精矿物料的润湿性差异较大，而精矿A更易与水亲 明显，精矿A具有粒度超微细且粒度分布区间窄的粒 和，具有更好的水润湿特性.黄小波等叨研究发现， 度特性. 铁精矿粉表面性质对接触角影响较大，且粒径均匀有 35 45 (a b 水 0 40 25 。正庚烷 35 正庚烷 -6.I97x 30 7.295x 20 25 1=5.141x 水 20叶 9 15 -5.809r 10 10 3 2 时间/min 时间/min 图4精矿A(a)和B(b)在水和正庚烷渗透时间与距离平方的线性回归 Fig.4 Linear regression of penetration time and distant square of water and n-heptane in magnetite concentrate A (a)and B (b)
潘 建等: 超微细铁精矿的粒度特性和润湿性对其成球性能的交互影响 ε = ρt － ρ ρt × 100， ( 6) r = 2ε Sρt ( 1 － ε) ． ( 7) 式中: ε 为生球孔隙率; ρt为原料真密度，g·cm － 3 ; ρ 为 生球实际密度，g·cm － 3 ; r 为生球毛细管半径，mm; S 为 比表面积，cm2 ·g － 1 ． 2 实验结果及分析 2. 1 粒度特性 将测定后铁精矿的粒度组成和比表面积列于表 3，其累积粒度分布如图 3 所示． 表 3 两种磁铁精矿的粒度组成及比表面积 Table 3 Size distribution and specific area of magnetite concentrates 原料种类 粒度组成/% + 0. 180 mm 0. 074 ～ 0. 180 mm 0. 043 ～ 0. 074 mm 0. 025 ～ 0. 043 mm － 0. 025 mm 比表面积/ ( cm2 ·g － 1 ) A 0. 00 0. 06 0. 54 2. 61 96. 79 2254 B 0. 61 14. 19 25. 15 26. 94 33. 11 1138 图 3 铁精矿的累积粒度分布 Fig． 3 Cumulative particle-size distributions of iron ore concentrate 图 4 精矿 A( a) 和 B( b) 在水和正庚烷渗透时间与距离平方的线性回归 Fig． 4 Linear regression of penetration time and distant square of water and n-heptane in magnetite concentrate A ( a) and B ( b) 由表 3 和图 3 知，精矿 A 粒级在 － 0. 074 mm 含量 为 99. 4% ，而 － 0. 025 mm 含量则达到 96. 79% ，比表面 积高达 2254 cm2 ·g － 1，相比典型磁铁精矿 B 粒度差异 明显，精矿 A 具有粒度超微细且粒度分布区间窄的粒 度特性． 2. 2 润湿性 水分对铁精矿颗粒的润湿对铁精粉成球的成核阶 段具有决定作用，也严重影响球核长大阶段． 按照上 述测定方法测定两种粒度组成截然不同的铁精粉的润 湿性，将试验所测时间 t 和液体前端前进距离 x 的结 果进行绘图分析，得出 x 2 --t 的回归线性关系，如图 4 所示． 已知正庚烷( 20 ℃ ) γ0 = 2. 01 × 10 － 5 mJ·mm － 2，η0 = 0. 00409 mPa·s; 水 ( 20 ℃ ) γ1 = 7. 28 × 10 － 5 mJ· mm － 2，η1 = 0. 010 mPa·s． 结合 Washburn 方 程 和 式 ( 3) ，导出两种磁铁精粉的相对润湿接触角，并与测定 的最大分子水和最大毛细水列于表 4． 由图 4 和表 4 知，精矿 A、B 的接触角数值均落在 Iveson 等［16］对铁矿粉接触角测定的 30° ～ 70° 区间范 围之内，但精矿 A 接触角较 B 更小，说明水对不同铁 精矿物料的润湿性差异较大，而精矿 A 更易与水亲 和，具有更好的水润湿特性． 黄小波等［17］ 研究发现， 铁精矿粉表面性质对接触角影响较大，且粒径均匀有 · 338 ·
·834 工程科学学报，第39卷，第6期 表4精矿A和精矿B润湿特性 2.3成球性能 Table 4 Wetting behavior of magnetite concentrates A and B 通常可以通过静态成球性、动态成球性来比较铁 接触角 最大分子水质量 最大毛细水质量分数， 精矿 精矿的成球性差异，并以生球性能来验证此差异.将 8/() 分数，W/% W.1% 表5测定结果带入式(4)，得出两种磁铁精矿的静态 A 35.5 3.54 18.48 成球性指数为别为K。A=0.24、K。B=0.27.其动态成 B 57.5 2.81 13.08 球性见图5. 由于静态成球性与铁精矿本身天然特性有较紧密 利于减小其接触角.精矿A较小的接触角也说明微细 关系0，K值实质上是细磨物料群表面所吸附的最大 粒度和较窄的粒度区间特性会使其在具有较高比表面 分子水与毛细管中所能保存最大水量之比.由静态成 积的同时，亲水性更强，颗粒与水分子之间具有更大的 球性指数知，两者均属于成球性较差的物料，且精矿A 范德华力和毛细力，有助于后续成球过程中生球颗粒 的K值较小，说明在超微细铁精矿的粒度特性及润湿 间黏结力的发展和生球的长大. 性影响下，其所持有的较多毛细水并不利于提高其静 在考虑矿粉亲水性能的同时，还考察了其颗粒的 态成球性.在实际造球中，成球属于动态过程，且要添 水分持有能力.通过表4可以看出，精矿A的最大分 加黏结剂来改变物料的比表面积及亲水性，粒度大小 子水和毛细水较精矿B要高，在滚动成球过程中，生 和组成的影响在实际造球中会更大，所以，静态成球指 球在机械力的作用下，其内部毛细水和一部分分子水 数仅是用于判断铁精矿成球性能的一项参考指标. 分别会在相互接触的矿粒水薄膜之间和颗粒间形成的 毛细管中迁移，说明超微细粒度特性使颗粒之间可以 持有更多的水，其对成球性亦会产生较大影响. 由于本实验测量接触角所用的卧式薄板毛细渗透 法，忽略了测量中重力的影响，因此每次如何保持样品 中的毛细管的分布，使其浸润液在矿样中迁移速率尽 量一致对实验的重现性影响很大，所以现就该方法采 用的矿样均匀沉降装料的实验重现性作进一步验证. 将一、二号实验操作人员在相同条件下分别进行测量 精矿A的接触角的重复实验结果列于表5 810121416 表5精矿A接触角重复实验结果 时间/min Table 5 Repeated experimental results of magnetite concentrate A 图5生球平均粒度与成球时间的关系 i a:/(） 821() Fig.5 Relationship of ball milling time and average size of ball 1 35.1 34.9 由动态成球性结果（图5）可见，精矿B的生球平 2 33.9 36.7 均粒径随成球时间延长而上升，精矿A则随着时间推 34.3 35.5 移其生球平均粒度存在峰值区间，呈现出先增大后减 4 34.6 35.8 小的现象.且造球过程观察到精矿A本已形成的生球 36.9 36.0 较精矿B的生球更易发生破损和散开，造成生球数量 6 35.7 34.4 和粒度的变化.精矿A具有较大的分子水和毛细水、 35.0 36.8 较好的亲水性，破碎和散开的矿粉颗粒一部分黏在他 8 36.1 34.8 们生球上，还有一部分更易成为新的“母球”，黏附他 们细小颗粒成为新的生球，但是这部分生球强度会更 平均值0：=35.2,02=35.6：标准差0=0.99， 差.所以，对于超微细粒磁铁精粉，较好的亲水性也决 02x=0.88:自由度==8-1=7. 定了在实际造球过程中，要严格控制母球数量，及时清 计算方差检验统计量F= si_0.992 出破损和散开的不规则颗粒，以免对生球强度产生较 =1.27 s0.882 大影响. 采用双侧检验，取a=0.05,查F分布表，可知 由此表明，精矿B具有比精矿A更好的动态成球 Fas.0.7)=3.79,Fas.0.)=1/Fas.0.7)=1/3.79= 性能，这与所测静态成球性的规律相一致.但显然两 0.26,Fa5..》<F<Fas.o.:从统计学角度看，两个 种铁精矿的动态成球性比静态成球性差异对比更明 实验者的实验结果的精密度无显著性差别，即在95% 显，精矿B在其实际造球过程中，生球的紧密行为较 置信水平，本试验方法具有重现性. 精矿A相比，更不易造成破损，说明粒度特性的影响
工程科学学报，第 39 卷，第 6 期 表 4 精矿 A 和精矿 B 润湿特性 Table 4 Wetting behavior of magnetite concentrates A and B 精矿 接触角， θ /( °) 最大分子水质量 分数，Wm /% 最大毛细水质量分数， Wc /% A 35. 5 3. 54 18. 48 B 57. 5 2. 81 13. 08 利于减小其接触角． 精矿 A 较小的接触角也说明微细 粒度和较窄的粒度区间特性会使其在具有较高比表面 积的同时，亲水性更强，颗粒与水分子之间具有更大的 范德华力和毛细力，有助于后续成球过程中生球颗粒 间黏结力的发展和生球的长大． 在考虑矿粉亲水性能的同时，还考察了其颗粒的 水分持有能力． 通过表 4 可以看出，精矿 A 的最大分 子水和毛细水较精矿 B 要高，在滚动成球过程中，生 球在机械力的作用下，其内部毛细水和一部分分子水 分别会在相互接触的矿粒水薄膜之间和颗粒间形成的 毛细管中迁移，说明超微细粒度特性使颗粒之间可以 持有更多的水，其对成球性亦会产生较大影响． 由于本实验测量接触角所用的卧式薄板毛细渗透 法，忽略了测量中重力的影响，因此每次如何保持样品 中的毛细管的分布，使其浸润液在矿样中迁移速率尽 量一致对实验的重现性影响很大，所以现就该方法采 用的矿样均匀沉降装料的实验重现性作进一步验证． 将一、二号实验操作人员在相同条件下分别进行测量 精矿 A 的接触角的重复实验结果列于表 5． 表 5 精矿 A 接触角重复实验结果 Table 5 Ｒepeated experimental results of magnetite concentrate A i θ1i /( °) θ2i /( °) 1 35. 1 34. 9 2 33. 9 36. 7 3 34. 3 35. 5 4 34. 6 35. 8 5 36. 9 36. 0 6 35. 7 34. 4 7 35. 0 36. 8 8 36. 1 34. 8 平均值 θ1i = 35. 2，θ2i = 35. 6; 标准差 σ1i = 0. 99， σ2i = 0. 88; 自由度 v1i = v2i = 8 － 1 = 7． 计算方差检验统计量 F = s 2 1i s 2 2i = 0. 992 0. 882 = 1. 27． 采用双 侧 检 验，取 α = 0. 05，查 F 分 布 表，可 知 F0. 025，( 7，7) = 3. 79，F0. 975，( 7，7) = 1 /F0. 025，( 7，7) = 1 /3. 79 = 0. 26，F0. 975，( 7，7) ＜ F ＜ F0. 025，( 7，7) ． 从统计学角度看，两个 实验者的实验结果的精密度无显著性差别，即在 95% 置信水平，本试验方法具有重现性． 2. 3 成球性能 通常可以通过静态成球性、动态成球性来比较铁 精矿的成球性差异，并以生球性能来验证此差异． 将 表 5 测定结果带入式( 4) ，得出两种磁铁精矿的静态 成球性指数为别为 Kp，A = 0. 24、Kp，B = 0. 27． 其动态成 球性见图 5． 由于静态成球性与铁精矿本身天然特性有较紧密 关系［1］，Kp值实质上是细磨物料群表面所吸附的最大 分子水与毛细管中所能保存最大水量之比． 由静态成 球性指数知，两者均属于成球性较差的物料，且精矿 A 的 Kp值较小，说明在超微细铁精矿的粒度特性及润湿 性影响下，其所持有的较多毛细水并不利于提高其静 态成球性． 在实际造球中，成球属于动态过程，且要添 加黏结剂来改变物料的比表面积及亲水性，粒度大小 和组成的影响在实际造球中会更大，所以，静态成球指 数仅是用于判断铁精矿成球性能的一项参考指标． 图 5 生球平均粒度与成球时间的关系 Fig． 5 Ｒelationship of ball milling time and average size of ball 由动态成球性结果( 图 5) 可见，精矿 B 的生球平 均粒径随成球时间延长而上升，精矿 A 则随着时间推 移其生球平均粒度存在峰值区间，呈现出先增大后减 小的现象． 且造球过程观察到精矿 A 本已形成的生球 较精矿 B 的生球更易发生破损和散开，造成生球数量 和粒度的变化． 精矿 A 具有较大的分子水和毛细水、 较好的亲水性，破碎和散开的矿粉颗粒一部分黏在他 们生球上，还有一部分更易成为新的 “母球”，黏附他 们细小颗粒成为新的生球，但是这部分生球强度会更 差． 所以，对于超微细粒磁铁精粉，较好的亲水性也决 定了在实际造球过程中，要严格控制母球数量，及时清 出破损和散开的不规则颗粒，以免对生球强度产生较 大影响． 由此表明，精矿 B 具有比精矿 A 更好的动态成球 性能，这与所测静态成球性的规律相一致． 但显然两 种铁精矿的动态成球性比静态成球性差异对比更明 显，精矿 B 在其实际造球过程中，生球的紧密行为较 精矿 A 相比，更不易造成破损，说明粒度特性的影响 · 438 ·
潘建等：超微细铁精矿的粒度特性和润湿性对其成球性能的交互影响 835· 对超微细铁精粉的成球性起重要作用. 的抗压强度有利. 通过静、动态成球性两个指标来看，超微细粒度特 2.4粒度特性与润湿性对成球性能的交互影响 性所带来的较高的比表面积和较好的润湿性，其成球 磁铁精矿由于其超微细粒度特性，比表面积高，表 效果并不好，所以进一步通过添加黏结剂进行造球试 面能大，对提高其润湿性有利，且影响成球过程中生球 验来确认评价其生球性能 内毛细管的形成.通过检测可知，两种磁铁精矿的毛 表6为内配1.5%膨润土条件下的澳洲微细磁铁 细水迁移速率分别为V.=5.43 mm*min、V=6.00 精粉A和国内东北磁铁精矿B的生球性能. mm'min,精矿A的毛细水迁移速率偏低于精矿B. 表6物料A与B造球得到的生球性能 且结合上文其润湿性的试验结果分析，说明对于超微 Table 6 Performance of the green balls pelletized with sample A and B 细粒度的精粉，虽然较好的亲水性对提高水对粉体浸 水的质量 抗压强度/ 爆裂温度/ 润有利，但是毛细水、分子水超过一定限度时，会使颗 样品 落下强度” 分数/% ℃ 粒增加水分持有能力的同时对毛细水在颗粒间的迁移 精矿A 9.00 3.2 15.23 472 不利.所以对于超细粒级的磁铁精粉，毛细水迁移速 精矿B 9.00 4.6 11.28 >600 率受其粒度特性、最大分子水、最大毛细水和润湿性共 注：*为破碎前的落下次数 同影响. 由两种不同粒度特性磁铁精矿的生球性能（表6） 通过分析原矿A的基本粒级组成（表3）和微观颗 对比发现，精矿A抗压强度略高，而落下强度低于精 粒形貌（图6），发现其颗粒表面光滑致密，部分颗粒显 矿B,生球爆裂温度也明显低于精矿B.因此，粒度更 示出磁铁矿本身立方晶型的结构，粒度大小在0.01~ 细，比表面积越高，润湿性更好不一定对生球的综合性 0.02mm之间，说明了澳洲磁铁矿晶粒微细的特征. 能最好，铁精粉也不一定具有更好的成球性能. 结合与精矿B成球过程和生球性能的对比研究，肯 另从表6中生球各项指标对比也表明，超微细的 定了粗粒级在成球过程中的积极因素.说明超微细 粒度特性、较高的比表面积和较好的润湿性对提高颗 粒度和较窄的粒级组成，会成为提高成球性能的制 粒间的毛细力，提高生球抵抗低速形变能力，增加生球 约因素 图6微观形貌特征.(a)精矿A:(b)精矿B Fig.6 Microscopic morphological characteristics of magnetite concentrates:(a)A:(b)B 表7为两种磁铁精粉原料和生球有关粒度特性的 球孔隙率较精矿B高，结合其粒度特性，说明了较合 相关物理性质试验结果. 理的粒度组成有利于形成更加致密的生球，同时，微细 表7精矿A和精矿B的物理性质 粒度特性对提高颗粒间的黏结强度及生球致密性和抵 Table 7 Physical properties of A and B 抗高速冲击形变能力（落下强度）不利. 颗粒真密度/比表面积/ 生球孔隙生球毛细管 对于磁铁精矿球团的热稳定性，学者一般通过研 试样 (g.cm-3) (cm2…gl） 率1% 半径/10-3mm 究生球的爆裂温度，来直观反映生球内的孔隙率和颗 A 4.4547 2254 29.7 0.841 粒间的黏结强度⑧9.本研究通过对两种磁铁精矿的 B 4.6634 1138 27.7 1.446 基本物理性能检测发现，超微细粒磁铁精矿生球较高 的孔隙率，本应使生球内水蒸气更容易扩散到生球外， 结合生球性能和表7物理特性的对比，精矿A生 但是爆裂温度却较低（见表6）.说明孔隙率对于超微
潘 建等: 超微细铁精矿的粒度特性和润湿性对其成球性能的交互影响 对超微细铁精粉的成球性起重要作用． 通过静、动态成球性两个指标来看，超微细粒度特 性所带来的较高的比表面积和较好的润湿性，其成球 效果并不好，所以进一步通过添加黏结剂进行造球试 验来确认评价其生球性能． 表 6 为内配 1. 5% 膨润土条件下的澳洲微细磁铁 精粉 A 和国内东北磁铁精矿 B 的生球性能． 表 6 物料 A 与 B 造球得到的生球性能 Table 6 Performance of the green balls pelletized with sample A and B 样品 水的质量 分数/% 落下强度* 抗压强度/ N 爆裂温度/ ℃ 精矿 A 9. 00 3. 2 15. 23 472 精矿 B 9. 00 4. 6 11. 28 ＞ 600 注: * 为破碎前的落下次数． 由两种不同粒度特性磁铁精矿的生球性能( 表 6) 对比发现，精矿 A 抗压强度略高，而落下强度低于精 矿 B，生球爆裂温度也明显低于精矿 B． 因此，粒度更 细，比表面积越高，润湿性更好不一定对生球的综合性 能最好，铁精粉也不一定具有更好的成球性能． 另从表 6 中生球各项指标对比也表明，超微细的 粒度特性、较高的比表面积和较好的润湿性对提高颗 粒间的毛细力，提高生球抵抗低速形变能力，增加生球 的抗压强度有利． 2. 4 粒度特性与润湿性对成球性能的交互影响 磁铁精矿由于其超微细粒度特性，比表面积高，表 面能大，对提高其润湿性有利，且影响成球过程中生球 内毛细管的形成． 通过检测可知，两种磁铁精矿的毛 细水迁移速率分别为 VA = 5. 43 mm·min － 1、VB = 6. 00 mm·min － 1，精矿 A 的毛细水迁移速率偏低于精矿 B． 且结合上文其润湿性的试验结果分析，说明对于超微 细粒度的精粉，虽然较好的亲水性对提高水对粉体浸 润有利，但是毛细水、分子水超过一定限度时，会使颗 粒增加水分持有能力的同时对毛细水在颗粒间的迁移 不利． 所以对于超细粒级的磁铁精粉，毛细水迁移速 率受其粒度特性、最大分子水、最大毛细水和润湿性共 同影响． 通过分析原矿 A 的基本粒级组成( 表 3) 和微观颗 粒形貌( 图 6) ，发现其颗粒表面光滑致密，部分颗粒显 示出磁铁矿本身立方晶型的结构，粒度大小在 0. 01 ～ 0. 02 mm 之间，说明了澳洲磁铁矿晶粒微细的特征． 结合与精矿 B 成球过程和生球性能的对比研究，肯 定了粗粒级在成球过程中的积极因素． 说明超微细 粒度和较窄的粒级组成，会成为提高成球性能的制 约因素． 图 6 微观形貌特征． ( a) 精矿 A; ( b) 精矿 B Fig． 6 Microscopic morphological characteristics of magnetite concentrates: ( a) A; ( b) B 表 7 为两种磁铁精粉原料和生球有关粒度特性的 相关物理性质试验结果． 表 7 精矿 A 和精矿 B 的物理性质 Table 7 Physical properties of A and B 试样 颗粒真密度/ ( g·cm － 3 ) 比表面积/ ( cm2 ·g － 1 ) 生球孔隙 率/% 生球毛细管 半径/10 － 5 mm A 4. 4547 2254 29. 7 0. 841 B 4. 6634 1138 27. 7 1. 446 结合生球性能和表 7 物理特性的对比，精矿 A 生 球孔隙率较精矿 B 高，结合其粒度特性，说明了较合 理的粒度组成有利于形成更加致密的生球，同时，微细 粒度特性对提高颗粒间的黏结强度及生球致密性和抵 抗高速冲击形变能力( 落下强度) 不利． 对于磁铁精矿球团的热稳定性，学者一般通过研 究生球的爆裂温度，来直观反映生球内的孔隙率和颗 粒间的黏结强度［18--19］． 本研究通过对两种磁铁精矿的 基本物理性能检测发现，超微细粒磁铁精矿生球较高 的孔隙率，本应使生球内水蒸气更容易扩散到生球外， 但是爆裂温度却较低( 见表 6) ． 说明孔隙率对于超微 · 538 ·
·836· 工程科学学报，第39卷，第6期 细磁铁精矿的热稳定性并不存在完全对应关系.本探 2010,41(6):2053 究尝试对两种磁铁精矿的毛细管半径进行进一步比 (赵改革，范晓慧，陈许玲，等.含铁炉料在高炉各区的治炼 较，通过表7检测结果，发现超微细粒磁铁精矿生球毛 特性.中南大学学报（自然科学版），2010,41(6)：2053) [2]Cai H Y,Qing G L,Zhang W D,et al.Influence of milling on 细管半径较细，对水蒸气扩散到生球外不利，且孔隙率 property and ballability of iron concentrate.Iron Steel,2015,50 较大也不利于生球颗粒之间的黏结力的发展，较大的 (8):16 孔隙率也是造成精矿A成球性能差的重要原因.所 (蔡皓宇，青格勒，张卫东，等.细磨对矿粉特性和造球性能 以，对超微细磁铁精矿成球的热稳定性表征，需同时考 的影响.钢铁，2015,50(8)：16) 虑孔隙率对其黏结力的影响和毛细管半径对水蒸气扩 B Wang C A,Luo L M.The influence of pelletizing quality by using 散难易的影响.且超微细粒度特性所带来的生球内的 different size distribution of concentrate.J Wuhan Inst Chem Tech,2005,27(2):38 颗粒和毛细管排布，并不利于形成较合理的毛细管 (王昌安，罗廉明.铁精矿粒度组成对球团质量的影响.武汉 半径. 化工学院学报，2005,27(2)：38) 为了改善澳洲磁铁精粉的成球性，可以通过配矿 4]Hu Z Q,Pan J,Zhu D Q,et al.Raw material characteristics of 改变其粒度组成来优化其成球性能.通过对比表3两 iron ore concentrate and its influence on balling performance.Sin- 种磁铁精矿的粒度组成和比表面积，综合其润湿性和 tering Pelletizing,2013,38(4):42 成球性能研究，原矿粒度不是越细，成球性能就越好， (胡志清，潘建，朱德庆，等。铁精矿原料特性及其对成球性 能的影响.烧结球团，2013,38(4)：42) 还需要有合理的粒度组成.所以配矿后其粒度组成要 5]Hou T.Studies on Fundamentals of Ballability of Iron Concentrates 基本控制在-0.074mm达到100%，保证0.043~ [Dissertation].Changsha:Central South University,2010 0.074mm、0.025~0.043mm的粒级的比例分别控制 (侯通.铁精矿成球性能的基础研究[学位论文].长沙：中南 在20%左右.对于这类超微细粒级的优良磁铁精粉， 大学，2010) 配矿要在不降低其铁品位的前提下，进行优化粒度组 [6 Luo Y H.A Fundamental Investigation on Magnetite Concentrate 成，提高其成球性能.这样，既可以将国外优质磁铁矿 Oxidized Pellets [Dissertation].Changsha:Central South Univer- 应用于国内球团生产，又可以通过配加国内较粗粒级 sity,2011 (罗艳红.磁铁精矿氧化球团的基础研究[学位论文].长沙： 的磁铁精矿，来综合利用国内外磁铁精矿资源，减少生 中南大学，2011) 产成本 Zhu D Q,Zhou B Z,Wang Z Y,et al.Characteristics of western 3结论 australia ultrafine magnetite concentrates and their influence on pellet roasting performance.Sintering Pelletizing,2016,41(6): (1)磁铁精矿的超微细粒度特性，使其具有较大 38 的比表面积和更好的水润湿性，有助于后续成球过程 (朱德庆，周冰致，王召元，等.西澳超细粒磁铁精矿特性及其 对球团焙烧性能的影响.烧结球团，2016,41(6)：38) 中生球颗粒间黏结力的发展和生球的长大：毛细水迁 [8]Fan JJ.Zhang W P,Liu C G.et al.Effect of particle size distri- 移速率受粒度特性、最大分子水、最大毛细水和润湿性 bution of magnetite concentrate on preheating and roasting parame- 共同影响，且超微细粒特性带来的水分持有能力较高 ters of pellet.Iron Steel,2014,49(11):20 和生球不合理的颗粒排布，限制其毛细水迁移速率，不 (范建军，张文平，刘慈光，等.磁铁矿粉粒度对球团矿预热 利于生球长大 焙烧性能的影响.钢铁，2014,49(11)：20) (2)超微细粒度特性有利于提高生球抗压强度， 9] Yang CC,Zhu D Q,Pan J,et al.Oxidation and induration char- 限制了生球落下强度.明确了粗粒级在成球过程中的 acteristics of pellets made from Westem Australian ultrafine mag- netite concentrates and Its utilization strategy.J fron Steel Rsearch 积极因素及合理粒度组成对提高生球性能的重要性： t,2016,23(9):924 超微细粒度和较窄的粒级组成，会成为提高成球性能 1o] Zeng X.Measurement of filter agents'wetting contact angle by 的制约因素 means of capillary rise.Northuest Unir Nationalities,2006,27 (3)对超微细磁铁精矿成球的热稳定性表征，需 (3):25 同时考虑孔隙率对其黏结力的影响和毛细管半径对水 (曾欣.滤料表面性质的研究—润湿接触角的测定.西北 蒸气扩散难易的影响.且超微细粒度特性所带来的生 民族大学学报，2006,27(3)：25) [11]Zhang R D,Lii X W,Huang X B,et al.Measurement and in- 球内的颗粒和毛细管排布，并不利于形成较合理的毛 fluencing factors on contact angle of iron ore powders.J fron Steel 细管半径. Res,2012,24(12):57 (张忍德，吕学伟，黄小波，等.铁矿粉接触角的测试及影响 参考文献 因素分析.钢铁研究学报，2012,24(12)：57) [1]Zhao GG,Fan X H,Chen X L,et al.Metallurgical properties of [12]Gou Y C,Feng L,Zhang Y,et al.Effect of particle size on wet- ferrous burdens in blast fumnace.J Central S Unis Sci Technol, tability measurement with Washbum equation.Res Explor Lab
工程科学学报，第 39 卷，第 6 期 细磁铁精矿的热稳定性并不存在完全对应关系． 本探 究尝试对两种磁铁精矿的毛细管半径进行进一步比 较，通过表 7 检测结果，发现超微细粒磁铁精矿生球毛 细管半径较细，对水蒸气扩散到生球外不利，且孔隙率 较大也不利于生球颗粒之间的黏结力的发展，较大的 孔隙率也是造成精矿 A 成球性能差的重要原因． 所 以，对超微细磁铁精矿成球的热稳定性表征，需同时考 虑孔隙率对其黏结力的影响和毛细管半径对水蒸气扩 散难易的影响． 且超微细粒度特性所带来的生球内的 颗粒和毛细管排布，并不利于形成较合理的毛细管 半径． 为了改善澳洲磁铁精粉的成球性，可以通过配矿 改变其粒度组成来优化其成球性能． 通过对比表 3 两 种磁铁精矿的粒度组成和比表面积，综合其润湿性和 成球性能研究，原矿粒度不是越细，成球性能就越好， 还需要有合理的粒度组成． 所以配矿后其粒度组成要 基本 控 制 在 － 0. 074 mm 达 到 100% ，保 证 0. 043 ～ 0. 074 mm、0. 025 ～ 0. 043 mm 的粒级的比例分别控制 在 20% 左右． 对于这类超微细粒级的优良磁铁精粉， 配矿要在不降低其铁品位的前提下，进行优化粒度组 成，提高其成球性能． 这样，既可以将国外优质磁铁矿 应用于国内球团生产，又可以通过配加国内较粗粒级 的磁铁精矿，来综合利用国内外磁铁精矿资源，减少生 产成本． 3 结论 ( 1) 磁铁精矿的超微细粒度特性，使其具有较大 的比表面积和更好的水润湿性，有助于后续成球过程 中生球颗粒间黏结力的发展和生球的长大; 毛细水迁 移速率受粒度特性、最大分子水、最大毛细水和润湿性 共同影响，且超微细粒特性带来的水分持有能力较高 和生球不合理的颗粒排布，限制其毛细水迁移速率，不 利于生球长大． ( 2) 超微细粒度特性有利于提高生球抗压强度， 限制了生球落下强度． 明确了粗粒级在成球过程中的 积极因素及合理粒度组成对提高生球性能的重要性; 超微细粒度和较窄的粒级组成，会成为提高成球性能 的制约因素． ( 3) 对超微细磁铁精矿成球的热稳定性表征，需 同时考虑孔隙率对其黏结力的影响和毛细管半径对水 蒸气扩散难易的影响． 且超微细粒度特性所带来的生 球内的颗粒和毛细管排布，并不利于形成较合理的毛 细管半径． 参 考 文 献 ［1］ Zhao G G，Fan X H，Chen X L，et al． Metallurgical properties of ferrous burdens in blast furnace． J Central S Univ Sci Technol， 2010，41( 6) : 2053 ( 赵改革，范晓慧，陈许玲，等． 含铁炉料在高炉各区的冶炼 特性． 中南大学学报( 自然科学版) ，2010，41( 6) : 2053) ［2］ Cai H Y，Qing G L，Zhang W D，et al． Influence of milling on property and ballability of iron concentrate． Iron Steel，2015，50 ( 8) : 16 ( 蔡皓宇，青格勒，张卫东，等． 细磨对矿粉特性和造球性能 的影响． 钢铁，2015，50( 8) : 16) ［3］ Wang C A，Luo L M． The influence of pelletizing quality by using different size distribution of concentrate． J Wuhan Inst Chem Tech，2005，27( 2) : 38 ( 王昌安，罗廉明． 铁精矿粒度组成对球团质量的影响． 武汉 化工学院学报，2005，27( 2) : 38) ［4］ Hu Z Q，Pan J，Zhu D Q，et al． Ｒaw material characteristics of iron ore concentrate and its influence on balling performance． Sintering Pelletizing，2013，38( 4) : 42 ( 胡志清，潘建，朱德庆，等． 铁精矿原料特性及其对成球性 能的影响． 烧结球团，2013，38( 4) : 42) ［5］ Hou T． Studies on Fundamentals of Ballability of Iron Concentrates ［Dissertation］． Changsha: Central South University，2010 ( 侯通． 铁精矿成球性能的基础研究［学位论文］． 长沙: 中南 大学，2010) ［6］ Luo Y H． A Fundamental Investigation on Magnetite Concentrate Oxidized Pellets ［Dissertation］． Changsha: Central South University，2011 ( 罗艳红． 磁铁精矿氧化球团的基础研究［学位论文］． 长沙: 中南大学，2011) ［7］ Zhu D Q，Zhou B Z，Wang Z Y，et al． Characteristics of western australia ultrafine magnetite concentrates and their influence on pellet roasting performance． Sintering Pelletizing，2016，41 ( 6) : 38 ( 朱德庆，周冰致，王召元，等． 西澳超细粒磁铁精矿特性及其 对球团焙烧性能的影响． 烧结球团，2016，41( 6) : 38) ［8］ Fan J J，Zhang W P，Liu C G，et al． Effect of particle size distribution of magnetite concentrate on preheating and roasting parameters of pellet． Iron Steel，2014，49( 11) : 20 ( 范建军，张文平，刘慈光，等． 磁铁矿粉粒度对球团矿预热 焙烧性能的影响． 钢铁，2014，49( 11) : 20) ［9］ Yang C C，Zhu D Q，Pan J，et al． Oxidation and induration characteristics of pellets made from Western Australian ultrafine magnetite concentrates and Its utilization strategy． J Iron Steel Ｒsearch Int，2016，23( 9) : 924 ［10］ Zeng X． Measurement of filter agents' wetting contact angle by means of capillary rise． J Northwest Univ Nationalities，2006，27 ( 3) : 25 ( 曾欣． 滤料表面性质的研究———润湿接触角的测定． 西北 民族大学学报，2006，27( 3) : 25) ［11］ Zhang Ｒ D，Lü X W，Huang X B，et al． Measurement and influencing factors on contact angle of iron ore powders． J Iron Steel Ｒes，2012，24( 12) : 57 ( 张忍德，吕学伟，黄小波，等． 铁矿粉接触角的测试及影响 因素分析． 钢铁研究学报，2012，24( 12) : 57) ［12］ Gou Y C，Feng L，Zhang Y，et al． Effect of particle size on wettability measurement with Washburn equation． Ｒes Explor Lab， · 638 ·
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