烧结混合料适宜制粒水分的预测

D0I:10.13374/h.issn1001-053x.2012.04.010 第34卷第4期 北京科技大学学报 Vol.34 No.4 2012年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2012 烧结混合料适宜制粒水分的预测 范晓慧甘敏四李文琦王 强 谢路奔胡林陈许玲 袁礼顺 中南大学资源加工与生物工程学院，长沙410083 ☒通信作者，Emai:ganminhao@126.com 摘要水分是影响铁矿旷混合料制粒、烧结的重要因素.研究结果表明，随着制粒水分增加，制粒后混合料中细粒级颗粒含量 减少，平均粒径增大，透气性迅速提高但随后增幅放缓或有所下降.透气性增幅达到缓和的水分点可作为适宜制粒水分的判 据，且烧结速度在适宜制粒水分时达到最大值.通过箭分分级的方法将混合料分成-0.5mm的黏附粉和+0.5mm的核颗粒， 并检测核颗粒的比例X,5,通过饱和吸水法检测黏附粉的最大毛细水量W。,通过离心法检测核颗粒的持水量W。,另外根据 数学模型W=X,as·W。+0.72(1-X,a5)·W。预测适宜的制粒水分.适宜制粒水分绝对误差为±0.3%的情况下预测准确率 可达93.3%，能满足混合料适宜制粒水分预测对精度的要求 关键词铁矿石：制粒：烧结：水含量：预测：数学模型 分类号TF046.2 Prediction of suitable water content on the granulation of a sintering mixture FAN Xiao-hui,GAN Min,LI Wen-qi,WANG Qiang,XIE Lu-ben,HU Lin,CHEN Xu-ling,YUAN Li-shun School of Minerals Processing&Bioengineering,Central South University,Changsha 410083,China Corresponding author,E-mail:ganminhao@126.com ABSTRACT Water content is an important factor which affects the granulation of a mixture and sintering.Research results show that with the water content for granulation increasing,the proportion of fine particles reduces in the granulated mixture,the mean size in- creases,and the permeability rapidly improves firstly,but then mildly changes even goes down.The point of water content at which the permeability grows smoothly can be used as a criterion of suitable values for granulation,and it is found that the sintering speed reaches maximum at the suitable water content for granulation.The mixture can be divided into two parts by the mathematical method of sie- ving,one is -0.5 mm as adhering fine powders,the other is +0.5 mm as nucleus particles,and the ratio of nucleus particles Y.s was measured.The suitable water content can be predicted based on the model of W=X..s W.+0.72(1-Y..s)W,in which the maximum capillary water content of adhering fine powders W is measured by a saturated water absorption method and the preserved wa- ter content of nucleus particles W.is measured by a centrifugal method.The accuracy of prediction reaches 93.3 when the absolute error of the suitable water content for granulation is +0.3 %which can satisfy the requirement of predicting accuracy. KEY WORDS iron ores:granulation:sintering:water content:prediction:mathematical models 铁矿石制粒的目的是改善混合料的粒度组成、 孔隙率下降而导致透气性恶化皿.因此保证混合 减少混合料中细粒级颗粒的含量以提高烧结料层透 料具有适宜的水分是制粒的关键.目前，适宜的制 气性，从而提高烧结矿的产量和质量并降低烧结能 粒水分主要是通过制粒实验来确定，但大多烧结 耗-.制粒是烧结混合料在水分的作用下细颗粒 厂由于原料供应紧张，其原料结构变化频繁，这种 黏附在粗颗粒上或者细颗粒之间相互聚集而长大成 工作量大、检测时间长的方法无法快速适应原料 制粒小球的过程，水分在制粒过程中形成桥液而起 的变化.另外，也有研究者致力于根据原料性质建 着重要的黏结作用0.水分不足则物料难以成 立适宜制粒水分的预测模型，Khosa和Manuel☒ 球，水分太高则小球结构发生变形和兼并，使得料层 采用七种单矿的正交试验数据建立了以-0.15 收稿日期：20110401 基金项目：教有部新世纪优秀人才支持计划基金资助项目(NCET05-0630):湖南省研究生学位论文创新资助项目(1343/74333001114)：中 南大学优秀博士学位论文扶植项目(2010ybf058)

第 34 卷 第 4 期 2012 年 4 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 No． 4 Apr． 2012 烧结混合料适宜制粒水分的预测 范晓慧 甘 敏 李文琦 王 强 谢路奔 胡 林 陈许玲 袁礼顺 中南大学资源加工与生物工程学院，长沙 410083 通信作者，E-mail: ganminhao@ 126． com 摘 要 水分是影响铁矿混合料制粒、烧结的重要因素． 研究结果表明，随着制粒水分增加，制粒后混合料中细粒级颗粒含量 减少，平均粒径增大，透气性迅速提高但随后增幅放缓或有所下降． 透气性增幅达到缓和的水分点可作为适宜制粒水分的判 据，且烧结速度在适宜制粒水分时达到最大值． 通过筛分分级的方法将混合料分成 － 0. 5 mm 的黏附粉和 + 0. 5 mm 的核颗粒， 并检测核颗粒的比例 X + 0. 5，通过饱和吸水法检测黏附粉的最大毛细水量 Wp，通过离心法检测核颗粒的持水量 Wc，另外根据 数学模型 W = X + 0. 5 ·Wc + 0. 72( 1 － X + 0. 5 )·Wp 预测适宜的制粒水分． 适宜制粒水分绝对误差为 ± 0. 3% 的情况下预测准确率 可达 93. 3% ，能满足混合料适宜制粒水分预测对精度的要求． 关键词 铁矿石; 制粒; 烧结; 水含量; 预测; 数学模型 分类号 TF046. 2 Prediction of suitable water content on the granulation of a sintering mixture FAN Xiao-hui，GAN Min ，LI Wen-qi，WANG Qiang，XIE Lu-ben，HU Lin，CHEN Xu-ling，YUAN Li-shun School of Minerals Processing ＆ Bioengineering，Central South University，Changsha 410083，China Corresponding author，E-mail: ganminhao@ 126． com ABSTRACT Water content is an important factor which affects the granulation of a mixture and sintering． Research results show that with the water content for granulation increasing，the proportion of fine particles reduces in the granulated mixture，the mean size in￾creases，and the permeability rapidly improves firstly，but then mildly changes even goes down． The point of water content at which the permeability grows smoothly can be used as a criterion of suitable values for granulation，and it is found that the sintering speed reaches maximum at the suitable water content for granulation． The mixture can be divided into two parts by the mathematical method of sie￾ving，one is － 0. 5 mm as adhering fine powders，the other is + 0. 5 mm as nucleus particles，and the ratio of nucleus particles X + 0. 5 was measured． The suitable water content can be predicted based on the model of W = X + 0. 5 Wc + 0. 72( 1 － X + 0. 5 ) Wp，in which the maximum capillary water content of adhering fine powders Wp is measured by a saturated water absorption method and the preserved wa￾ter content of nucleus particles Wc is measured by a centrifugal method． The accuracy of prediction reaches 93. 3 % when the absolute error of the suitable water content for granulation is ± 0. 3 % ，which can satisfy the requirement of predicting accuracy． KEY WORDS iron ores; granulation; sintering; water content; prediction; mathematical models 收稿日期: 2011--04--01 基金项目: 教育部新世纪优秀人才支持计划基金资助项目( NCET--05--0630) ; 湖南省研究生学位论文创新资助项目( 1343 /74333001114) ; 中 南大学优秀博士学位论文扶植项目( 2010ybfz058) 铁矿石制粒的目的是改善混合料的粒度组成、 减少混合料中细粒级颗粒的含量以提高烧结料层透 气性，从而提高烧结矿的产量和质量并降低烧结能 耗［1--8］． 制粒是烧结混合料在水分的作用下细颗粒 黏附在粗颗粒上或者细颗粒之间相互聚集而长大成 制粒小球的过程，水分在制粒过程中形成桥液而起 着重要的黏结作用［9--10］． 水分不足则物料难以成 球，水分太高则小球结构发生变形和兼并，使得料层 孔隙率下降而导致透气性恶化［11］． 因此保证混合 料具有适宜的水分是制粒的关键． 目前，适宜的制 粒水分主要是通过制粒实验来确定，但大多烧结 厂由于原料供应紧张，其原料结构变化频繁，这种 工作量大、检测时间长的方法无法快速适应原料 的变化． 另外，也有研究者致力于根据原料性质建 立适宜制粒水分的预测模型，Khosa 和 Manuel ［12］ 采用七种单矿的正交试验数据建立了以 － 0. 15 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.04.010

·374 北京科技大学学报 第34卷 mm粒级颗粒含量和中间粒级颗粒(0.1~1mm) 料和一种烧结返矿，各烧结原料的化学成分和粒度 含量，以及-1mm粒级颗粒中Si02、L0I和A1203 组成见表1.矿A和矿B来自澳大利亚，属于褐铁 含量为变量的适宜制粒水分经验模型，该模型未 矿类型，其铁品位相对较低：矿B的-0.5mm粒级 考虑以不同矿物形态存在的Si02、A1,03对适宜制 质量分数仅为15.60%，远低于矿A中-0.5mm粒 粒水分的影响，且未考察熔剂、燃料和返矿的影 级的含量；矿C和矿D来自巴西，属于赤铁矿类型， 响，不具有普遍的推广价值.因此，开发一种能够 这两种矿铁品位高，脉石含量较少；矿C的-0.5 准确、快速和简便预测适宜制粒水分的方法具有 mm粒级颗粒含量略高于矿D.熔剂分别为生石灰、 十分重要的意义 石灰石和白云石.生石灰Ca0质量分数为 80.66%;石灰石、白云石中主要矿物为碳酸盐，Si02 1 原料性能及研究方法 等杂质含量较少.燃料为焦粉，固定碳质量分数为 1.1原料性能 80%左右，灰分中以Si02、AL,03为主.烧结返矿取 本研究主要采用四种铁矿石、三种熔剂、一种燃 自现场的高炉槽下返矿. 表1烧结原料的化学成分和粒度组成（质量分数） Table 1 Chemical composition and size distribution of sintering materials % 化学成分 粒度组成 原料种类 TFe Fe0 Ca0 Mgo Si02 AL203 LOI +0.5mm -0.5mm 矿A 61.93 0.86 0.04 0.18 2.93 1.77 6.22 53.19 46.81 矿B 60.19 0.29 0.48 0.20 2.67 1.14 9.05 84.40 15.60 矿C 65.69 1.01 0.00 0.11 3.91 0.69 1.61 60.00 40.00 矿D 67.22 0.14 0.07 0.27 1.04 1.00 1.76 65.80 34.20 生石灰 0.40 0.23 80.66 1.18 2.86 1.20 12.36 42.87 57.13 石灰石 0.21 0.13 50.66 2.28 1.49 0.72 40.72 65.43 34.57 白云石 0.14 0.10 32.64 19.83 0.71 0.43 46.47 61.32 38.68 焦粉 2.34 0.02 0.93 0.20 5.95 3.55 84.76 71.63 28.37 烧结返矿 56.81 6.25 9.02 1.86 5.11 2.00 0.00 92.33 7.67 1.2研究方法 (1) 将铁矿石（包括单种矿及混匀矿）、熔剂、焦粉、 =品) 返矿以及充分消化的生石灰等烧结物料按表2的质 式中，料层面积A为7.85×10-2m2,高度H为0.2 量比进行配料，加入制粒所需补加的水后混匀，再装 m,通过的气体流量Q为0.167m3.min-1 入600mm×300mm的圆筒混合机中，在15r· 2水分对制粒和烧结的影响 min-的转速下制粒4min.制粒后混合料按照12分 法进行取样，分别用于混合料水分和粒度组成、制粒 将四种铁矿石分别与熔剂、焦粉和返矿配料后 小球粒度组成等的检查.制粒后混合料粒度筛析采 进行制粒，水分对制粒的影响见图1.可见随着制粒 用套筛分级成+8mm、5~8mm、3~5mm、1~3mm、 水分的增加，制粒后混合料平均粒径增大，但当水分 0.5~1.0mm、0.25~0.5mm和-0.25mm这七个粒级； 达到一定程度时，增加的幅度减缓.水分对制粒后 制粒小球粒度组成采用水洗筛分的方法，即将制粒小 混合料粒度分布组成的影响见图2.随着制粒水分 球浸泡2h后，在水中采用套筛逐一筛分，干燥后称重. 的增加，制粒后混合料中+8mm、5~8mm和3~5 表2不同烧结物料在制粒混合料中的含量（质量分数） mm粗粒级制粒小球含量明显增多，0.5~1.0mm、 Table 2 Contents of sintering materials in the granulated mixture 0.25~0.5mm和-0.25mm细粒级制粒小球含量逐 渐降低，表明水分的增加有利于制粒小球的长大. 铁矿石 白云石 石灰石焦粉 生石灰烧结返矿 水分对制粒后混合料透气性的影响见图3.结 61.16 3.58 3.713.85 4.62 23.08 果表明，随着制粒水分的增加，混合料透气性得到大 同时检测制粒后混合料的透气性，方法是通过 幅的改善，但当水分增加到一定程度，透气性又增加 检测气体通过混合料料层的压力降△P,采用沃伊斯 趋于平缓或有所下降.制粒的目的是使细颗粒黏附 公式计算得到透气性指数Pe: 在相对较粗的颗粒上，从而减少混合料中细级颗粒

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 mm 粒级颗粒含量和中间粒级颗粒( 0. 1 ～ 1 mm) 含量，以及 － 1 mm 粒级颗粒中 SiO2、LOI 和 A12O3 含量为变量的适宜制粒水分经验模型，该模型未 考虑以不同矿物形态存在的 SiO2、A12O3对适宜制 粒水分 的 影 响，且 未 考 察 熔 剂、燃料和返矿的影 响，不具有普遍的推广价值． 因此，开发一种能够 准确、快速和简便预测适宜制粒水分的方法具有 十分重要的意义． 1 原料性能及研究方法 1. 1 原料性能 本研究主要采用四种铁矿石、三种熔剂、一种燃 料和一种烧结返矿，各烧结原料的化学成分和粒度 组成见表 1． 矿 A 和矿 B 来自澳大利亚，属于褐铁 矿类型，其铁品位相对较低; 矿 B 的 － 0. 5 mm 粒级 质量分数仅为 15. 60% ，远低于矿 A 中 － 0. 5 mm 粒 级的含量; 矿 C 和矿 D 来自巴西，属于赤铁矿类型， 这两种矿铁品位高，脉石含量较少; 矿 C 的 － 0. 5 mm 粒级颗粒含量略高于矿 D． 熔剂分别为生石灰、 石 灰 石 和 白 云 石． 生 石 灰 CaO 质 量 分 数 为 80. 66% ; 石灰石、白云石中主要矿物为碳酸盐，SiO2 等杂质含量较少． 燃料为焦粉，固定碳质量分数为 80% 左右，灰分中以 SiO2、Al2O3为主． 烧结返矿取 自现场的高炉槽下返矿． 表 1 烧结原料的化学成分和粒度组成( 质量分数) Table 1 Chemical composition and size distribution of sintering materials % 原料种类 化学成分 粒度组成 TFe FeO CaO MgO SiO2 Al2O3 LOI + 0. 5 mm － 0. 5 mm 矿 A 61. 93 0. 86 0. 04 0. 18 2. 93 1. 77 6. 22 53. 19 46. 81 矿 B 60. 19 0. 29 0. 48 0. 20 2. 67 1. 14 9. 05 84. 40 15. 60 矿 C 65. 69 1. 01 0. 00 0. 11 3. 91 0. 69 1. 61 60. 00 40. 00 矿 D 67. 22 0. 14 0. 07 0. 27 1. 04 1. 00 1. 76 65. 80 34. 20 生石灰 0. 40 0. 23 80. 66 1. 18 2. 86 1. 20 12. 36 42. 87 57. 13 石灰石 0. 21 0. 13 50. 66 2. 28 1. 49 0. 72 40. 72 65. 43 34. 57 白云石 0. 14 0. 10 32. 64 19. 83 0. 71 0. 43 46. 47 61. 32 38. 68 焦粉 2. 34 0. 02 0. 93 0. 20 5. 95 3. 55 84. 76 71. 63 28. 37 烧结返矿 56. 81 6. 25 9. 02 1. 86 5. 11 2. 00 0. 00 92. 33 7. 67 1. 2 研究方法 将铁矿石( 包括单种矿及混匀矿) 、熔剂、焦粉、 返矿以及充分消化的生石灰等烧结物料按表 2 的质 量比进行配料，加入制粒所需补加的水后混匀，再装 入 600 mm × 300 mm 的圆筒混合机中，在 15 r· min － 1 的转速下制粒 4 min． 制粒后混合料按照 12 分 法进行取样，分别用于混合料水分和粒度组成、制粒 小球粒度组成等的检查． 制粒后混合料粒度筛析采 用套筛分级成 + 8 mm、5 ～ 8 mm、3 ～ 5 mm、1 ～ 3 mm、 0. 5 ～1. 0 mm、0. 25 ～0. 5 mm 和 －0. 25 mm 这七个粒级; 制粒小球粒度组成采用水洗筛分的方法，即将制粒小 球浸泡2 h 后，在水中采用套筛逐一筛分，干燥后称重． 表 2 不同烧结物料在制粒混合料中的含量( 质量分数) Table 2 Contents of sintering materials in the granulated mixture % 铁矿石 白云石 石灰石 焦粉 生石灰 烧结返矿 61. 16 3. 58 3. 71 3. 85 4. 62 23. 08 同时检测制粒后混合料的透气性，方法是通过 检测气体通过混合料料层的压力降 ΔP，采用沃伊斯 公式计算得到透气性指数 Pe: Pe = Q ( A H Δ ) P 0. 6 ． ( 1) 式中，料层面积 A 为 7. 85 × 10 － 2 m2 ，高度 H 为 0. 2 m，通过的气体流量 Q 为 0. 167 m3 ·min － 1 ． 2 水分对制粒和烧结的影响 将四种铁矿石分别与熔剂、焦粉和返矿配料后 进行制粒，水分对制粒的影响见图 1． 可见随着制粒 水分的增加，制粒后混合料平均粒径增大，但当水分 达到一定程度时，增加的幅度减缓． 水分对制粒后 混合料粒度分布组成的影响见图 2． 随着制粒水分 的增加，制粒后混合料中 + 8 mm、5 ～ 8 mm 和 3 ～ 5 mm 粗粒级制粒小球含量明显增多，0. 5 ～ 1. 0 mm、 0. 25 ～ 0. 5 mm 和 － 0. 25 mm 细粒级制粒小球含量逐 渐降低，表明水分的增加有利于制粒小球的长大． 水分对制粒后混合料透气性的影响见图 3． 结 果表明，随着制粒水分的增加，混合料透气性得到大 幅的改善，但当水分增加到一定程度，透气性又增加 趋于平缓或有所下降． 制粒的目的是使细颗粒黏附 在相对较粗的颗粒上，从而减少混合料中细级颗粒 ·374·

第4期 范晓慧等：烧结混合料适宜制粒水分的预测 ·375 2.5 36 2.0 32 矿C ★ 28S 1.5 24 1.0 3 口-矿A,透气性一一矿A,烧结速度 0.5 0-矿B,透气性◆矿B,烧结速度 矿C透气性 16 ★矿D,透气性★矿D,烧结速度 10 制粒水分质量分数陆 2 5.56.06.57.07.58.08.59.09.510.0 图1制粒水分含量对制粒后混合料平均粒径的影响 混合料制粒水分质量分数你 Fig.I Influence of water content for granulation on the mean granule 图3制粒水分含量对制粒后混合料透气性和烧结速度的影响 size of the granulated mixture Fig.3 Influence of water content for granulation on the permeability 的含量，使烧结料层具有良好的透气性.因此依据 of the granulated mixture and sintering speed 制粒的目的，可得到混合料达到制粒适宜水分的判 黏附层（-0.5mm)两部分. 据，即当混合料透气性开始下降或增加趋于平缓的 由图4可知，制粒小球中水分主要包括核颗粒、 水分点为适宜的制粒水分.依据制粒适宜水分的判 黏附粉自身吸收水分（含表面吸附水），以及黏附粉 据可知，矿A、矿B、矿C和矿D的适宜水分的质量 颗粒孔隙间的填充水分.适宜的制粒水分就是要满 分数分别为9.50%、8.50%、6.50%和7.00%，说明 足颗粒充分吸水之后，有合理的水分填充在黏附粉 巴西矿所需的适宜制粒水分比澳大利亚矿低. 孔隙间，使得产生足够的毛细力，抵抗制粒时小球间 的摩擦力以及与圆盘碰撞时产生的剪应力，使黏附 观水分质量分数8.5% 粉颗粒牢固黏附在小球表面而长大成更大的小球 分数9.0% 水分质量分数9.5% 粉颗粒问的 口水分质量分数10.0% 40 填充水分 30 粉颗粒吸水 20 核颗粒吸水 5-8 3-5 1-30.5-10.25-0.5-0.25 小球粒级/mm 图2制粒水分含量对制粒后混合料粒度组成的影响（矿A) 图4水分在制粒小球中的分布 Fig.2 Influence of water content for granulation on the size distribu- Fig.4 Distribution of water in granulated balls tion of the granulated mixture (Iron ore A) 由此可知，在适宜水分下制粒时，核颗粒所持有 水分对烧结速度的影响见图3.烧结速度随着 的水量与它自身的吸水能力相关，而黏附粉所持有 水分的增加先增加后降低，在适宜制粒水分时烧结 的水量不但与自身吸水能力相关，还与颗粒间水分 速度达到最大值，因此适宜的制粒水分也是适宜的 填充相关.因此，两者的持水量是不一样的.分别 烧结混合料水分 检测核颗粒持水量和黏附粉持水量，对于预测适宜 制粒水分具有重要的意义 3混合料适宜水分的检测 3.2适宜水分的检测 3.1水分的作用 3.2.1核颗粒持水量的检测 混合料适宜水分就是要满足制粒对水分的需 核颗粒在适宜制粒水分下所持有的水分主要由 求.由制粒机理可知，制粒是以粗颗粒为核心，细颗 颗粒内部孔洞吸水及其表面吸附水构成，其持水量 粒不断黏附于粗颗粒上形成黏附层而长大成小球的 可采用离心法将颗粒在一定的离心力下，脱除与其 过程.因此可将制粒小球分成核颗粒(+0.5mm)和 结合力较差的自由水而测得.方法是将由混合料筛

第 4 期 范晓慧等: 烧结混合料适宜制粒水分的预测 图 1 制粒水分含量对制粒后混合料平均粒径的影响 Fig． 1 Influence of water content for granulation on the mean granule size of the granulated mixture 的含量，使烧结料层具有良好的透气性． 因此依据 制粒的目的，可得到混合料达到制粒适宜水分的判 据，即当混合料透气性开始下降或增加趋于平缓的 水分点为适宜的制粒水分． 依据制粒适宜水分的判 据可知，矿 A、矿 B、矿 C 和矿 D 的适宜水分的质量 分数分别为 9. 50% 、8. 50% 、6. 50% 和 7. 00% ，说明 巴西矿所需的适宜制粒水分比澳大利亚矿低． 图 2 制粒水分含量对制粒后混合料粒度组成的影响( 矿 A) Fig． 2 Influence of water content for granulation on the size distribu￾tion of the granulated mixture ( Iron ore A) 水分对烧结速度的影响见图 3． 烧结速度随着 水分的增加先增加后降低，在适宜制粒水分时烧结 速度达到最大值，因此适宜的制粒水分也是适宜的 烧结混合料水分． 3 混合料适宜水分的检测 3. 1 水分的作用 混合料适宜水分就是要满足制粒对水分的需 求． 由制粒机理可知，制粒是以粗颗粒为核心，细颗 粒不断黏附于粗颗粒上形成黏附层而长大成小球的 过程． 因此可将制粒小球分成核颗粒( + 0. 5 mm) 和 图 3 制粒水分含量对制粒后混合料透气性和烧结速度的影响 Fig． 3 Influence of water content for granulation on the permeability of the granulated mixture and sintering speed 黏附层( － 0. 5 mm) 两部分． 由图 4 可知，制粒小球中水分主要包括核颗粒、 黏附粉自身吸收水分( 含表面吸附水) ，以及黏附粉 颗粒孔隙间的填充水分． 适宜的制粒水分就是要满 足颗粒充分吸水之后，有合理的水分填充在黏附粉 孔隙间，使得产生足够的毛细力，抵抗制粒时小球间 的摩擦力以及与圆盘碰撞时产生的剪应力，使黏附 粉颗粒牢固黏附在小球表面而长大成更大的小球． 图 4 水分在制粒小球中的分布 Fig． 4 Distribution of water in granulated balls 由此可知，在适宜水分下制粒时，核颗粒所持有 的水量与它自身的吸水能力相关，而黏附粉所持有 的水量不但与自身吸水能力相关，还与颗粒间水分 填充相关． 因此，两者的持水量是不一样的． 分别 检测核颗粒持水量和黏附粉持水量，对于预测适宜 制粒水分具有重要的意义． 3. 2 适宜水分的检测 3. 2. 1 核颗粒持水量的检测 核颗粒在适宜制粒水分下所持有的水分主要由 颗粒内部孔洞吸水及其表面吸附水构成，其持水量 可采用离心法将颗粒在一定的离心力下，脱除与其 结合力较差的自由水而测得． 方法是将由混合料筛 ·375·

·376 北京科技大学学报 第34卷 分出的核颗粒浸泡2h后，取4份40g试样分别装入 装料质量m,然后向储水器中加入蒸馏水，当其水 底部垫有两层滤纸的带孔试管中进行离心脱水.实 面升至与筛板下缘在同一水平线时为吸水开始，直 验装置示意图见图5，旋转半径60mm 至试样不再吸水为结束，记下从吸水开始到结束的 加水量m1,m,/(m。+m,)即为黏附粉的最大毛细 30m 水.实验装置示意图见图7 式管 60 mm 60 mm 图5离心法检测核颗粒持水量示意图 Fig.5 Schematic diagram of measuring the preserving water of nucle- us granules by a centrifugal method 离心法的关键是确定合适的离心力和脱水时 间，在一定的离心机转速下脱水一定时间后，检测核 1一铁架台：2一烧杯：3一储水器：4一筛板：5一装料试管：6一酸式 颗粒中残存的水分.转速和脱水时间对核颗粒残存 滴定管：7一标尺：8一橡皮塞：9一黏附粉试样 图7最大毛细水检测装置 水量的影响见图6.在转速2000rmin-1的作用下， Fig.7 Device for measuring the maximum content of capillary water 脱水5min后，核颗粒的残存水分与适宜制粒水分 下核颗粒持水量的实测值基本相当.因此，可采用 黏附粉在适宜制粒水分下所持有的水量由颗粒 转速2000r·min-l、脱水时间5min来检测核颗粒的 自身吸水和颗粒间孔隙填充至一定程度的水分构 持水量. 成.黏附粉持水量W的检测值与其最大毛细水W。 1Or 的关系见图8.两者之间有很好的线性关系，其经验 ·一核颗粒特水量实测值 9 0-500rmin-.脱水5min 公式的表达式为 △-2000rmin,脱水5mim W。=0.72Wp (2) 女-1000rmin-,脱水5min 因此，可以用饱和吸水法检测黏附粉的最大毛 6 细水量，并通过方程(2)来预测黏附粉的持水量. 5 18 W=0.72W -+-2000rmin-1,脱水2.5min 延16 -x500rmin-,脱水7.5min 0A 矿B 矿C 矿D 脚14 制粒采用的铁矿石种类 图6离心转速和脱水时间对核颗粒残存水量的影响 Fig.6 Effects of centrifugal speed and dehydration time on the pre- 10 serving water content of nucleus granules 101214161820222426 3.2.2黏附粉持水量的检测 最大毛辄水，，% 采用饱和吸水法检测黏附粉自然堆积状态下的 图8黏附粉持水量实测值与黏附粉最大毛细水的关系 最大毛细水，其检测的是黏附粉自身吸水以及颗粒 Fig.8 Relationship between preserving water and maximum capillary water in adhering fines 间孔隙完全被水分充填的总含水量.方法是将干燥 的黏附粉试样装入装料试管中，让其饱和吸水后检 4 混合料适宜水分预测模型及应用 测水分含量.具体方法是首先将筛板放入30mm× 150mm的装料试管中，在筛板上铺两层滤纸，然后 可以根据混合料+0.5mm的含量、核颗粒持水 装入黏附粉试样至装料试管100mm高度处，并记下 量以及黏附粉持水量构建如下模型预测制粒所需的

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 分出的核颗粒浸泡2 h 后，取4 份40 g 试样分别装入 底部垫有两层滤纸的带孔试管中进行离心脱水． 实 验装置示意图见图 5，旋转半径 60 mm． 图 5 离心法检测核颗粒持水量示意图 Fig． 5 Schematic diagram of measuring the preserving water of nucle￾us granules by a centrifugal method 离心法的关键是确定合适的离心力和脱水时 间，在一定的离心机转速下脱水一定时间后，检测核 颗粒中残存的水分． 转速和脱水时间对核颗粒残存 水量的影响见图 6． 在转速 2 000 r·min － 1 的作用下， 脱水 5 min 后，核颗粒的残存水分与适宜制粒水分 下核颗粒持水量的实测值基本相当． 因此，可采用 转速 2 000 r·min － 1 、脱水时间 5 min 来检测核颗粒的 持水量． 图 6 离心转速和脱水时间对核颗粒残存水量的影响 Fig． 6 Effects of centrifugal speed and dehydration time on the pre￾serving water content of nucleus granules 3. 2. 2 黏附粉持水量的检测 采用饱和吸水法检测黏附粉自然堆积状态下的 最大毛细水，其检测的是黏附粉自身吸水以及颗粒 间孔隙完全被水分充填的总含水量． 方法是将干燥 的黏附粉试样装入装料试管中，让其饱和吸水后检 测水分含量． 具体方法是首先将筛板放入 30 mm × 150 mm 的装料试管中，在筛板上铺两层滤纸，然后 装入黏附粉试样至装料试管 100 mm 高度处，并记下 装料质量 m0，然后向储水器中加入蒸馏水，当其水 面升至与筛板下缘在同一水平线时为吸水开始，直 至试样不再吸水为结束，记下从吸水开始到结束的 加水量 m1，m1 /( m0 + m1 ) 即为黏附粉的最大毛细 水． 实验装置示意图见图 7． 1—铁架台; 2—烧杯; 3—储水器; 4—筛板; 5—装料试管; 6—酸式 滴定管; 7—标尺; 8—橡皮塞; 9—黏附粉试样 图 7 最大毛细水检测装置 Fig． 7 Device for measuring the maximum content of capillary water 黏附粉在适宜制粒水分下所持有的水量由颗粒 自身吸水和颗粒间孔隙填充至一定程度的水分构 成． 黏附粉持水量 Wa的检测值与其最大毛细水 Wp 的关系见图 8． 两者之间有很好的线性关系，其经验 公式的表达式为 Wa = 0. 72Wp ． ( 2) 因此，可以用饱和吸水法检测黏附粉的最大毛 细水量，并通过方程( 2) 来预测黏附粉的持水量． 图 8 黏附粉持水量实测值与黏附粉最大毛细水的关系 Fig． 8 Relationship between preserving water and maximum capillary water in adhering fines 4 混合料适宜水分预测模型及应用 可以根据混合料 + 0. 5 mm 的含量、核颗粒持水 量以及黏附粉持水量构建如下模型预测制粒所需的 ·376·

第4期 范晓慧等：烧结混合料适宜制粒水分的预测 ·377· 适宜水分量： 可作为适宜制粒水分的判据 W=X+0.sW。+(1-X+o5）·W。 (3) (3)制粒小球可分为黏附层和核颗粒.实验结 黏附粉持水量可由式(2)计算得到.将式(2)代入 果表明黏附层和核颗粒在制粒过程中所需水分不 式(3)，可得 同.核颗粒主要是满足自身吸水的要求；而黏附粉 W=X+0sW。+0.72(1-X+05）·W。.(4) 除此之外，还要使颗粒间的空隙填充到一定状态. 式中，X+s为混合料中+0.5mm颗粒的含量，W。为 (4)可根据混合料+0.5mm颗粒含量、核颗粒 核颗粒持水量，W为黏附粉颗粒持水量，W。为黏附 持水量和黏附粉最大毛细水量建立适宜制粒水分的 粉最大毛细水 预测模型，模型为W=X+5W。+0.72(1-X+5)·W。 采用上述模型预测了30种配料方案的制粒适 (5)根据30种混合料的适宜制粒水分研究，采 宜水分.每种配料都为铁矿石、白云石、石灰石、生 用本文模型进行预测，当绝对误差为±0.3%，预测 石灰、焦粉和返矿的混合物.通过将混合料分级成 准确率为93.3%，能满足混合料适宜制粒水分预测 +0.5mm的核颗粒和-0.5mm的黏附粉，并检测 的精度要求 每种配料方案核颗粒持水量和黏附粉最大毛细水， 按照制粒适宜水分的模型预测其适宜值，将实测值 参考文献 和预测值进行作图，见图9.如果检测值与实测值允 [1]Rankin W J,Yang J J.Granulation of mixture and its effect on 许的绝对误差为±0.3%，则模型预测的准确率可达 sintering.Sintering Pelletizing,1988(4):55 (Rankin W J,杨浚锦.混合料制粒及其在烧结中的作用.烧 93.3%. 结球团，1988(4)：55) 10 2] Fu S C,Cai R Z,Tu W.On granulating effectiveness of sinter 实测俏 mix.Sintering Pelleting,1992(4):7 预测值 (傅守澄，蔡汝卓，涂卫.烧结混合料的制粒效果及分析.烧结 球团，1992(4)：7) B] Kasai E,Rankin WJ,John FG.Effect of raw mixture properties on bed permeability during sintering.IS///nt,1989,29 (1):33 铁矿石 附粉熔剂、焦粉、返 牛 4] Sun Q,Liu Z Q.Discussion on strengthening the effect of mixture 广种类配比：含量 配比变化 比例 granulation.Shougang Sci Technol,1998(1):41 变化 变化 少化 (孙骐，刘政群.关于强化混合料制粒效果的探讨.首钢科技， 1998(1):41) ] Kapur PC.Runkana V.Balling and granulation kinetics revisi- 024681012141618202224262830 ted.Int J Miner Process,2003,72(1-4)417 实验方案编号 [6]Venkataramana R,Gupta S S,Kapur P C.A combined model for 图9制粒适宜水分实测值与预测值比较 granule size distribution and cold bed permeability in the wet stage Fig.9 Comparison between the measured and prediction values of of iron ore sintering process.Int J Miner Process,1999,57(1): the suitable water content for granulation 43 ] Kano J,Kasai E,Saito F,et al.Numerical simulation model for 30种配矿方案涉及铁矿石种类及配比的改变、 granulation kinetics of iron ores.IS/J Int,2005,45(4):500 8] 混合料粒度组成（黏附粉含量）的改变、烧结辅料 Litster J.Waters A,Nicol S.A model for predicting the size dis- tribution of product from a granulating drum.Trans Iron Steel Inst (熔剂、燃料和返矿)比例的改变以及生石灰用量的 Jpn,1986,26(12):1036 改变，如图9所示.不管是熔剂结构发生变化，还是 ] Maeda T,Fukumoto C,Matsumura T,et al.Effect of adding 铁矿石配矿结构发生变化，采用上述模型都能获得 moisture and wettability on granulation of ron ore.nt,2005, 良好的预测效果，说明该模型具有普遍性 45(4):477 10] Venkataramana R,Kapura PC,Gupta SS.Modelling of granu- 5结论 lation by a two-stage auto-ayering mechanism in continuous in- dustrial drums.Chem Eng Sci,2002,57(10):1685 (1)随着水分增加，制粒后混合料中粗粒级颗 [11]Ellis B G,Loo C E,Witehard D.Effect of ore properties on sin- ter bed permeability and strength.Ironmaking Steelmaking 粒含量增加，细粒级含量减少，混合料平均粒径增 2007,34(2):99 大，透气性首先得到大幅改善，但当水分达到一定程 02] Khosa J,Manuel J.Predicting granulating behaviour of iron ores 度后增幅放缓或有所下降 based on size distribution and composition.IS//Int,2007,47 (2)透气性增幅达到缓和或开始降低的水分点 (7):965

第 4 期 范晓慧等: 烧结混合料适宜制粒水分的预测 适宜水分量: W = X + 0. 5 ·Wc + ( 1 － X + 0. 5 ) ·Wa ． ( 3) 黏附粉持水量可由式( 2) 计算得到． 将式( 2) 代入 式( 3) ，可得 W = X + 0. 5 ·Wc + 0. 72( 1 － X + 0. 5 ) ·Wp ． ( 4) 式中，X + 0. 5为混合料中 + 0. 5 mm 颗粒的含量，Wc为 核颗粒持水量，Wa为黏附粉颗粒持水量，Wp为黏附 粉最大毛细水． 采用上述模型预测了 30 种配料方案的制粒适 宜水分． 每种配料都为铁矿石、白云石、石灰石、生 石灰、焦粉和返矿的混合物． 通过将混合料分级成 + 0. 5 mm 的核颗粒和 － 0. 5 mm 的黏附粉，并检测 每种配料方案核颗粒持水量和黏附粉最大毛细水， 按照制粒适宜水分的模型预测其适宜值，将实测值 和预测值进行作图，见图 9． 如果检测值与实测值允 许的绝对误差为 ± 0. 3% ，则模型预测的准确率可达 93. 3% ． 图 9 制粒适宜水分实测值与预测值比较 Fig． 9 Comparison between the measured and prediction values of the suitable water content for granulation 30 种配矿方案涉及铁矿石种类及配比的改变、 混合料粒度组成( 黏附粉含量) 的改变、烧结辅料 ( 熔剂、燃料和返矿) 比例的改变以及生石灰用量的 改变，如图 9 所示． 不管是熔剂结构发生变化，还是 铁矿石配矿结构发生变化，采用上述模型都能获得 良好的预测效果，说明该模型具有普遍性． 5 结论 ( 1) 随着水分增加，制粒后混合料中粗粒级颗 粒含量增加，细粒级含量减少，混合料平均粒径增 大，透气性首先得到大幅改善，但当水分达到一定程 度后增幅放缓或有所下降． ( 2) 透气性增幅达到缓和或开始降低的水分点 可作为适宜制粒水分的判据． ( 3) 制粒小球可分为黏附层和核颗粒． 实验结 果表明黏附层和核颗粒在制粒过程中所需水分不 同． 核颗粒主要是满足自身吸水的要求; 而黏附粉 除此之外，还要使颗粒间的空隙填充到一定状态． ( 4) 可根据混合料 + 0. 5 mm 颗粒含量、核颗粒 持水量和黏附粉最大毛细水量建立适宜制粒水分的 预测模型，模型为 W = X +0. 5 ·Wc +0. 72( 1 － X +0. 5 )·Wp ． ( 5) 根据 30 种混合料的适宜制粒水分研究，采 用本文模型进行预测，当绝对误差为 ± 0. 3% ，预测 准确率为 93. 3% ，能满足混合料适宜制粒水分预测 的精度要求． 参 考 文 献 ［1］ Rankin W J，Yang J J． Granulation of mixture and its effect on sintering． Sintering Pelletizing，1988( 4) : 55 ( Rankin W J，杨浚锦． 混合料制粒及其在烧结中的作用． 烧 结球团，1988( 4) : 55) ［2］ Fu S C，Cai R Z，Tu W． On granulating effectiveness of sinter mix． Sintering Pelleting，1992( 4) : 7 ( 傅守澄，蔡汝卓，涂卫． 烧结混合料的制粒效果及分析． 烧结 球团，1992( 4) : 7) ［3］ Kasai E，Rankin W J，John F G． Effect of raw mixture properties on bed permeability during sintering． ISIJ Int，1989，29( 1) : 33 ［4］ Sun Q，Liu Z Q． Discussion on strengthening the effect of mixture granulation． Shougang Sci Technol，1998( 1) : 41 ( 孙骐，刘政群． 关于强化混合料制粒效果的探讨． 首钢科技， 1998( 1) : 41) ［5］ Kapur P C，Runkana V． Balling and granulation kinetics revisi￾ted． Int J Miner Process，2003，72( 1-4) : 417 ［6］ Venkataramana R，Gupta S S，Kapur P C． A combined model for granule size distribution and cold bed permeability in the wet stage of iron ore sintering process． Int J Miner Process，1999，57( 1) : 43 ［7］ Kano J，Kasai E，Saito F，et al． Numerical simulation model for granulation kinetics of iron ores． ISIJ Int，2005，45( 4) : 500 ［8］ Litster J，Waters A，Nicol S． A model for predicting the size dis￾tribution of product from a granulating drum． Trans Iron Steel Inst Jpn，1986，26( 12) : 1036 ［9］ Maeda T，Fukumoto C，Matsumura T，et al． Effect of adding moisture and wettability on granulation of iron ore． ISIJ Int，2005， 45( 4) : 477 ［10］ Venkataramana R，Kapura P C，Gupta S S． Modelling of granu￾lation by a two-stage auto-layering mechanism in continuous in￾dustrial drums． Chem Eng Sci，2002，57( 10) : 1685 ［11］ Ellis B G，Loo C E，Witchard D． Effect of ore properties on sin￾ter bed permeability and strength． Ironmaking Steelmaking， 2007，34( 2) : 99 ［12］ Khosa J，Manuel J． Predicting granulating behaviour of iron ores based on size distribution and composition． ISIJ Int，2007，47 ( 7) : 965 ·377·