钒钛铁精矿内配碳球团强度性能研究.pdf

第3 4 卷第1 期 2 0 1 4 年0 2 月 矿冶工程 M 田ⅧN GA N DM 咂T A L I 瓜G I C A LE N G Ⅱ啦雹R 玳G V 0 1 ．3 4 №1 F e b m a r v2 0 1 4 钒钛铁精矿内配碳球团强度性能研究① 李俊翰1 ”，邱克辉1 ，杨绍利2 ，孙宁1 1 ．成都理工大学，四川成都6 1 0 0 5 9 ；2 ．攀枝花学院，四川攀枝花6 1 7 0 0 0 摘要以钒钛铁精矿和煤粉为原料，聚乙烯醇为粘结剂，采用单因素实验和正交实验研究了铁精矿粒度、粘结剂加入量、压强、水 分含量等因素对钒钛铁精矿内配碳球团抗压强度和下落强度指标的影响，并对其影响规律进行了分析。结果表明影响球团抗压 强度的主次因素依次为粘结剂加入量、压强、铁精矿粒度、水分含量，影响球团下落次数的主次因素依次为粘结剂加入量、水分含 量、铁精矿粒度、压强。得出优化的压力成球工艺参数为铁精矿粒度一7 4 斗m 粒级占7 0 ％、粘结剂加入量O ．5 ％、压强1 0M P a 、水分 含量8 ％。此条件下制备的球团抗压强度为7 8 ．7 4N ，下落次数为3 1 ．6 次。 关键词钒钛铁精矿；内配碳球团；抗压强度；下落次数 中图分类号T F D 4 6文献标识码A d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 6 0 9 9 ．2 0 1 4 ．0 1 ．0 1 6 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 4 0 1 一0 0 5 7 一0 4 R e s e a r c ho nS t r e n g t hP r o p e 硝e so fC a r b o n - C o n t a i l l i n gP e l l e to f V a n a d i 啪- T i t a n i 岫l r o no r eC 0 n c e n t r a t eVa n a m U m - 1 。l 协n l 岫l r o nU r eU 0 n C e n t r a t e L IJ u n ．h a I l l ”，Q I UK e ．h u i1 ，Y A N GS h a o ．1 i 2 ，S U NN i n 9 1 1 ．C 船n g d “跏泐您渺旷死砒加f o g y ，现e 凡列u6 1 0 0 5 9 ，．s 溉Ⅱo n ，C i n n ；2 ．P 0 砌诜配o ‰i 卯瑙妙，凡凡娩i ∽6 1 7 0 0 0 ， S 沈 L ‘口n ，C 危i n o A b s t r a c t W i 山v a n a d i u m t i t a n i u mi m nc o n c e n 眦ea n dc o a lp o w d e ra sr a wm a t e r i a l s ， p o l y v i n y la l c o h o la Sb i n d i n g a g e n t ，i n n u e n c e so ff a c t o l l si n c l u d i n gp a r t i c l es i z eo fc o n c e n 舰t e ， a d d i t i o no fb i n d i n ga g e n t ， p r e s s u r ea n dm o i s t u r e c o n t e n t ，o nc o m p r e s s i o ns t r ℃n g t } la n df 甜l i n g s t I ℃n 昏ho fc 幽n c o n t a i n i n gp e U e t sa n dc o r r e s p o n d i n gi I l f l u e n c i n gl a ww e r e s t u d i e dt h r o u g has e r i e so fs i n d e f a c t o re x p e r i m e n ta n do r t h o g o n a le x p e r i m e n t ．R e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec o m p r e s s i o n s t r e n 群hw a s 世b c t e db yt h ef o l l o w i n gf a c t o r si nd e s c e n d i n go r d e ro fp r i o r i t y a d d i t i o no fb i n d i n ga g e n t ， p r e s s u r e ， p a r t i c l es i z eo fi m no r e c o n c e n t r a t ea n dm o i s t u r ec o n t e n t ，w h i l et h ef a c t o r si l l f l u e n c i n gf 甜l i n gt i m e sw e r el i s t e d i nt h e f o l l o w i n gd e s c e n d i n go r d e r a d d i t i o no fb i n d i n ga g e n t ，m o i s t u r ec o n t e n t ，p a r t i c l es i z e o fi r o nc o n c e n t r a t ea n dp r e s s u r e ． T h eo p t i m i z e dt e c h n o l o g i c a lp 籼e t e r sw e r eo b t a i n e da sf o l l o w s w i t l li m nc o n c e n t r a t ea tt h es i z ef h c t i o no fm i n u s 一7 4 斗m7 0 ％，a d d i t i o no fb i n d i n ga g e n ta r o u n d0 ．5 ％，p r e s s u r eo f1 0M P aa n dm o i s t u r ec o n t e n ta t8 ％，t h ec o m p r e s s i o n s t r e n 殍ho ft h ep r e p a r e dp e l l e t sr e a c h e d7 8 ．7 4N w i t h31 ．6t i m e so f 柚i n g ． K e yw o H b v a n a d i u m t i t a n i u mi r o no r ec o n c e m r a t e ；c 盯b o n - c o n t a i n i n gp e l l e t ；c o m p r e s s i o ns t r e n 昏h ；d r o pt i m e s 钒钛磁铁矿是一种多金属共伴生矿，它不仅是铁 的重要来源，而且伴生钒、钛、铬、钴、镍、铂族等多种组 分，具有很高的综合利用价值，主要分布在我国的攀 西、马鞍山和承德地区。攀西地区的钒钛磁铁矿储量 达1 0 0 亿吨，其中钛 以T i O 计 达8 ．7 亿吨，占全国 钛资源的9 1 ％以上‘2J 。几十年来攀西钒钛磁铁矿主 要以传统的高炉．转炉流程回收铁、钒，钛进入高炉渣 而基本无回收，造成钛资源的极大浪费“ 。J 。随着煤 基直接还原技术的广泛兴起，钒钛磁铁矿中铁钒钛资 源综合利用得以实现。该技术是将钒钛铁精矿粉、还 原剂和粘结剂混匀后，经圆盘造球或压力成球形成一 种含碳和钒钛铁精矿粉的球团或压块，统称内配碳 煤 球团；随后在转底炉、隧道窑或回转窑内经高温 快速还原得到金属化球团，再经电炉熔分或者磁选分 离，以综合回收利用钒钛磁铁矿中的铁钒钛资源。因 此，内配碳 煤 球团的物理机械性能 抗压强度、下落 次数 对后期的物料输运和炉内布料∽j 、还原过程的 金属化率、热传导有着重要的影响。笔者以聚乙烯醇 为粘结剂，钒钛铁精矿和煤粉为原料，通过单因素实验 和正交实验研究了铁精矿粒度、粘结剂加入量、压强、 水分含量对钒钛铁精矿内配碳 煤 球团强度的影响。 ①收稿日期2 0 1 3 0 6 1 5 基金项目国家自然科学基金项目 5 1 1 7 4 1 2 2 ；攀枝花市应用技术研究与开发项目 2 0 1 3 C Y G 一3 2 作者简介李俊翰 1 9 8 5 一 ，女，四川达州人，博士研究生，研究方向为钒钛磁铁矿综合利用。 通讯作者邱克辉 1 9 5 5 一 ，男，四川资中人，教授，博士研究生导师。研究方向为金属矿产与金属材料。 万方数据 矿冶工程 第3 4 卷 1 实验 1 ．1 原料 实验用钒钛铁精矿和煤粉由凉山州某公司提供。 钒钛铁精矿经破碎、研磨、筛分处理后作实验用原料， 其化学多元素分析见表1 ；煤粉作为钒钛铁精矿内配 碳球团直接还原过程的还原剂，其工业分析见表2 。 聚乙烯醇作实验用粘结剂。 表1 钒钛铁精矿化学多元素成分 质量分数 ／％ 固定碳挥发分 V f 硫灰分 A f 热值 ／％ ／％／％／％ ／ k J k g 一1 7 9 ．3 31 0 ．6 2O ．6 99 ．3 62 8 5 1 l 1 ．2 设备与器材 实验用设备主要有自制球团压力成型模具，S B 一 3 0 手动液压式压片机，z Q 卜I I 智能颗粒强度实验机， 高温干燥箱，电子天平，恒温水浴锅，烧杯，量筒等。 1 ．3 实验过程 实验过程主要包括原料的烘干、配料、混料、压球、 性能测试5 个步骤。将铁精矿和煤粉在高温干燥箱内 于1 1 0 ℃下烘干3h ，直至矿粉的游离水完全蒸发。按 预定的原料配比分别称取一定质量的钒钛铁精矿粉和 煤粉置于塑料盆中并充分混匀，量取一定质量的粘结 剂溶液倒入混合料中，混匀后放置5 ～1 0m i n ，待粘结 剂中的有机分子与矿粉颗粒充分结合即可。准确称取 该混合料2 5g 装入模具中，将模具放置于手动液压制 片机上进行压球，观察压力表上的数字，达到预定压强 后保压1 0s ，取下模具进行球团脱模，随即得到钒钛铁 精矿内配碳球团。然后每组选择5 个球团做下落次数 和抗压强度检测，取其平均值。 2 结果与讨论 2 ．1 单因素影响分析 2 ．1 ．1 铁精矿粒度对球团强度的影响当矿煤质量 比为4 1 ，水分含量为8 ％，保压1 0s ，粘结剂加入量为 0 ．4 ％，压强为8M P a 时，铁精矿粒度对钒钛铁精矿内 配碳球团强度的影响见图1 。从图1 可以看出，随着 钒钛铁精矿中一7 4 斗m 粒度比例的增加，球团的抗压 强度在7 0N 上下波动，而下落次数呈逐渐减少的趋 势。一7 4 m 粒度比例为7 5 ％时，球团抗压强度达到 此区间内的最大值6 6 ．5N ／球。当一7 4 斗m 粒度比例在 7 0 ％～7 5 ％之间时，球团下落次数由1 9 ．5 次迅速降低 到8 次；在7 5 ％～9 0 ％范围内，下落强度在6 次上下波 动。这是由于在压制成球过程中，铁精矿和煤粉颗粒 均受到压力作用而产生位移，较细的矿粉颗粒逐渐填 充于较大颗粒之间的空隙中，使得矿粉颗粒排列紧密， 球团变得密实。根据颗粒致密堆积理论∞1 ，矿粉颗粒 需要具有适宜的形状、粒度和粒级搭配，在外力作用下 受迫流动才能形成致密的堆积体。此类堆积体内接触 点相对较多，空隙体积相对较小，数量也较少，因而球 团的落下强度越高。7J 。但随着铁精矿粉微细颗粒的 增多，较大的矿粉难以填充主体微细颗粒之间的空隙， 此时颗粒之间主要靠粘结吸附力和压力结合在一 起旧J ，从而影响球团的下落强度。综合考虑，铁精矿 粒度应选择一7 4 斗m 粒级占7 0 ％。 _ 7 4I I I I 啦级含量／％ 图1 铁精矿粒度对球团强度的影响 2 ．1 ．2 粘结剂加入量对球团强度的影响当矿煤质 量比为4 1 ，压强8M P a ，保压1 0s ，水分含量8 ％，铁精 矿一7 4 斗m 粒级占6 5 ．5 ％时，粘结剂加入量对钒钛铁精 矿内配碳球团强度的影响见图2 。 粘结剂加入量／％ 图2 粘结剂加入量对球团强度的影响 从图2 可知，球团的下落次数和抗压强度均随粘 结剂加入量的增加而不断提高。当粘结剂加入量在 O ．1 ％～0 ．3 ％之间时，球团的下落次数很低，在3 ．5 1 0 万方数据 第1 期 李俊翰等钒钛铁精矿内配碳球团强度性能研究 次之间，不能满足工业需求；超过O ．3 ％以后，下落次数 随粘结剂增多而逐渐上升。当粘结剂含量低于0 ．4 ％ 时，球团的抗压强度随着粘结剂加入量的增多而快速 提高，当达到0 ．5 ％时，抗压强度为1 0 1 ．8N ／球，增速放 缓且趋于稳定。根据文献[ 9 ] 显示，在一定的范围内， 粘结剂的加入量与球团的机械强度呈正相关；超过一 定用量之后，对球团的强度性能影响不大。综合考虑， 选择粘结剂加入量为0 ．5 ％。 2 ．1 ．3 压强对球团强度的影响当矿煤质量比为4 l ， 水分含量8 ％，保压1 0s ，粘结剂加入量为0 ．4 ％，铁精 矿一7 4 肌粒级占6 5 ．5 ％时，压强对钒钛铁精矿内配碳 球团强度的影响见图3 。 压强／M P a 图3 压强对球团强度的影响 从图3 可以看出，随着成球压强的逐渐增大，球团的 抗压强度和下落次数均呈上升趋势。当成球压强为1 2 M P a 时，球团抗压强度达本实验区间内的最大值8 6 ．2N ， 下落次数达到最大值3 0 次。当成球压强较小时，矿粉颗 粒间的结合不紧密，一方面使得球团强度较低，不利于生 产过程中的输运；另一方面不利于球团在后期直接还原 过程中的热传导，使得导热率下降，球团的金属化率较 低。成球压强较大时，球团强度提高，但是球团内部矿粉 髑啦排列过于致密，不利于直接还原过程的气氛扩散，对 设备及动力的要求也较高。因此，综合考虑球团强度和 生产成本两个因素，适宜的成球压强为1 2M P a 。 2 ．1 ．4 水分含量对球团强度的影响当矿煤质量比为 4 1 ，压强8M P a ，保压1 0s ，粘结剂加人量为0 ．4 ％，铁精 矿一7 4 岬粒级占6 5 ．5 ％时，水分含量对钒钛铁精矿内 配碳球团强度的影响见图4 。从图4 可以看出，随着水 分的增加，生球的抗压强度和下落次数均呈先增大后减 小的趋势，当水分含量为9 ％时，球团抗压强度为8 9 ．2 5 N ，下落次数为6 3 次，两者均达到本实验取值范围内的 最大值。钒钛铁精矿属于亲水性物质，其持水量与钒钛 铁精矿内配碳球团的含水量具较高的正相关性。压球 过程中，当外加水量低于矿粉本身持水量时，球团中矿 粉颗粒之间的毛细水就会不足，矿粉颗粒就不能得到必 要的密集和填充，空隙会被空气填充导致球团强度较 低；当水分含量过高时，矿粉颗粒之间的毛细水处于过 饱和状态，并形成一定的重力水而使球团内部结构遭到 破坏，不仅容易使球团发生变形m 1 ，同时也增加球团脱 模的难度。综合考虑，选择水分含量为9 ％为宜。 水分含量／％ 图4 水分含量对球团强度的影响 2 ．2 正交实验结果分析 2 ．2 ．1 直观分析本次正交实验采用L 。 3 4 正交表 进行实验，实验方案和极差计算结果见表3 、表4 。 表3 正交实验因素水平表 图5 直观地展示了各因素对球团抗压强度和下落 次数的影响规律，极差值越大，表示球团的强度指标越 好。从表4 和图5 均可以看出影响球团抗压强度指标 的因素依次为B 粘结剂加入量 C 压强 A 铁精 一愀且一，，B，殂” 塑度一 枞一一州一椰；耋哪一一一 屿一D肋一∽㈣∽∽㈣㈣一一c～一㈨㈣㈣㈣㈣㈤“-一／一㈢㈦㈢㈦㈦㈢瓤一A膨一㈣㈣㈣㈨㈣㈣ 一瓣一。，4，6 5 ●j吼，如卫弱4卯缸“ 8 9 7 广、”D m 6 8 ㈤㈩㈤ 3 4 5 0 0 0 ”∞” 加加加 ””” 7 8 9 万方数据 矿冶工程 第3 4 卷 矿粒度 D 水分含量 ；影响球团下落次数指标的因 素依次为B 粘结剂加入量 D 水分含量 A 铁精 矿粒度 C 压强 。 2 0 Z1 5 世 皆I o 蝠 0 ～B CD 因素 图6 展示了球团的强度指标随各因素变化的大体 趋势。从抗压强度指标来看，因素A 和D 均对其呈先 升高后降低的趋势，因素B 和C 均对其呈上升趋势， 且B 的提高幅度很大。因此确定球团抗压强度的最 佳水平组合为A ，B 。C ，D 。；从下落次数指标来看，因素 A 、B 、c 均对其呈上升趋势，特别是A 、B 的增幅很大， 几乎呈直线上升，因素D 对其呈先降低后升高的趋 势，因此确定球团下落次数的最佳水平组合为 A B ，C ，D 。对于显著性因子应该选择其最好的水平， 因为其水平变化会造成指标的显著不同，而不同显著 因子可以在一定范围内择优选择水平对比单因素分 析结果，考虑抗压强度指标时，铁精矿粒度组成 一7 4 灿m 占有率 可以在7 0 ％～7 5 ％范围内选择，而7 0 ％条 件下球团下落强度也较高；水分含量可以在8 ％一1 0 ％ 范围内选择，而8 ％条件下的球团强度指标均较好。 ～lA 2A 3B l B 2 B 3C lc 2c 3D 1 脱D 3 水平 图6 因素与球团强度的关系 综合两个指标考虑，铁精矿粒度 一7 4 斗m 选择7 0 ％， 水分含量选择8 ％为宜。因此，综合单因素分析和正 交实验最终确定优化的水平组合为A ，B ，C ，D ，而在9 组实验中没有包括这个水平组合，故要进行验证实验。 2 ．2 ．2验证实验在实验中将优化的水平组合 A ，B 。C ，D 与极差分析中最佳的两个水平组合 A 3 8 3 C 3 D 。和A 2 8 3 C 3 D 2 作对比实验分析。A 3 8 3 C 3 D 2 的球团抗压强度为7 8 ．7 4N ，下落次数为3 1 ．6 次； A ，B ，C ，D 。的球团抗压强度为7 3 ．4 5N ，下落次数为 2 3 ．5 次；A B ，C ，D 的球团抗压强度为7 2 ．6 5N ，下落 次数为2 0 ．8 次，由此验证了最优水平组合的准确性。 即当铁精矿粒度一7 4 岬粒级占7 0 ％、粘结剂加入量 0 ．5 ％、压强1 0M P a 、水分含量8 ％时，此条件下制备的 钒钛铁精矿内配碳球团性能最好。 3 结论 1 单因素实验结果表明，球团的抗压强度和下落 次数均随粘结剂加入量和压强的增大而提高；随着水 分的增加，两项指标呈先升后降的趋势；随着铁精矿 一7 4 斗m 粒级含量的提高，球团的下落次数呈逐渐减 少的趋势，抗压强度在7 0N 上下波动。 2 正交实验结果表明，影响球团抗压强度的主次 因素依次为粘结剂加人量、压强、铁精矿粒度、水分含 量；影响球团下落次数的主次因素依次为粘结剂加入 量、水分含量、铁精矿粒度、压强。 3 综合单因素实验和正交实验所获得的优化工 艺参数为铁精矿一7 4 弘m 粒级含量为7 0 ％、粘结剂加 人量0 ．5 ％、压强1 0M P a 、水分含量8 ％。此条件下制 备的球团的抗压强度为7 8 ．7 4N ，下落次数为3 1 ．6 次。 参考文献 [ 1 ] 龚银春，邱克辉，李俊翰，等．由含钛高炉渣低温酸碱法制取富钛 料[ J ] ．矿冶工程，2 0 1 0 ，3 0 2 7 9 8 2 ． [ 2 ]朱俊士，建立矿业开发新理念促进矿业可持续发展[ c ] ∥金属矿 山，2 0 0 4 年全国选矿新技术及其发展方向学术研讨及技术交流 会论文集，2 0 0 4 卜3 ． [ 3 ] 郭玉华，徐海川，齐渊洪，等．含碳球团冷固结成型试验[ J ] ．矿冶 工程，2 0 1 0 ，3 0 1 6 2 6 4 ． [ 4 ]曹明明，张建良，薛逊，等．钒钛磁铁矿冷压含碳球团的粘结剂 选择[ J ] ．矿冶工程，2 0 1 2 5 6 7 7 1 ． [ 5 ] 汪云华．内配碳固态还原钒钛磁铁矿试验研究[ J ] ．矿冶工程， 2 0 1 3 4 9 卜9 4 ． [ 6 ]叶菁．粉体科学与工程基础[ M ] ．长沙科学出版社，2 0 0 9 ． [ 7 ] R a n j a nS ，S i d d l l a m mM ，e t8 1 ．E 伍e c t0 fG m d i n g0 fC h m m i t eO r 髓o n t l l eQ u a l i t yo fB 五q I l e t l 璐[ J ] ．I s UI I l t e m a t i o I I a l ，2 0 l O ，5 0 2 2 0 0 1 ． [ 8 ] 范晓慧，襄晓丽．铁精矿粒度对球团强度的影响[ J ] ．有色金属学 报，2 0 0 6 ，1 6 1 1 1 9 6 6 一1 9 7 0 ． [ 9 ]阴继翔．粘结剂对球团性能的影响[ J ] ．太原理工大学学报， 2 0 0 0 ，3 1 5 5 5 6 5 5 9 ． [ 1 0 ] x 粥崩L ，a l 吼g I I E I I l gB ，G m 啪Q ，e ta 1 ．M 0 i s h 玳c a l 眦时瞄I l i 一 6 ∞，M t 鼬W 嬲e n t ，a n d A p p l i 咖i 伽i I lD e 嘧峨t h e0 p t i n l 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