粘结剂对某高铁尾矿含碳球团强度的影响.pdf

第3 3 卷第6 期 2 0 1 3 年1 2 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G Ⅱ忸E R Ⅱq G V 0 1 ．3 3 №6 D e c e m b e r2 0 1 3 粘结剂对某高铁尾矿含碳球团强度的影响① 刘真真，孙体昌，余文，高恩霞，徐承焱，刘志国 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京1 0 0 0 8 3 摘要C M C 、糖浆、淀粉、膨润土、水玻璃、标准水泥等单一及复合粘结剂对某高铁尾矿压球球团强度的影响。结果表明，C M C 、膨 润土为粘结剂时生球效果较佳，落下次数大于4 次，湿球抗压大于4 0N ，干球抗压大于1 8 0N ；糖浆作为粘结剂时能显著提高球团干 球强度，其落下次数大于2 0 次，抗压强度达到7 3 0N ；高温强度试验表明，球团强度在焙烧初期急速下降，焙烧后期随着烧结现象的 发生和金属铁的生成，球团强度逐渐增强；球团孔隙率测定试验表明，在焙烧初期球团孔隙率迅速增大，在焙烧5m i n 时达到最大， 超过5 0 ％；最终确定0 ．4 ％C M C 和8 ％膨润土为该矿的最佳粘结剂配比组合，在此条件上压球，并将球团矿直接还原磁选，可得到全 铁品位9 5 ．6 4 ％，回收率8 8 ．4 2 ％的直接还原铁。 关键词含碳球团；粘结剂；高温强度；孑L 隙率；还原铁 中图分类号T F 0 4 6文献标识码Ad o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 6 0 9 9 ．2 0 1 3 ．0 6 ．0 2 2 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 3 0 6 0 0 8 4 一0 4 I m p a c to fB i n d e ro nS t r e n g t ho fC a r b o n - c o n t a i n i n gP e l l e to f H i g h - i r o nT a i l i n g s L I UZ h e n z h e n ，S U NT i c h a n g ，Y UW e n ，G A OE n x i a ，X UC h e n g - y a n ，L I UZ h i g u o S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fH i g hE f f i c i e n tM i n i n ga n dS a f e t yo fM e t a lM i n e so fM i n i s t r yo fE d u c a t i o n ，U n w e n i t yo fS c i e n c e a n dT e c h n o l o g yB e i j i n g ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h ei m p a c to fs i n g l ea n dm i x e db i n d e ro fC M C ，m o l a s s e s ，s t a r c h ，b e n t o n i t e ，s o d i u ms i l i c a t ea n ds t a n d a r d c e m e n to nt h es t r e n g t ho fp r e s s e dp e l l e t so fh i g h i r o nt a i l i n g sw a ss t u d i e d ．R e s u l t ss h o wt h a tC M Co rb e n t o n i t eu s e da s t h eb i n d e rr e s u l t e di ng r e e np e l l e t sw i t hm o r et h a n4t i m e so fd r o p p i n g ，w e tc o m p r e s s i v es t r e n g t hg r e a t e rt h a n4 0N ，d r y c o m p r e s s i v es t r e n g t hg r e a t e rt h a n18 0N w h i l em o l a s s e su s e da st h eb i n d e rc a nr e m a r k a b l yi n c r e a s et h es t r e n g t ho fd r y p e l l e t sw i t hm o r et h a n2 0t i m e so fd r o p p i n ga n dc o m p r e s s i v es t r e n g t hu pt o7 3 0N ．Ah i g h - t e m p e r a t u r es t r e n g t ht e s t s h o w e dt h a tt h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho fp e l l e t sd r o p p e ds h a r p l ya tt h eb e g i n n i n go fr o a s t i n g ，b u tg r a d u a l l yi n c r e a s e dw i t h t h eo c c u r r e n c eo fs i n t e r i n ga n dm e t a l l i ci r o ng e n e r a t i o n ．R e s u l t so fp e l l e tp o r o s i t yd e t e r m i n a t i o nt e s t ss h o w e dt h a tp e l l e t p o r o s i t ya l s oi n c r e a s e dq u i c k l ya tt h eb e g i n n i n go fr o a s t i n g ，m a x i m a l l yo v e r5 0 ％a f t e rb e i n gr o a s t e df o r5r a i n ．I tw a s f i n a l l yd e t e r m i n e dt h a tt h em i x t u r eo fC M C t h em a s sf r a c t i o no f0 ．4 ％ a n db e n t o n i t e t h em a s sf r a c t i o no f8 ％ i su s e d a sa no p t i m a lb i n d e rc o m b i n a t i o n ．A f t e rb e i n gp r e s s e du n d e rs u c hc o n d i t i o n ，p e l l e tw a ss u b j e c t e dt ot h ep r o c e s so f d i r e c t r e d u c t i o n - m a g n e t i cs e p a r a t i o n ，l e a d i n gt ot h ed i r e c tr e d u c e di r o n D R I w i t haT F eg r a d eo f9 5 。4 ％a n dr e c o v e r yo f8 8 ．4 2 ％。 K e yw o r d s c a r b o n c o n t a i n i n gp e l l e t ；b i n d e r ，h i g h t e m p e r a t u r es t r e n g t h ；p o r o s i t y ；d i r e c tr e d u c e di r o n D R I 我国选矿每年产生的尾矿排弃物超过5 亿吨，尾 矿的潜在价值约13 0 0 亿元。堆存的铁尾矿量占全部 尾矿堆存总量的近1 ／30 1 - 2 ] 。矿山尾矿作为一种二次 矿产资源，其二次利用的意义已经越来越明显。本文 处理的物料为某高铁尾矿，该尾矿为宁夏某铁矿选矿 厂用强磁选法处理赤铁矿石所得，其特点是粒度细、铁 品位超过3 0 ％，针对该尾矿目前未能找到合理的处理 方法。 近年来采用直接还原的方法处理难选铁矿石受到 广泛关注，进行了很多研究工作，也取得了较好的结 果旧J 。闫树芳H 1 等采用直接还原的方法处理铁品位 为3 3 ．5 7 ％的某菱铁矿得到了铁品位为9 4 ．7 0 ％、回收 率为9 0 。2 8 ％的直接还原铁产品。 粉矿的直接还原在工业应用中存在诸多问题，如 影响料层的透气性、恶化炉内环境、还原速度变慢、运 输困难等。近年来对原矿压球直接还原焙烧一磁选工 艺也有研究，效果较理想，且具有工艺流程简单、原料 适宜粒度范围广、可提高焙烧矿的金属化率和金属回 ①收稿日期2 0 1 3 0 6 0 8 作者简介刘真真 1 9 8 9 一 ，女，山东聊城人，硕士研究生，主要研究方向为复杂难处理矿石的高效利用。 通讯作者孙体昌 1 9 5 8 一 ，男，河北保定人，教授，博士，主要从事复杂难选铁矿石综合利用、铁矿石的选矿工艺及理论、硫化矿的浮选等研究工作。 万方数据 第6 期刘真真等粘结剂对某高铁尾矿含碳球团强度的影响 收率的特点”J 。魏玉霞M 1 等采用球团直接还原的方 法处理某品位为3 3 ．7 5 ％的难选菱铁矿，得到了铁品位 9 2 ．7 6 ％、回收率为8 5 ．9 7 ％的直接还原铁产品。 由于尾矿粒度很细，所以原尾矿进行压球之后再 直接还原焙烧更合理。而应用含碳球团还原焙烧的关 键问题之一是冷固结球团的强度，特别是高温强度。 为考察高铁尾矿用含碳球团直接还原焙烧回收铁的可 能性，本文重点研究了不同粘结剂对该高铁尾矿含碳 球团生球强度及高温强度的影响。 1 试验原料及性质 试验所用原料为宁夏某高铁尾矿，以下简称铁尾 矿，全铁品位为3 2 ．8 7 ％。由于矿物粒度对压球有影 响，为确定原矿的粒度分布，对原矿进行了粒度分析， 其结果见表l 。原矿X 射线荧光光谱半定量分析及x 射线衍射分析如表2 、图1 所示，分析可知原矿所含主 要矿物为赤铁矿与石英。 表1 铁尾矿粒度分析 质■分数】／％ 表2 铁尾矿主要元素含量【质量分数 ／％ A 一石英 B 一赤铁矿 A lB．出铽i ＆鳅△钆e ．。。 一 J ‘ 4 06 0鼬 2 0 ／ o 图1 矿样X R D 图谱 l ∞ 试验主要添加剂为内配煤和粘结剂。内配煤为宁 夏褐煤，水分1 1 ．7 7 ％，灰分1 9 ．9 0 ％，挥发分2 8 ．1 8 ％， 固定碳5 1 ．9 2 ％，破碎至一1m m 。 粘结剂在冷固结球团中起着重要的作用。川，它能 在常温或特定条件下在球团内部发生一系列物理化学 变化，从而起到粘结作用，提高球团强度。试验所用粘 结剂包括无机粘结剂和有机粘结剂两类，其中无机粘 结剂包括水玻璃、膨润土、耐火水泥和标准水泥；有机 粘结剂包括羧甲基纤维素钠 C M C 、可溶性淀粉和糖 浆。其中，C M C 和水玻璃为分析纯试剂，可溶性淀粉 为化学纯试剂，糖浆、膨润土和水泥为工业产品。 2 试验方法 含碳球团的制备将原矿、内配煤及粘结剂按一定 质量分数称重混匀，再添加一定质量分数的水搅拌混 匀后，经对辊压球机压制得到含碳球团。 生球强度测定包括湿球和晾干后球团的落下次 数和抗压强度。落下次数为球团自5 0c m 高度落在 1 0m m 厚钢板上直至破碎的次数，一般大于4 次 包括 4 次 达到要求；抗压强度是用智能颗粒强度测定仪测 定，单位为N ，数据均为5 个球测定值的平均值。 高温强度测定将球团放置石墨坩埚中，在马弗炉 升温到12 0 0 ℃时，焙烧一定时间后取出置人宁夏褐煤 中冷却至室温，再测量其抗压强度，数据为3 个测量值 的平均值。 直接还原焙烧磁选在确定球团最佳粘结剂后，对 球团进行直接还原焙烧一磨矿弱磁选试验。将球团放 人石墨坩埚中，覆盖3g 外配煤，加盖放人已升温至 12 0 0 。C 的马弗炉中焙烧不同时间，取出后置入宁夏褐 煤中确保球团在还原环气氛中降至室温，球团破碎后 经两段磨矿磁选，得到最终直接还原铁产品。 孔隙率测定不同球团的孔隙率按以下公式计算 孔隙率 訾1 0 0 ％ 其中真密度是将矿样磨至O ．0 7 4m m ，用1 0 0m L 比重 瓶测定；视密度是由封蜡法测定，用6 0 ℃左右的石蜡 溶液将球团的孔隙封住后再放入水中测定密度旧曲』。 3 试验结果 3 ．I 不同粘结剂对球团生球强度的影响 取一定量的原矿配人2 0 ％的宁夏褐煤、适量的水 以及不同种类的粘结剂进行压球试验，结果见表3 。 表3 单一粘结剂时球团配比及生球强度 篷臻恻材嵫下谶干嚣下蒜 。 ⋯ ／％／ 次5 0c m “ ／N ／ 次5 0c m 一1 ／N P l1 4 ．4C M C0 ．44 ．24 0 ．5 6 P 2 2 ．7 糖浆 1 53 ．02 3 ．4 4 P 3 1 5 ．6 淀粉 1 03 ．24 7 ．0 0 P 4 1 3 膨润土1 07 ．64 3 ．7 8 P 5 1 1 ．7 水玻璃 1 01 ．81 8 ．8 D P 6 1 5 ．6 耐火水泥 1 01 ．03 0 L 0 0 P 7 1 5 ．6 标准水泥 l O1 ．54 7 ．9 0 4 ．21 9 1 。8 0 2 07 3 0 ．0 0 6 ．71 4 2 ．嘴 5 ．51 跖．∞ 1 ．7 4 5 ．5 2 l ，0撒5 0 4 ．5 1 4 6 ．0 0 万方数据 矿冶工程 第3 3 卷 由表3 可知，当使用单一粘结剂时，球团P 1 和P 4 的生球强度较好，落下次数均大于4 次，湿球的抗压强 度也分别达到4 0 ．5 6N 和4 3 ．7 8N ；P 2 湿球强度较低， 干球强度高，落下次数大于2 0 次，抗压强度达到7 3 0 N ；P 5 、P 6 球团湿球干球强度均较低。 以上数据表明，C M C 对提高球团生球落下和抗压 强度作用最为显著，且用量仅为原矿的0 ．4 ％；其次为 膨润土和可溶性淀粉，在其用量为原矿1 0 ％时，生球 强度基本达到要求；糖浆作为粘结剂时对球团干球强 度的提高作用显著，但其湿球强度低，用量高；水玻璃、 耐火水泥及标准水泥对提高该矿球团强度效果较差， 不是本矿压球理想的粘结剂。 3 ．2 复合粘结剂对球团生球强度的影响 从单一粘结剂试验中发现不同的粘结剂对提高湿 球和干球的落下和抗压强度有不同的效果，为此考虑 使用复合粘结剂，利用各种粘结剂的优点。本文分别 尝试使用不同配比的C M C 和糖浆、标准水泥、膨润土 以及糖浆和膨润土作为复合粘结剂进行压球试验，试 验结果见表4 。 表4 使用复合粘结剂时球团性能 窖德粘鬻，。蕙1 群，。震1 雾 P 81 2 O ．4 ％C M C 8 ％糖浆 7 ．63 1 ．8 0 2 05 11 ．8 P 91 5 ．40 ．4 ％C M C 8 ％标准水泥3 ．76 3 ．6 73 ．01 6 4 ．9 0 P 1 01 5 ．00 4 ％C M C 5 ％膨润土9 ．44 1 ．黯1 3 ．01 8 1 ．0 0 P ll 1 5 ．40 ．4 ％C M C 8 ％膨润土 1 0 ．64 5 ．6 81 4 ．32 2 2 ．加 P 1 21 2 ．5 5 ％糖浆 5 ％膨润土4 ．6 丝5 6 2 02 4 8 ．5 7 使用C M C 和糖浆混合粘结剂的球团P 8 其湿球平 均落下次数达到7 ．6 次，抗压强度达到3 1 ．8N ，干球落下 超过2 0 次，抗压强度也达到5 1 1 ．8N 。球团P 1 0 和P 1 1 以C M C 与膨润土做粘结剂，降低膨润土用量的同时球 团强度也有所提高，生球落下次数均9 次以上，湿球抗 压强度大于4 0 N ，干球抗压强度大于1 8 0N 。糖浆与膨 润土做粘结剂时，湿球落下次数4 ．6 次，抗压2 2 ．5 6N ， 干球落下次数大于2 0 次，抗压强度2 4 8 ．5 7N 。 3 ．3 焙烧对球团强度的影响 根据上述研究结果，选取强度符合要求的球团 P 1 、P 2 、P 4 、P 8 、P 1 0 、P 1 l 及P 1 2 测定其高温强度，其结 果如图2 所示。从图2 可以看出，虽然不同粘结剂的 球团干球抗压强度差别较大，但在高温焙烧过程中强 度变化趋势基本一致，在焙烧初期0 2m i n 时球团抗 压强度降低 C M C 和糖浆为有机物，在常温下依靠其 物理化学特性使球团抗压强速显著提高，在高温下有 机物将会分解，因此在焙烧初期球团P 2 、P 8 的抗压强 度下降尤为显著 ，2 - 4m i n 时球团抗压强度变化速度 减缓，其值达到最低，4 ～8m i n 时球团强度又逐渐 提高。 图2 焙烧时间对球团高温强度的影响 只添加C M C 的球团P l 初始强度为1 9 1 ．8 0N ，焙 烧2m i n 时降低到最低值2 1 ．1 7N ，焙烧4m i n 时强度 缓慢提高至3 6 ．5 5N ，在焙烧时间为8m i n 时，球团的 抗压强度迅速提高至8 2 5N ；只添加糖浆的球团由初 始的7 3 0 ．0N 降到1 l1 ．6 7N 焙烧2m i n 时 ，焙烧3 m i n 时降低至最低值6 2 ．5N ，之后强度逐渐增加，焙烧 8r a i n 时达到4 9 2 ．6 7N ；只加膨润土时球团强度变化最 小，初始强度为1 8 6N ，焙烧2m i n 时降到最低为1 3 0 ．7 N ，在焙烧时间为4 - 6m i n 时，强度增加较快，6 8m i n 时强度基本保持在5 5 0N 左右；C M C 与糖浆复合粘结 剂时球团强度变化趋势与只添加糖浆的规律相似，但 其最低值为3 0 ．9N ；C M C 5 ％膨润土与C M C 8 ％膨润 土的球团高温强度变化趋势相似，在焙烧3 ～4m i n 时 将至最低，分别为7 1 ．5 3N 和1 0 2 ．8N ，在焙烧时间为8 r a i n 时，其球团的高温抗压强度提高到7 5 1 ．3 3N 和 7 9 7 ．6 7N 。 综合表2 、表3 及图2 可以看出，球团P 4 和P 1 1 所用粘结剂对其生球强度及高温强度的提高作用效果 较好，但从能耗及焙烧矿品位方面考虑，应在保证球团 质量的同时尽量降低添加剂用量，故采用0 ．4 ％C M C 加8 ％膨润土为该矿的最佳粘结剂。 3 ．4 球团孔隙率对球团强度的影响 球团孔隙率是影响球团抗压强度的主要原因之 一，因此对含碳球团焙烧后的孔隙率进行考察，以探明 含碳球团焙烧初期强度急速下降的原因。且由图2 可 以看出，不同粘结剂含碳球团其高温焙烧强度变化趋 势基本一致，所以选取P 2 和P 4 两种球团测量其高温 焙烧后的孔隙率。其结果如图3 所示。由图3 可知， 含碳球团的孔隙率随焙烧时间延长先升高后降低，P 2 和P 4 球团的孔隙率由初始的1 9 ．4 0 ％和2 2 ．6 7 ％逐渐 万方数据 第6 期刘真真等粘结剂对某高铁尾矿含碳球团强度的影响 升高，5m i n 时达到最大，分别为5 4 ．7 3 ％和5 0 ．6 3 ％，然 后随焙烧时间的延长孔隙率开始下降，8r a i n 时孔隙 率分别为3 9 ．7 5 ％和4 0 ．4 4 ％。 高温焙烧时间／r a i n 图3 高温焙烧不同时间时球团孔隙率的变化 结合对氧化球团还原过程强度的变化研究0 | ，含 碳球团焙烧初期强度的急速降低是由球团内部孔隙率 的增大引起的。3 ～5m i n 时孑L 隙率继续增大，但球团 强度开始缓慢提高，这主要是由于随着焙烧时间的延 长，球团外部有金属铁生成，局部出现烧结现象，使得 球团强度开始提高。如图4 所示，5m i n 之后，烧结现 象明显，球团外部金属铁增多。球团压碎后发现金属 铁相互连接并逐渐向内部蔓延，使得球团收缩孔隙率 下降，抗压强度明显提高。 [ I 一 5 r a i n 6 r a i n7m i n 8 m i n 图4 不同焙烧时间高温球团的宏观形貌 3 ．5 球团的直接还原焙烧磁选试验 确定球团P 11 为最佳配方后，对其进行直接还原 焙烧一磁选试验。无粘结剂球团作为对照试验，考察粘 结剂对球团直接还原焙烧磁选的影响。结果如图5 所 示。从图5 可以看出，两种球团随焙烧时间的变化趋 势基本一致，随着焙烧时间的延长，直接还原铁产品品 位变化不大，在9 2 ％一9 6 ％之间，且球团P 1 1 的品位略 高于无粘结剂球团；回收率均呈先升高后缓慢降低的 趋势，这主要是由于还原焙烧初期，随着还原焙烧时间 的延长，还原越来越充分，直接还原铁回收率就越来越 高；反应时间进一步延长，系统还原气氛开始下降，氧 化气氛开始上升，部分铁被氧化，直接还原铁产品回收 率降低。无粘结剂球团最佳焙烧时间为8 0m i n ，此时 产品的全铁品位为9 4 ．6 0 ％，回收率8 6 ．5 0 ％；球团P 1 1 最佳焙烧时间为1 0 0m i n ，此时直接还原铁产品的T F e 品位9 5 ．6 4 ％，铁回收率8 8 ．4 2 ％。 焙烧时间／r a i n 图5 焙烧时间对球团直接还原指标的影响 4 结论 1 当使用单一粘结剂时，C M C 、膨润土对生球强 度提高作用效果较佳，落下次数大于4 次，湿球抗压强 度大于4 0N ，干球抗压强度大于1 8 0N ；糖浆对球团干 球强度的提高作用效果显著，其落下次数大于2 0 次， 抗压强度达到7 3 0N 。 2 使用复合粘结剂时，C M C 的添加可降低另一 粘结剂的用量，同时可显著提高球团湿球的落下次数 和抗压强度；糖浆的添加则可显著提高球团干球的落 下次数和抗压强度。该矿最佳复合粘结剂配比为 0 ．4 ％C M C 8 ％膨润土。 3 不同粘结剂的球团干球抗压强度相差较大，但 在高温焙烧时强度变化趋势基本一致，在焙烧初期0 ～ 2m i n 时球团抗压强度快速降低，2 ～4m i n 时球团抗压 强度变化速度减缓，并达到最低，4 8m i n 时球团强度 逐渐提高。 4 含碳球团焙烧初期0 2m i n 时强度的降低是 由球团内部孔隙率的增大引起的；5 8m i n 时由于球 团内部铁相的生成，铁颗粒相互粘结使得球团抗压强 度提高；2 - 5m i n 强度均较低且变化缓慢则是两者共 同作用的结果。 5 使用最佳粘结剂配比造球后，进行了直接还原 焙烧磁选试验，在焙烧温度为12 0 0o C ，焙烧时间为 1 0 0m i n 条件下可得到全铁品位9 5 ．6 4 ％，回收率 8 8 ．4 2 ％的直接还原铁。 参考文献 [ 1 ] 邱锦安，吕文超．从铁矿石谈判看中国铁矿资源可持续发展[ C ] ／／第十届全国矿床会议．长春，2 0 1 0 ． 下转第9 1 页 万方数据 第6 期 左小红高铟高铁硫化锌精矿冶炼工艺探讨 9 1 上接第8 7 页 [ 2 ] 刘双安．选矿厂尾矿回收铁工艺及生产实践[ J ] ．有色金属，2 0 0 0 ， 5 2 4 1 8 3 1 8 4 ． [ 3 ]齐渊洪，钱晖，周渝生，等．中国直接还原铁技术发展的现状及 方向[ J ] ．中国冶金，2 0 1 3 1 9 一1 4 ． [ 4 ]闫树芳，孙体昌，许言．菱铁矿在煤基直接还原条件下的转化过 程[ J ] ．北京科技大学学报，2 0 1 2 ，3 4 “ ／ 7 5 5 7 6 0 ． [ 5 ] 李建．铁精矿复合粘结剂球团直接还原法工艺及机理研究[ D ] ． 长沙中南大学资源加工与生物工程学院，2 0 0 7 ． [ 6 ] 魏玉霞，孙体昌，寇珏，等．某难选菱铁矿石直接压球及还原焙 烧[ J ] ．过程工程学报，2 0 1 1 ，1 l 5 7 9 4 7 9 9 ． [ 7 ] S a hR ，D u t t aSK ．E f f e c t so fb i n d e rO i lt h ep r o p e r t i e so fi r o no r e c o a l c o m p o s i t ep e l l e t s [ J ] ．M i n e r a lP r o c e s s i n g ＆E x t r a c t i v eM e t a l l ，2 0 1 0 ， 3 1 7 3 8 5 ． [ 8 ] 谭忆秋，陈国明，姜丽伟，等．沥青混合料空隙率测定方法的初探 [ J ] ．哈尔滨建筑大学学报，2 0 0 2 ，3 5 3 1 2 0 1 2 4 ． [ 9 ]王旭东，应鹏程，何兆益．沥青混合料空隙率的研究【J ] ．重庆交通 学院学报，2 0 0 0 ，1 9 4 1 8 - 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