白亚楠, 张建良, 苏步新, 国宏伟, 闫炳基

( 北京科技大学冶金与生态工程学院, 北京 100083)

摘 要: 研究了不同铁矿粉对水分的吸收性能, 通过自制吸水装置测量了各种矿石的吸水速率曲线。定义矿粉亲水性 H 为: 吸水速度 k 与最大吸水百分含量的乘积, 以此表征铁矿粉的吸水能力, 效果较理想。通过对几种矿粉的不同粒级进行吸水实验, 结果得出: > 1 mm 粒级的亲水性较差, 随着粒度减小, 亲水性变好, 粒度为 0125~ 015 mm 时, 亲水性最好, 吸水指数 H 呈倒/ V型分布; 粒度越小, 吸水性能越接近。

关键词: 水分; 烧结; 铁矿粉; 吸水性能

1 前 言

随着厚料层烧结技术的发展, 如何提高料层透气性已越来越受到重视。改善制粒效果可显著提高料层透气性, 改善烧结矿冶金性能。而混合料制粒过程中, 水分起着连接桥和粘结的作用, 不同的配水量可以改变制粒后颗粒的粒度分布, 进而对烧结料层的透气性产生影响。

本文从矿粉的冷态性能进行研究, 定义了亲水性概念来表征矿粉在制粒过程中的行为特性。

2 实验原料及方法

211 实验原料

取某钢厂生产现场所用的 6 种矿粉作为实验原料, 其中富矿粉三种(F1、F2、F3) , 精矿粉三种( J1、J2、J3), 它们的化学成分列于表 1。

212 实验方法

采用扫描电子显微镜( SEM)对 6 种矿粉进行表面形貌分析。

吸水性能试验: 采用图 1 所示装置测定物料的吸水过程。当量筒中的矿粉和水接触时,烧杯中的水会在自然堆积状态的矿粉间毛细力、矿粉自身对水分的吸引力等作用下沿着矿粉柱上升, 直至最高值( 颗粒吸水饱和并保持相对稳定) 。设备中循环水泵为两个连通烧杯提供稳定的供水, 而两个烧杯之间的水位差为矿粉吸水提供了稳定的水位, 减少水面波动对吸水过程的影响。

实验步骤如下:

( 1) 将铁矿粉置于烘干箱中, 在 105 ? 1 e下恒温干燥 2 h, 每隔 20 min 翻动一次, 以防板

结。

( 2) 在圆筒底部用滤纸封住, 浸入烧杯, 调整浸入水面深度直至天平示数为 0。此时的状态记为标准 0 点, 圆筒所受浮力、重力、表面张力相互平衡。

( 3) 称取待测铁矿粉 20 ? 011 g, 放入圆筒内, 反复颠倒三次, 以达到矿粉自然堆积的状态。

( 4) 装好后挂在电子天平下挂钩上, 记录总重量后清零天平, 打开循环水, 绘制吸水曲线。

3 实验结果及分析

分别对 6 种铁矿粉进行电镜扫描, 得到整体 SEM 图和单一颗粒 SEM 图( 见图 2) , 并根据各矿粉的表观形貌, 分析其对吸水效果的影响。

由图 2 可知, F1 矿粉颗粒皆呈近圆球形, 单个颗粒的表面很粗糙, 并粘附少许细小颗粒。F 2 矿粉颗粒有圆球状、片状和一些不规则块状,其表面不太光滑, 有少许毛刺状, 表面分布少量空洞, 部分尖端处粘附着极少细小颗粒。F3 矿粉明显分为大颗粒和小颗粒, 其中大颗粒形状比较规则, 形貌大部分呈多面体, 表面比较光滑, 颗粒致密, 表面无孔隙空洞, 棱角分明; 小颗粒则呈絮状, 表面粗糙。J1 精粉的颗粒形状比较规则, 形貌大部分呈多面体, 颗粒分布较均匀, 表面非常光滑, 颗粒致密, 表面无孔隙空洞,棱角分明。J2 精粉粒度分布不均匀, 外形以片状为主, 同时又有圆形和一些不规则块状, 表面不太光滑, 有少许毛刺状, 成网状分布, 无明显孔隙空洞, 在颗粒表面粘附着细小颗粒。J3 精粉以片状和近似圆球状等外形比较整齐的颗粒居多, 大小分布不均匀, 颗粒表面相对比较光滑, 其表面致密, 粘附有少量的细小颗粒。

6 种矿粉吸水实验后的状态如图 3 所示。按矿粉表面残留水分从多到少排列, 依次为 F2、F1、J2、J3、F3 和 J1。

由图 3 可以看出, 各种矿粉吸水都很充分,表面有水润光泽。F2 和F1 几乎成泥状, 表面有明显水层, 可塑性差, 不能保持形状; J2 和 J3 表面残留水分略少, 有一定的可塑性; F3 和 J1 表面已无明显水分, 且有很好的可塑性, 能保持住实验形态。对比 SEM 照片, F1 和 F2 因为矿粉表面粗糙, 有空隙分布, 因而能吸收更多的水分, 超出矿粉的饱和水分值, 呈过饱和状态, 所以成泥状且表面有明显的水层。随着颗粒表面粗糙程度降低, 矿粉愈能保持样品形态, 因为此时矿粉中的水分大部分是分散在大颗粒和小颗粒之间, 小颗粒在水分的液桥和毛细力作用下聚集在大颗粒周围, 因而具有保持润湿形态的性能。

本实验定义单位质量矿粉所吸收的水分的百分比为持水率 H, 即 H= Wt/ ( W0+ Wt) , W0为矿粉初始质量, Wt为 t 时刻矿粉吸水质量。实验绘制的矿粉吸水曲线见图 4。

根据图 4, 可将 6 种矿粉的吸水曲线归结为3 种类型: 峰值型、无峰型和滞后型, 见图 5。峰值型曲线表示该种矿粉对水分的吸收能力很强, 水分在较大引力的吸引下具有较大惯性, 在吸水曲线上表现为出现一个峰值。而随着时间的推移, 并不能维持该水分含量, 故出现下降趋势直至一个相对稳定的值, 即稳定持水量 Hhold。无峰型曲线没有明显的峰值, 其特点是在较短时间直接达到稳定持水量。滞后型的吸水速度较均匀, 但是过程较慢, 达到稳定值的时间较长。

上述 6 种矿粉中, F1、J1 属于峰值型, J2 和F3 粉属于无峰型, J3 精粉、F2 粉属于滞后型。F1、J1 主要为赤铁矿, 颗粒本身有较多的空隙,表面粗糙, 对水分的吸收较多且较快。J2 和 F3主要为磁铁矿, 颗粒表面较光滑致密, 对水分的吸收过程较平稳, 能在较短时间内达到稳定值。J3和F 2虽然主要矿物不同, 但是二者颗粒表面的特点相似, 均较平滑, 表面粘附有细小颗粒,二者细粒度的粉状矿含量均较高, 因此吸水过程时间较长。

由表 2 可知, 6 种矿粉的稳定持水率排序为: J3> F2> F1> J2> J1> F3。其中, J3 和 F2

吸收水分最高, 属于高持水率; F1 和 J2 持水率在25% 左右, 属于中等水平; J1 和 F3 为 13%、12% , 属于较低水平。

从表 3 可看出, J1 和 F1 的吸水速度最快;F 3 和 J2 较慢, 但其吸水曲线较好; J3 和 F2 最慢, 40 min 后仍有较弱的吸水趋势。以上结果与峰型分析结果相吻合。

矿粉的吸水量虽然能反映矿粉对水分吸收量上的区别, 但是高的吸水量并不一定表示吸水速度就快。如 F2 和 J3 粉虽然吸水量在 27%和 29% , 相比 J1 和 F3 高出近一倍, 但它们的吸水时间却长达 40 min( 见表 3) ; J1 和 F3 虽然吸水量比较低, 分别为 13% 和12%, 但它们的吸水却是在很短时间内完成的, J1 只用了 3 min, F3也只用了 10 min。因此, 单从矿粉的吸水量来判断其吸水性能的好坏是不合理的。

基于上述原因, 本文提出用吸水性能指数H 来表示矿粉吸水性能的差异, 并将其定义为吸水速率与持水率的乘积, 即 H = kH。从吸水曲线可以看出, 不同矿粉不同粒度的吸水速率 k相差甚大(见表 4)。

吸水指数越大, 吸水性能越好。由图 6 可知, 富矿粉的吸水指数要好于精矿粉( 012 左右)。J3 和 F2 虽然吸水率高达 29% 和 27%, 且还有上升的趋势, 但它们的吸水速率偏低, 吸水指数仅有 01203 和 01189, 因而从整体上来说,其吸水性欠佳。J2 精粉吸水率虽然比 J3 低6% , 但因其达到稳定值所需时间较短, 吸水性能好于 J3。而 J1 虽然吸水速度快, 但其能吸收的水量仅有 13% , 故吸水指数也仅有 01169, 为6 种矿粉中最差的。综上所述, 吸水指数 H 能够较好地反映矿粉的吸水性能。

4 铁矿粉粒度对吸水性能的影响

为了进一步弄清矿粉粒度对吸水性能的影响, 本实验选取矿粉 F4, F5 和 J4 进行不同粒度的吸水实验。将矿粉按 8 个粒级分级筛分( 见表 5), 分别对各粒级进行吸水试验。结果列于表 5。

由表 5 可看出, F4 粉< 1 mm 以下各粒级的持水量相差不大, 而当粒度> 1 mm 时, 矿粉的持水率明显下降, 由平均 2615% 降到 2215%、12% , > 5 mm 时基本呈不吸水状态。分析认为, 矿粉中的水分主要是颗粒自身吸水和颗粒之间空隙中存在的水分, 主要以毛细水状态存在。而毛细水的存在, 需要大小合适的空隙, 矿粉颗粒越大, 颗粒间的空隙越大, 越不利于毛细水的驻留。因此, 随矿粉粒度增大, 持水率减小。

由表 6 可知, F5 矿粉< 3 mm粒级的持水率都在 30% 左右, < 01074 mm 粒级和 015~ 1 mm粒级的持水率更高, 达到 33% 以上; 而吸水指数在< 1 mm 时变化不明显, 粒度> 1 mm 时吸水指数明显下降。

由表 7 可知, J4 矿粉< 015 mm 以下各粒级的吸水量差别不大, 均在 50% 左右。015~ 1mm 粒级有 2614% 的样品没有吸水, 而 1 ~ 3mm 粒级只有接触滤纸的部分粘取了少量水分,其它 94%不吸水。总体来看, < 1 mm粒级的吸水性能较好, < 015 mm 粒级的持水率可达 90%左右。分析认为, J4 矿粉的颗粒致密, 无孔隙,其颗粒本身并不能吸收多少水分; 其中较大颗粒间形成的空隙孔径较大, 也不能持有太多毛细水, 而较小颗粒间的空隙有利于毛细水存在,故吸水量明显提升。

将 4种矿粉按各粒度归纳吸水结果, 见图 7。

由图 7 可知, > 1 mm 粒度的吸水指数较小, 表观吸水也很差; 而< 1 mm 以下的各粒级具有较大的吸水值, 表观吸水情况均较好。吸水指数最好的是 0125~ 015 mm 粒级, 三种矿粉此粒级的表观吸水均比较充分, 形状也较完整。

5 结 论

1) 本研究中 6 种矿粉的稳定持水率按大小排序依次为 J3> F2> F1> J2> J1> F3。其中,J3 和 F1 属高持水率; F 1 和 J2 属中等持水率; J1和 F3 属较低持水率。

2) 定义吸水性能指数 H 为: 矿粉的吸水量与吸水速率的乘积, 以此表征矿粉的吸水性能好坏。吸水指数越大, 吸水性能越好, 按照吸水指数大小排序, 6 种矿粉依次为: F1、F3、J2、J3、F2、J1, 该结果与表面特征和矿相结构相吻合。

3) 富矿粉相对于精矿粉有较好的吸水性能, 其吸水指数在 015 以上, 要好于精矿粉( 012左右)。J3 精粉和 F2 虽然吸水率高达 29% 和27% , 且还有上升的趋势, 但它们的吸水速率偏低, 吸水指数仅有 01203 和 01189, 从整体上来说, 吸水性欠佳。J2 吸水率虽然比 J3 低 6% , 但因其达到稳定值所需的时间较短, 吸水性能好于 J3。J1 虽然吸水速度最快, 但其能吸收的水量仅有13% , 故吸水指数也仅有01169, 是6种矿粉中最差的。综上所述, 吸水指数 H 能够较好地反映矿粉的吸水性能。

4) 矿粉粒度对吸水性能有很大影响。根据三种铁矿粉各粒级吸水实验得出, > 1 mm粒级的吸水性能较差; 随着粒度减小, 亲水性变好, 但并非粒度越小吸水性能就越好, 吸水指数呈倒 / V0 型分布, 在 0125~ 015 mm 达到最高值。

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