1、前言生 球 爆 裂 温 度 是 生 球 质 量 的 一 个 重 要 指 标 ， 爆 裂 温 度 的 高 低 对 热 工 工 艺的 影 响 较 大 。 生 球 爆 裂 温 度 低 ， 进 入 链 篦 机 时 易 发 生 爆 裂 现 象 。 生 球 的 粉 化 ，增 加 了 入 窑 粉 末 量 ， 导 致 回 转 窑 结 圈 和 影 响 热 工 制 度 的 稳 定 。 若 粉 末 量 过 多 ，影 响 焙 烧 过 程 的 进 行 ， 导 致 合 格 产 品 率 降 低 ， 无 谓 增 加 焙 烧 成 本 ； 若 开 裂 球多 ， 必 将 降 低 成 品 球 抗 压 强 度 ， 导 致 成 品 球
2、质 量 不 合 格 ， 所 以 ， 生 球 爆 裂 温度 必 须 要 达 到 工 艺 要 求 ， 方 能 满 足 生 产 需 要 。影响生球爆裂温度的因索很多与原料物化性质有关的如粒度组成比表面积、粒形状、矿物组成、亲水性等；与操作因素有关的如水分、粒径、密实度、粘结剂的种类和添加量等。本文主要研究各种因素对生球爆裂温度的影响规律，探讨影响生球爆裂温度的各种因素，为提高球团爆裂温度提供依据。第一章 文献综述1.1 生球干燥过程的基本机理生球的干燥过程是其中水分受热气流作用而蒸发的过程，这一过程分为三个阶段。第阶段。干操的水分开始在整个表面上均匀蒸发，球团内部水分在毛细力作用下向球团表面扩散，这
3、一阶段的干燥速度保持不变。第阶段，当球团表面的干燥速度大于球团内部水分向外扩散的速度时，干燥前锋(蒸发面)便向球团内部迁移。这时产生的水蒸气要穿过干燥的毛细孔才能到逃球团表面。因此随干燥前锋的向内推移，这一阶段的干燥速度不断下降，直到毛细水蒸发完毕。第阶段为湿存水或化合水蒸发，其速度比毛细水的蒸发更慢。生球的爆裂发生在毛细水蒸发的第阶段，这时干燥前锋所产生的蒸气压力可用 K o z e n y K a r ma n 公式表达： P= （1）vLd321式中：P干燥前锋产生的内压力； d造球物料的平均粒径；水或溶液的粘度；球团孔隙度；v干燥速度；L 干燥面离球团表面的距离。当干燥前锋产生的内压力
4、 P 超过生球和干燥外壳的张力强度时，生球便产生裂缝或爆裂 。HRumpf 给出了毛细水状态下生球张力强度公式和干球张力强度公式： d=1.1 （2）12Hw=8 cos （3）a式中 ： w、 d生球、干球张力强度； 水或溶液与矿粒的润湿角；球团气孔率；a 毛细孔中水或溶液的表面张力； d矿粒平均直径；H 固相连接桥的平均粘结力。由此可见，任何有助于提高生球张力强度，特别是干球张力强度，以及降低干燥前锋蒸气压力的措施。都能减少生球干燥过程毛细水蒸发阶段发生爆裂的可能性。式 ( 2 ) 、( 3 )为张力强度 ( T e n s i l e S t r e n g t h ) 表达式。它不同于
5、抗压强度 ( C o mp r es s i o n S t r e n g t h ) 。H R u mp f 设计一套置进行了用实际方法测定生球张力强度的试验，发现生球张力强度和抗压强一定范围成正相关性。假定干燥速度 v 与气流速度 V 和气流温度 T 成正比，在气流速度 V 不变的条件下，当 P 与 d 或 w 相等时的气流温度 T 即为生球的爆裂温度 TST:TST=k （4）干12LH或TST=k （5）生1cos2ad有上两式可见，粘结剂的性质（H、a、）和球团粒径（L）以及球团气孔率都对生球爆裂温度产生直接的影响，生球水分，精矿粒度，粘结剂的粒度和吸水膨胀性主要是改变球团气孔率来
6、影响生球爆裂温度的。根据球团干燥过程原理，干燥前锋产生的蒸汽是通过已干燥外壳向外排放的，因此已干燥的外壳的抗张强度（即干球抗张强度）比内部未干燥部分的抗张强度（即生球的抗张强度）对生球具有更重要的影响。此外，生球抗张强度和抗压强度一样，主要是由液体表面张力产生的毛细管拉力完成的，而干球的抗张强度是通过粘结剂产生的固相桥键力和矿粒与矿粒之间紧密接触产生的连锁啮合力获得的。后者在数值上远高于前者。因此，用（4）式表达生球爆裂温度与各因素之间的关系更具有代表性。1.2 生球爆裂温度的影响因素1.2.1 粘结剂对生球爆裂温度的影响1.2.1.1 膨润土对生球爆裂温度的影响膨润土是目前国内外球团生产中使
7、用最广、效果最好的一种粘结剂，它能提高生球的强度，更重要的是能提高生球的爆裂温度。膨润土的主要矿物是蒙脱石，其化学结构式为:Al 2(Si4O10)(OH)2。大量研究表明，膨润土能显著提高生球的爆裂温度。膨润土能提高生球爆裂温度的原因有三:其一，膨润土可以降低生球中水分的蒸发速度，使水缓慢地释放出来，从而降低了生球内部的蒸气压;其二，膨润土能提高干球强度，这是爆裂温度升高的主要原因;其三，膨润土加入混合料后，生球产生孔隙，干燥时球团水分易于析出。1.2.1.2 有机粘结剂对生球爆裂温度的影响有机粘结剂的共同特点是在室温下的水溶液具有较高的粘度，干燥后具有很高的粘结强度，因此，添加少量有机粘结
8、剂能明显提高干球的抗压强度和生球的爆裂温度。另外，有机粘结剂能提高干球的气孔率，这是有机粘结剂能使生球爆裂温度升高的另一个原因。但是当有机粘结剂量超过一定值后，溶液粘度对生球爆裂温度的不利影响起主导作用，生球爆裂温度将随有机粘结剂量的升高而下降。1.2.2 生球水分对生球爆裂温度的影响生球水分对生球爆裂温度的影响很大。研究表明，生球水分从 7.4%提高8.7%时，爆裂温度降低了 100左右。这是由于生球水分增大，在干燥过程中，生球内部的水分因受热蒸发量增多而使生球内部形成了很大的内压力，故生球爆裂温度降低。1.2.3 造球时间对生球爆裂温度的影响研究结果表明，随着造球时间延长，生球爆裂温度降低
9、。有研究表明当造球时间由 8min 延长到 16min，生球爆裂。温度由 650降到 550。这主要是随着造球时间延长，生球变得紧密。生球干燥过程中，由生球表面蒸发控制转变为内部扩散控制时，水分蒸发面逐渐移向生球内部，表面层形成干燥外壳，生球水分的排除靠球内的水蒸气通过干燥层的孔隙向外扩散达到进一步干燥的目的。当内部蒸发速度过快，产生剩余蒸气，这种过剩蒸气压就使生球产生爆裂，生球越紧密，过剩蒸气压就越容易形成，生球爆裂温度越低。1.2.4 高压辊磨与润磨对生球爆裂温度的影响润磨与高压辊磨均显著降低生球爆裂温度，且辊磨又比润磨降低爆裂温度100多。这是由于物料经润磨或辊磨后，其平均粒径减小，其脱
10、水速度必然加快;另外原料比表面积增大，球的孔隙率减小，球内蒸汽压必然增大，所以润磨与高压辊磨降低生球爆裂温度。1.3 提高生球爆裂温度的途径1.3.1 选择适宜的粘结剂不同的粘结剂对生球的爆裂温度影响相差很大，将消石灰、膨润土、有机粘结剂对生球爆裂温度的影响进行比较，并提出粘结剂的选择原则。有机粘结剂球团的生球爆裂温度明显高于膨润土球团，膨润土球团的生球爆裂温度明显高于消石灰球团。因此，就生球爆裂温度而言，应优先选择有机粘结剂。其次为膨润土，最后为消石灰。由于消石灰球团的生球爆裂温度较低，目前已很少被用作球团粘结剂。实际生产中在选择球团粘结剂时，除了要考虑生球爆裂温度，还要考虑生球强度、干球强
11、度、成品球质量、是否容易添加、生产成本等因素。事实上，目前膨润土仍是球团生产的主要粘结剂。对于提高生球爆裂温度来说，应选择如下特性的膨润土:较高的蒙脱石含量、较大的膨胀倍和吸水率、较小的胶质价和阳离子交换量。另外，粘结剂对生球爆裂温度有双重影响，过高或过低配比都不利于生球爆裂温度的提高，应根据不同的原料条件选择合适的添加量。1.3.2 优化造球参数生球水分、造球时间等是影响生球爆裂温度的主要造球参数。在确保生球强度的条件下，应尽可能降低生球水分，以提高生球爆裂温度。对于提高生球爆裂温度而言，在确保生球强度的前提下，应减少造球时间。1.3.3 合理选择润磨或辊磨工艺润磨或高压辊磨预处理铁精矿可以
12、提高生球强度，降低膨润土用量，但润磨或高压辊磨会降低生球的爆裂温度，球团原料不同，降低的幅度不同。润磨一般降低爆裂温度 100左右，高的可以降低 150200; 而高压辊磨又比润磨降低爆裂温度 100 多。所以是否上润磨或辊磨预处理铁精矿，应通过试验来确定，尤其对竖炉球团更应如此。避免因为润磨后生球在烘干床上爆裂，造成润磨机闲置不用，出现投资浪费的现象。生球爆裂温度受润磨时间的影响，随着润磨时间延长，爆裂温度降低，因此混合料润磨时间不宜过长，一般润磨 45min 为宜。高压辊磨的辊压、辊速、辊磨次数都不同程度地影响生球爆裂温度，增大辊压、增加辊磨次数将使生球爆裂温度降低，提高辊速将提高生球爆裂
13、温度，因此辊压不宜过大、辊磨次数不宜过多，可以适当提高辊速。1.3.4 配加表面改性剂或防爆剂有资料表明改性剂对提高生球爆裂温度非常有效，在添加 1.5%膨润土的基础上，加入 0.5%的改性剂后，高硫磁铁精矿球团生球爆裂温度超过了 640。资料均介绍了配加防爆剂提高生爆裂温度的方法。其中介绍的研究结果表明，在配加 0.49%防爆剂的情况下，用钠基膨润土代替钙基膨润土且膨润土配比降低 50%以上时，生球爆裂温度仍然得到提高。第二章 原料性能、试验流程2.1 原料性质2.1.1 铁精矿的矿物组成和化学成分本次实验所用原料为程潮铁矿高压滚磨前后铁精矿分别以 1#、2#表示。原料的化学成分见表 2-1
14、。表 2-1 铁精矿化学成分 TFe FeO SiO2 Al2O3 CaO MgO P S2.1.2 含铁原料的粒度组成及比表面测定 粒度测定采用干、湿法相结合测定，每次的试样量为 200g，先用 0043 mm 的筛子进行湿筛，筛上物烘干称重后，再用0.043mm、0.074mm、0.125mm、0.150mm、0.200mm、0.500 mm 的套筛，在振动机上干筛 15min，称出各粒级的质量，计算各粒级的百分含量。每个试样测两次，筛上物和筛下物之和的质量差不超过 0.1g。铁矿石比表面积的测定参照勃氏法(GB807487)，用电动勃氏透气比表面积测定仪进行测定获得。其原理根据一定量的空
15、气通过具有一定空隙率和固定厚度的粉状物料层时，所受阻力不同而引起流速的改变来测定粉状物料的比表面积。高压滚磨前后粒度组成及比表面的测定结果见表 2-2。表 2-2 高压滚磨前后粒度组成及比表面积0.50mm0.50-0.20mm0.20-0.15mm0.15-0.125mm0.125-0.074mm0.074-0.043mm0.80；成球性指数 K 值用下列经验公式计算：K= 毛分 分W式中：W 分 原料最大分子水含量，；W 毛 原料最大毛细水含量，；原料的最大分子水是采用压滤法测定的。测定前先将精矿润湿到饱和状态，静止 2 小时，使之充分润湿。测定时，将 60mm 的下压塞放进 60mm 的
16、量筒中，并将 20 张同样大小的滤纸放在压模内，将已准备好的原料均匀地铺在滤纸上。在原料上再加放 20 张滤纸，放上上压塞，然后将压模放到压力机上，以65.5kgcm。加压 5 分钟。压后取出试样称重，并在 105温度下烘干并称重，每次测 2 次，两次误差不超过 0.5。最大分子水()的含量按下式计算：W 分 = 1021Q式中：Q 1试样加压后的质量，g；Q2试样烘干后的质量，g；最大毛细水的测定是采用容量法。测定装置见图 2-1。测定前将试样烘干，将装料器内壁及筛板涂上一层簿腊，然后将筛板放入装料器内，在筛板上放一张同样大小的滤纸，将干料松散装入装料器内，使料面平整，装料高度为100mm，
17、贮水器的进水管上的水位 A 与筛板底在同一水平线上。试样开始吸水时记时。当水开始沿着试样的毛细管上升时，水位便开始下降，此时打开滴定管阀门 B，慢慢放出蒸馏水，保持水位稳定在 A 处。直到试样不再吸水为止。每次测定两个平行样，误差不超过 0.5。按下式计算最大毛细水：W 毛 102Q式中 W 毛 最大毛细水含量， ；Q 1 试样吸水量， g；Q2 干料量， g；图 2-1 毛细水测定装置含铁原料的真密度采用比重瓶法测定。其步骤如下：(1)用 25ml 的比重瓶，用洗液洗净，烘干，用感量为万分之一的天平称量比重瓶的质量为 m1。(2)去经烘干后的试样放入瓶中试样装入量为 1/3 左右，称出瓶和试
18、样的质量为 m2。(3)向瓶中注入蒸馏水，到容积的 2/3 左右，在热水浴中煮沸，除去试样中的气泡。静置冷却后，再将蒸馏水注满至瓶口，称量瓶和水及其试样的质量为m3。(4)从瓶中倒出水和试样，洗净后装满蒸馏水称瓶和水的质量为 m4。然后按下式计算真密度：0= g/ 3)()(23142m堆密度采用自然堆积法测定；用于松散物料堆密度的比较简单，取已校准体积为 V、质量 m0 的容器，刮平后测其质量为 m2 堆密度 D 可用下式计算:D= g/ 3on铁精矿其他物理性能见表 2-3。表 2-3 铁精矿其它物理性能成球性 真密度 堆密度 空隙率1#2#2.2 膨润土2.2.1 蒙脱石含量测定(1)主
19、要试剂1)亚甲基蓝标准溶液 0.005M1滴定管； 2装料器；筛板； 4贮水器；5 水瓶； 6打气筒；7支架将亚甲基蓝(指示剂) 在 933的烘箱中烘干 4 小时，置于干燥器中冷却至室温。称量 1.5995 克置于烧杯中，加水使其完全溶解(如不溶解，可微加热，温度不宜太高，以免分解)，移入 1000 毫升容量瓶中，加水稀释至刻度，摇匀备用。此溶液 1 毫升含 1.8695 毫克三水亚甲蓝盐或 1.5995 毫克无水亚甲蓝盐。2)1焦磷酸钠溶液称取 10 克焦磷酸钠置于烧杯中，加水使其完全溶解(可微加热)，移入 1000毫升容量瓶中，加水稀释至刻度，摇匀备用。(2)操作步骤1)称取 0.2000
20、 克试样置于已经加入 50 毫升水的锥形瓶中摇动，使试样在水中充分散开，再加入 20 毫升焦磷酸钠溶液，摇动。2)将盛有混合溶液的锥形瓶置于电炉或电热板上，加热微沸 5 分钟，取下冷至室温。3)用亚甲基蓝溶液滴定，开始时可以依次加 5 毫升，再逐次缩小间距至23 毫升，快到终点时，每次滴加，0.51.0 毫升，每次滴加后摇动 1530 秒钟，用直径为 2.53 毫米的玻璃棒沾一滴试液于中速定量滤纸上，观察中部深蓝色斑周围有无出现明显的浅绿色晕环，若未出现，则继续滴加，当在沿蓝色斑点周围出现明显的浅绿晕环时，再摇动 30 秒钟，用玻璃棒沾一滴试液于滤纸上，若浅绿色环仍不消失，即为滴定终点，记下滴
21、定所耗亚甲蓝标准溶液的毫升数 v，到终点后可继续滴加 12 毫升亚甲基蓝溶液。若浅绿色晕环变得明显且加宽，则表示终点判断无误。(3)计算计算公式为：B= 10GVT式中：B 吸收亚甲基蓝量，克亚甲基蓝量100 毫升；T克亚甲基蓝量毫升亚甲基蓝溶液；V滴定至终点时所耗亚甲基蓝溶液毫升数；G试样克数。(4)相对蒙脱石含量 蒙脱石是膨润土中的主要成分，具有吸蓝能力，但与之伴生的高岭土、埃洛石等矿物也具有吸蓝能力，因此通常测出的吸蓝量是多种矿物的混合吸蓝量。相对蒙脱石含量按下列计算：蒙脱石相对含量102.4吸 蓝 量（）2.2.2 膨胀容的测定准确称 1.0000 克(准确至 0.01 克)试样，置于
22、已盛有 3040ml 蒸馏水的 100毫升带塞量筒中，再加蒸馏水至 75 毫升左右，摇匀使之分散后，加入 25 毫升1mol/l 盐酸至刻度，振摇 3 分钟，静置 24 小时待其沉降，读出沉降界面处刻度值，即为试样膨胀容(ml/g)。2.2.3 吸水率的测定吸水率是参考美国一些球团厂膨润土质量检测方法，采用简易测定方法测定，具体的操作步骤如下：(1)将铁盆装满水，然后将多孔砖浸泡水中，使多孔砖吸足水；(2)保持铁盆内水面低于多孔砖上表面 5mm，在测定过程中始终保持此水位；(3)在 1/1000g 天平上称出称样瓶质量 m1；(4)将滤纸放在吸足水的多孔砖上，让它也吸足水后，将它放在称样瓶内并
23、盖好盖子，防止在称重过程中水分挥发，称出湿滤纸和称样瓶的质量 m2；(5)将滤纸放回多孔砖上，称 2g 已烘干的膨润土，均匀地撒在滤纸上，在室温下静放 2 小时，取出滤纸和试样，放在称样瓶内称出它总质量 m3，得出膨润土吸水质量 m4=m3-m2。按下式计算膨润土吸水率()：1024同试样测定一次，取平均值作测定值。 2.2.4 胶质价的测定膨润土与水按比例混合后加适量 MgO，膨润土即凝聚成凝胶体，该胶体的体积称为胶质价，以 15g 试样形成的体积（ml）表示。1）仪器和试剂 带塞量筒 100ml，直径 25mm。MgO 轻质，化学纯。2）测试程序称取 15.00g 试样置于已盛有 5060
24、ml 蒸馏水的 100ml 带塞量筒中，再加蒸水至 90ml 左右。塞紧塞子，摇晃 5min，使试样充分散开与水混匀。打开塞子，加入 1.00gMgO，加蒸馏水至刻度，再塞上塞子，摇晃 3min。将量筒放置于不受振动的桌面上，静置 24h，读出凝胶体界面的刻度值即为胶质价，以 ml/15g土（“土”表示膨润土）表示。2.2.5 粒度测定膨润土粒度测定是将膨润土矿样在自动恒温干燥箱中于 105下烘干，热态下用天平(精度为 O02g)快速称 20g，迅速放入经 105预热的孔径0074mm(200 目)筛子上(筛底和筛盖同时预热)。然后立即将其放入振动筛，使之振 15min，取出后称量筛上物和筛下
25、物，算出小于 0074mm(-200 目)含量。每个试样测两次，筛上物和筛下物之和的质量差不超过 0.1g。膨润土的物化性能见表 2-4表 2-4 膨润土的物化性能蒙脱石量% 吸蓝量g/100g吸水性cm3/g膨胀度ml/gpH 胶质价%-0.074mm%2.3 试验研究方法2.3.1 试验流程本次试验流程如下图 2-2。生球的质量主要检测落下强度、抗压强度及爆裂温度，成品球团质量主要检测抗压强度，部分成品进行成分化验。2.3.2 试验方法及设备2.3.2.1 原料准备由于铁精矿过湿，会给造球操作带来困难，因此全部含铁原料均经过晒干混匀，取样进行原料性能检测，其余装袋密封作造球用。造球混合料采
26、用人工配料，每次按干料比例计算称取 4kg 含铁混合料，按比例配加计算好的粘结剂，在橡胶布上按照造堆方法混匀，然后添加预润湿水分，使混合料的水分低于生球适宜水分的 l2，再进行第二次混匀。2.3.2.2 造球方法及设备生球的制备在圆盘造球机上进行造球机的直径为 800ram，转速为 25 rmin ，倾角为 49。为模拟生产实际情况，造球过程分为母球形成，母球长大、生球紧密三个阶段。首先将混合好的物料，用小铲铲半铲物料加入转动的造球机内加水造母球，然后连续加水加料(每批料量为 4kg)，使母球在规定的造球时间内长大成球。生球经过 l3min 滚动紧密后，用小铲将生球铲出，将 1015mm 的生球作为成品生球，进行强度及爆裂温度测定。剩下的生球经干燥后作预热、焙烧用。2.3.2.3 生球强度的测定生球落下强度的测定：将成品生球于 0.5m 高度自由落下至 10mm 厚的钢板上，着落下 n 次后发生破裂，即该球的落下强度为(n1)次0.5m。每次测 l0个生球，取平均值作为生球的落下强度(单位为次0.5m)。生球抗压强度的测定：将成品生球置于电子压力测定仪上，在其上部缓缓施加一垂直向下的压力，直至生球发生破裂，此时天平所显示的压力值即为生球的抗压强度每次测 l0个生球，取平均值作为该批生球样品的抗压强度(单位为 N个)。
