超微细铁精矿的粒度特性和润湿性对其成球性能的交互影响

工程科学学报，第39卷，第6期：830837,2017年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.6:830-837,June 2017 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2017.06.003:http://journals.ustb.edu.cn 超微细铁精矿的粒度特性和润湿性对其成球性能的 交互影响 潘建，田宏宇区，朱德庆，杨聪聪，徐梦杰 中南大学资源加工与生物工程学院，长沙410083 ☒通信作者，E-mail:hytian@csu.cdu.cm 摘要以产自澳洲Pilbara矿区和国内东北地区的两种磁铁精矿作为研究对象，基于Washburn公式所构建的卧式薄板毛细 渗透装置，针对粒度特性研究其润湿性对成球性能的影响，并辅以成球性能、造球试验和生球性能检测等一系列的研究，探究 铁精矿超微细粒度特性和润湿性对其成球性能的交互影响.结果表明：超微细的粒度特性和润湿性对成球性能产生了较大 影响.微细的粒度特性带来的较好的润湿性对提高生球的抗压强度有利.然而，超微细粒度和较窄的粒级分布不利于生球内 形成较合理的毛细管半径，进而限制其热稳定性的提高， 关键词球团：超微细粒：润湿性：成球性能：毛细管半径 分类号TF521.1 Particle size and wettability effect of ultrafine magnetite concentrate on ballability PAN Jian,TIAN Hong-yu,ZHU De-qing,YANG Cong-cong,XU Meng jie School of Minerals Processing and Bioengineering,Central South University,Changsha 410083,China Corresponding author,E-mail:hytian@csu.edu.cn ABSTRACT Two kinds of magnetite concentrates from Pilbara in Australia and an area in the northeast in China were used to ex- plore the effect of wettability,which depends on particle size,on ballability.Capillary osmosis equipment of a horizontal plate was constructed based on the equation Washbum.To investigate the effect of particle size and wettability of ultrafine magnetite concentrates on ballability,ballability,balling test,and performance test were performed.The results suggest that ultrafine particle size and wetta- bility strongly affect ballability.Its better wettability on account of particle ultrafine size characteristic is beneficial to improve its com- pressive strength.However,a narrow ultrafine particle-size distribution will limit the improvements in ballability,because it affects the capillary radius. KEY WORDS pellet;ultrafine particle size:wettability:ballability:capillary radius 球团矿作为现代高炉炼铁的优质炉料，具有粒度 发现，造球磁铁精矿其-0.074mm粒级控制在85% 均匀、冷强度大、铁品位高和还原性好的特点，所以炉 以上且随着粒度组成的细粒级部分的增多，生球落下 料中使用球团矿的比例越来越高”.而原料特性作为 强度呈上升趋势：胡志清等田提出铁精矿的比表面积 评价球团生产的第一环节，直接决定着球团矿的加工 对其成球性有决定性影响：侯通可发现随着造球原料 与入炉治炼性能四.针对中国国情资源特点，围绕原 的平均粒径的减小和比表面积的增大，生球的长大速 料的成球性，国内已经展开了一些国内贫矿和复杂矿 率是不断升高的：罗艳红网发现不同矿物的生球爆裂 及国外优质进口矿的研究.其中，王昌安和罗廉明四 温度主要受物料比表面积、生球强度及水分影响.但 收稿日期：201607-22 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51474161)

工程科学学报，第 39 卷，第 6 期: 830--837，2017 年 6 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 39，No． 6: 830--837，June 2017 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2017． 06． 003; http: / /journals． ustb． edu． cn 超微细铁精矿的粒度特性和润湿性对其成球性能的 交互影响 潘 建，田宏宇，朱德庆，杨聪聪，徐梦杰 中南大学资源加工与生物工程学院，长沙 410083 通信作者，E-mail: hytian@ csu． edu． cn 摘 要 以产自澳洲 Pilbara 矿区和国内东北地区的两种磁铁精矿作为研究对象，基于 Washburn 公式所构建的卧式薄板毛细 渗透装置，针对粒度特性研究其润湿性对成球性能的影响，并辅以成球性能、造球试验和生球性能检测等一系列的研究，探究 铁精矿超微细粒度特性和润湿性对其成球性能的交互影响． 结果表明: 超微细的粒度特性和润湿性对成球性能产生了较大 影响． 微细的粒度特性带来的较好的润湿性对提高生球的抗压强度有利． 然而，超微细粒度和较窄的粒级分布不利于生球内 形成较合理的毛细管半径，进而限制其热稳定性的提高． 关键词 球团; 超微细粒; 润湿性; 成球性能; 毛细管半径 分类号 TF521 + . 1 Particle size and wettability effect of ultrafine magnetite concentrate on ballability PAN Jian，TIAN Hong-yu ，ZHU De-qing，YANG Cong-cong，XU Meng-jie School of Minerals Processing and Bioengineering，Central South University，Changsha 410083，China Corresponding author，E-mail: hytian@ csu． edu． cn ABSTＲACT Two kinds of magnetite concentrates from Pilbara in Australia and an area in the northeast in China were used to ex￾plore the effect of wettability，which depends on particle size，on ballability． Capillary osmosis equipment of a horizontal plate was constructed based on the equation Washburn． To investigate the effect of particle size and wettability of ultrafine magnetite concentrates on ballability，ballability，balling test，and performance test were performed． The results suggest that ultrafine particle size and wetta￾bility strongly affect ballability． Its better wettability on account of particle ultrafine size characteristic is beneficial to improve its com￾pressive strength． However，a narrow ultrafine particle-size distribution will limit the improvements in ballability，because it affects the capillary radius． KEY WOＲDS pellet; ultrafine particle size; wettability; ballability; capillary radius 收稿日期: 2016--07--22 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51474161) 球团矿作为现代高炉炼铁的优质炉料，具有粒度 均匀、冷强度大、铁品位高和还原性好的特点，所以炉 料中使用球团矿的比例越来越高［1］． 而原料特性作为 评价球团生产的第一环节，直接决定着球团矿的加工 与入炉冶炼性能［2］． 针对中国国情资源特点，围绕原 料的成球性，国内已经展开了一些国内贫矿和复杂矿 及国外优质进口矿的研究． 其中，王昌安和罗廉明［3］ 发现，造球磁铁精矿其 － 0. 074 mm 粒级控制在 85% 以上且随着粒度组成的细粒级部分的增多，生球落下 强度呈上升趋势; 胡志清等［4］提出铁精矿的比表面积 对其成球性有决定性影响; 侯通［5］发现随着造球原料 的平均粒径的减小和比表面积的增大，生球的长大速 率是不断升高的; 罗艳红［6］发现不同矿物的生球爆裂 温度主要受物料比表面积、生球强度及水分影响． 但

潘建等：超微细铁精矿的粒度特性和润湿性对其成球性能的交互影响 831 是随着钢铁企业对进口磁铁矿的需求增大，一部分具 粒级磁铁精粉为实验组，以国内比较典型的东北磁铁 有超微细粒度特点的原料进口到国内切.较粒级而 精矿为对照组，针对其超微细粒的粒度特性，研究粒度 言，国内磁铁精矿大多都要经过磨矿预处理，以达到球 特性和润湿性对其成球性能的交互影响，进而为超微 团的基本要求(-0.074mm大于85%)，且在公开发 细粒磁铁精粉合理利用于球团生产提供理论指导. 表过的文献记载中，山西磁铁精粉为国内发现粒级最 细的(-0.043mm大于86%)图，而西澳磁铁精粉却 1试验原料和研究方法 达到了-0.025mm大于90%的超微细粒级.前期针 1.1试验原料 对西澳超细磁铁精粉的氧化、焙烧固结行为进行了研 试验所用的磁铁矿精粉有2种：一种产自西澳 究回，但未对该磁铁精粉的成球行为进行细致研究 Pilbara矿区(A),另一种产自国内东北地区(B).造球 实际上其特殊的原料特性对成球性能造成了很大的影 试验所用膨润土产自印度.原料的化学成分分析见表 响，且已经不能套用国内磁铁精矿较成熟的评价体系. 1,膨润土的各项指标见表2. 因此，本研究以产自西澳Pilbara矿区比较典型的超细 由表1和图1知，磁铁精矿A和B的铁品位都达 表1两种磁铁铁精矿和试验所用膨润土的化学成分分析结果（质量分数） Table 1 Chemical analysis of the magnetite concentrate and bentonite used in testing % 原料种类 TFe FeO SiOz Al2O CaO Mgo P 烧损 A 66.83 28.96 5.25 0.32 0.16 0.30 0.010 0.020 3.19 B 65.12 27.67 3.61 1.42 0.98 1.49 0.190 0.021 2.80 膨润土 12.39 0.22 43.30 15.51 2.03 2.06 0.036 0.045 12.10 表2试验用膨润土的物理性能 Table 2 Physical properties of bentonite 蒙脱石质量分数/% 胶质价/% 吸兰量/g 吸水率(2h)/% 膨胀倍数/(mL·gl)粒度(<0.074mm)1% 88.39 100 39.85 567 伊 98 到了66%左右，且主要矿物为磁铁矿.而精矿A的主 由表2可知，试验所用膨润土主要成分为Si02和 要脉石成分Si02含量高于精矿B,达到了5.25%，但整 Al,O,主要以蒙脱石的形式存在：有害杂质元素P、S 体酸性脉石含量相当，并且P、S等杂质元素比精矿B 含量少，粒度小于0.074mm达98%，2h吸水率高达 含量低 567%,其各项物理性能优良，属于优质膨润土m 2500a M一磁铁矿 1600() Q一石英 M一磁铁矿 2000 P一方镁石 1400 MA镁铁尖品石 81500 1200 1000 100 800 500 600 400 20 40 50 60 20 30 40 0 20) 20 图1精矿A(a)、B(b)的X射线衍射图 Fig.I X-tay diffraction patterns of magnetite concentrates A (a)and B (b) 1.2研究方法 在振筛机上干筛15min,称出各粒级的质量，计算各粒 1.2.1铁精粉的粒度测定 级的百分含量. 本试验含铁原料的粒度分析采用干法和湿法相结 1.2.2铁精粉的润湿性测定 合的测定方法.取试样200g,先用325目的筛子进行 磁铁精粉自身润湿特性影响整个成球流程.由于 湿筛，筛下物烘干称量后用500目的筛子继续湿筛、干 其超微细的粒度特点，前人在研究磁铁精矿润湿性时 燥、称量.筛上物烘干称重后，再用200、80目的套筛， 采用的竖式毛细渗透法并不适合处理此种原料00

潘 建等: 超微细铁精矿的粒度特性和润湿性对其成球性能的交互影响 是随着钢铁企业对进口磁铁矿的需求增大，一部分具 有超微细粒度特点的原料进口到国内［7］． 较粒级而 言，国内磁铁精矿大多都要经过磨矿预处理，以达到球 团的基本要求( － 0. 074 mm 大于 85% ) ，且在公开发 表过的文献记载中，山西磁铁精粉为国内发现粒级最 细的( － 0. 043 mm 大于 86% ) ［8］，而西澳磁铁精粉却 达到了 － 0. 025 mm 大于 90% 的超微细粒级． 前期针 对西澳超细磁铁精粉的氧化、焙烧固结行为进行了研 究［9］，但未对该磁铁精粉的成球行为进行细致研究． 实际上其特殊的原料特性对成球性能造成了很大的影 响，且已经不能套用国内磁铁精矿较成熟的评价体系． 因此，本研究以产自西澳 Pilbara 矿区比较典型的超细 粒级磁铁精粉为实验组，以国内比较典型的东北磁铁 精矿为对照组，针对其超微细粒的粒度特性，研究粒度 特性和润湿性对其成球性能的交互影响，进而为超微 细粒磁铁精粉合理利用于球团生产提供理论指导． 1 试验原料和研究方法 1. 1 试验原料 试验所用的 磁 铁 矿 精 粉 有 2 种: 一 种 产 自 西 澳 Pilbara 矿区( A) ，另一种产自国内东北地区( B) ． 造球 试验所用膨润土产自印度． 原料的化学成分分析见表 1，膨润土的各项指标见表 2． 由 表1 和 图1 知，磁 铁 精 矿A和B的 铁 品 位 都 达 表 1 两种磁铁铁精矿和试验所用膨润土的化学成分分析结果( 质量分数) Table 1 Chemical analysis of the magnetite concentrate and bentonite used in testing % 原料种类 TFe FeO SiO2 Al2O3 CaO MgO S P 烧损 A 66. 83 28. 96 5. 25 0. 32 0. 16 0. 30 0. 010 0. 020 !3. 19 B 65. 12 27. 67 3. 61 1. 42 0. 98 1. 49 0. 190 0. 021 !2. 80 膨润土 12. 39 0. 22 43. 30 15. 51 2. 03 2. 06 0. 036 0. 045 12. 10 表 2 试验用膨润土的物理性能 Table 2 Physical properties of bentonite 蒙脱石质量分数/% 胶质价/% 吸兰量/g 吸水率( 2 h) /% 膨胀倍数/( mL·g － 1 ) 粒度( ＜ 0. 074 mm) /% 88. 39 100 39. 85 567 18 98 到了 66% 左右，且主要矿物为磁铁矿． 而精矿 A 的主 要脉石成分 SiO2含量高于精矿 B，达到了 5. 25% ，但整 体酸性脉石含量相当，并且 P、S 等杂质元素比精矿 B 含量低． 由表 2 可知，试验所用膨润土主要成分为 SiO2和 Al2O3，主要以蒙脱石的形式存在; 有害杂质元素 P、S 含量少，粒度小于 0. 074 mm 达 98% ，2 h 吸水率高达 567% ，其各项物理性能优良，属于优质膨润土［1］． 图 1 精矿 A( a) 、B( b) 的 X 射线衍射图 Fig． 1 X-ray diffraction patterns of magnetite concentrates A ( a) and B ( b) 1. 2 研究方法 1. 2. 1 铁精粉的粒度测定 本试验含铁原料的粒度分析采用干法和湿法相结 合的测定方法． 取试样 200 g，先用 325 目的筛子进行 湿筛，筛下物烘干称量后用 500 目的筛子继续湿筛、干 燥、称量． 筛上物烘干称重后，再用 200、80 目的套筛， 在振筛机上干筛 15 min，称出各粒级的质量，计算各粒 级的百分含量． 1. 2. 2 铁精粉的润湿性测定 磁铁精粉自身润湿特性影响整个成球流程． 由于 其超微细的粒度特点，前人在研究磁铁精矿润湿性时 采用的竖式毛细渗透法并不适合处理此种原料［10--11］． · 138 ·

·832· 工程科学学报，第39卷，第6期 磁铁精粉A粒度细，粒级范围小，容易在竖式料柱中 润湿性越好.正庚烷的表面张力很低，可以在粉体表 塌陷，通过多次测量同样高度的料柱，其物料质量差异 面完全铺展，即日=0，可以作为参照探针溶液，通过式 较大，且随着毛细水的增多，上下层的物料堆密度不同 (2)可以计算得到粉末间毛细管有效半径R然后再 会对毛细水的迁移过程和速率造成不可预期的影响. 用水与正庚烷对比便可准确得到铁精矿在水中的绝对 且每种磁铁精矿的粒度差异较大，不能忽略其重力因 接触角： 素的影响2-围.针对粒级对其成球性影响较大的原 料，本研究自制卧式薄板毛细渗透法，可根据接触角表 8=arccos kYon (3) koYiTo 征润湿性. 式中：k。k,分别为正庚烷和水计算所得斜率；y。y,分 本试验装置简易图见图2.首先选择一块25mm× 别为正庚烷和水的表面张力，m·mm2:。,分别为 35mm的透明玻璃作为试验台基，通过四角螺丝调节 正庚烷和水的液体黏度，mPa·s 水平.用一长方体玻璃料盒作为浸润液容器，一端盒 1.2.3铁精粉的成球性表征 高略低，上覆盖脱脂棉用于液体传递介质，两玻璃片和 在造球试验之前，探究超微细铁精粉粒度特性对 螺丝分别用于密封和固定.在其右侧固定一玻璃罩， 成球性能的影响，结合原料粒度组成和扫描电镜下其 上标记刻度，内有薄片支架用于支撑载玻片，使其与玻 微观颗粒形貌特征，主要考察其静态成球性和动态成 璃盒缺口处相接触.根据矿样密度和载玻片大小确定 球性 2mm料层高度时矿样质量，在烧杯中加水充分搅拌， 实验采用静态成球性指数K经验公式计算四： 并倒入另一个底部完全覆盖载玻片的器皿中，使其自 W 然沉降，可相同条件下同时制3~5个样，待放入烘箱 K=W。-W (4) 中干燥后，取出载玻片备用. 式中：K为静态成球性指数：W为最大分子水质量分 固定螺钉 数；W为最大毛细水质量分数. 玻璃片 接触口 分子水和毛细水的测量方法见文献[6]，测量最 大毛细水同时测毛细水迁移速率 脱脂棉 试验采用批量造球的方法研究铁精矿动态成球 截玻片 性，造球物料调节最优水分后，造球试验过程不添加 水，使物料在圆盘内自己滚动成球.测量不同时间取 出生球的粒度，用套筛分类，通过算术平均值法算出生 带刻度的玻璃罩 薄片支架 球平均直径D.考察物料的自动成母球的能力和生球 长大能力 水平调节螺钉透明水平台基品 D=∑Pd (5) 图2磁铁精矿接触角测定装置 式中：P为生球中某一粒级区间的百分含量；d,为生 Fig.2 Setup for measuring the magnetite concentrate contact angle 球中某一粒级区间的平均直径，mm. 本润湿性研究方法基于Washburn公式： 1.2.4生球制备与生球性能检测 x2=R'y.cos0t 造球试验：称取3kg磁铁精矿（以干重计），配入 21 (1) 定量膨润土和水分，在料盘中混匀，然后在造球机内造 式中：x为液体前端渗透的距离，mm;t为液体前端渗 球I5min,紧密2min,过程中配加定量水分完成造球过 透的时间，s;R为粉末孔隙间的毛细管有效半径，mm; 程.取直径10~12mm的生球，测其落下强度、抗压强 y为液体的表面张力，mJ·mm2;7为探针液体的黏 度、爆裂温度，其中，落下强度以20个合格生球从0.5 度，mPas. m高度重复落下至出现裂纹的次数的平均值来表征， 同时，Washburn方程可以描述为： 抗压强度、爆裂温度的检测方法参见文献6] k=￡=Rycos0 实验设备：(1)生球性能测定设备.KQ-2型生 (2) 2n 球抗压强度测定仪，生球爆裂温度测定仪器为650 由于液体的表面张力和液体黏度受温度和液体种 mm×970mm的竖式管炉，风压为14700Pa、风量为 类影响较大，所以本试验都以20±1℃的室温为基准， 1.05m·min.(2)圆盘造球机.直径1000mm,边高 而测量用水取自经处理的超纯水.通过测量不同时间 150mm,转速28r·min-,圆盘倾角为47° :下液体前端前进的距离x来测定铁精矿与水的接触 原料真密度的测量方法见文献5]，而生球的孔 角，得出斜率k.对于亲水性粉体，接触角日越小，亲水 隙率和毛细管半径检测方法如下：

工程科学学报，第 39 卷，第 6 期 磁铁精粉 A 粒度细，粒级范围小，容易在竖式料柱中 塌陷，通过多次测量同样高度的料柱，其物料质量差异 较大，且随着毛细水的增多，上下层的物料堆密度不同 会对毛细水的迁移过程和速率造成不可预期的影响． 且每种磁铁精矿的粒度差异较大，不能忽略其重力因 素的影响［12--13］． 针对粒级对其成球性影响较大的原 料，本研究自制卧式薄板毛细渗透法，可根据接触角表 征润湿性． 本试验装置简易图见图 2． 首先选择一块 25 mm × 35 mm 的透明玻璃作为试验台基，通过四角螺丝调节 水平． 用一长方体玻璃料盒作为浸润液容器，一端盒 高略低，上覆盖脱脂棉用于液体传递介质，两玻璃片和 螺丝分别用于密封和固定． 在其右侧固定一玻璃罩， 上标记刻度，内有薄片支架用于支撑载玻片，使其与玻 璃盒缺口处相接触． 根据矿样密度和载玻片大小确定 2 mm 料层高度时矿样质量，在烧杯中加水充分搅拌， 并倒入另一个底部完全覆盖载玻片的器皿中，使其自 然沉降，可相同条件下同时制 3 ～ 5 个样，待放入烘箱 中干燥后，取出载玻片备用． 图 2 磁铁精矿接触角测定装置 Fig． 2 Setup for measuring the magnetite concentrate contact angle 本润湿性研究方法基于 Washburn［14］公式: x 2 = Ｒ·γ·cosθ·t 2η ． ( 1) 式中: x 为液体前端渗透的距离，mm; t 为液体前端渗 透的时间，s; Ｒ 为粉末孔隙间的毛细管有效半径，mm; γ 为液体的表面张力，mJ·mm － 2 ; η 为探针液体的黏 度，mPa·s． 同时，Washburn 方程可以描述为: k = x 2 t = Ｒ·γ·cosθ 2η ． ( 2) 由于液体的表面张力和液体黏度受温度和液体种 类影响较大，所以本试验都以 20 ± 1 ℃ 的室温为基准， 而测量用水取自经处理的超纯水． 通过测量不同时间 t 下液体前端前进的距离 x 来测定铁精矿与水的接触 角，得出斜率 k． 对于亲水性粉体，接触角 θ 越小，亲水 润湿性越好． 正庚烷的表面张力很低，可以在粉体表 面完全铺展，即 θ = 0，可以作为参照探针溶液，通过式 ( 2) 可以计算得到粉末间毛细管有效半径 Ｒ． 然后再 用水与正庚烷对比便可准确得到铁精矿在水中的绝对 接触角: θ ( = arccos k1γ0η1 k0γ1η ) 0 ． ( 3) 式中: k0、k1分别为正庚烷和水计算所得斜率; γ0、γ1分 别为正庚烷和水的表面张力，mJ·mm － 2 ; η0、η1分别为 正庚烷和水的液体黏度，mPa·s． 1. 2. 3 铁精粉的成球性表征 在造球试验之前，探究超微细铁精粉粒度特性对 成球性能的影响，结合原料粒度组成和扫描电镜下其 微观颗粒形貌特征，主要考察其静态成球性和动态成 球性． 实验采用静态成球性指数 K 经验公式计算［1］: Kp = Wm Wc － Wm ． ( 4) 式中: Kp为静态成球性指数; Wm为最大分子水质量分 数; Wc为最大毛细水质量分数 . 分子水和毛细水的测量方法见文献［6］，测量最 大毛细水同时测毛细水迁移速率． 试验采用批量造球的方法研究铁精矿动态成球 性，造球物料调节最优水分后，造球试验过程不添加 水，使物料在圆盘内自己滚动成球． 测量不同时间取 出生球的粒度，用套筛分类，通过算术平均值法算出生 球平均直径 D． 考察物料的自动成母球的能力和生球 长大能力． D = ∑ Pidi ． ( 5) 式中: Pi 为生球中某一粒级区间的百分含量; di 为生 球中某一粒级区间的平均直径，mm． 1. 2. 4 生球制备与生球性能检测 造球试验: 称取 3 kg 磁铁精矿( 以干重计) ，配入 定量膨润土和水分，在料盘中混匀，然后在造球机内造 球 15 min，紧密2 min，过程中配加定量水分完成造球过 程． 取直径 10 ～ 12 mm 的生球，测其落下强度、抗压强 度、爆裂温度，其中，落下强度以 20 个合格生球从 0. 5 m 高度重复落下至出现裂纹的次数的平均值来表征， 抗压强度、爆裂温度的检测方法参见文献［6］． 实验设备: ( 1) 生球性能测定设备． KQ--2 型生 球抗压强度测定仪，生球爆裂温度测定仪器为 650 mm × 970 mm 的 竖 式 管 炉，风 压 为 14700 Pa、风 量 为 1. 05 m3 ·min － 1 ． ( 2) 圆盘造球机． 直径 1000 mm，边高 150 mm，转速 28 r·min － 1，圆盘倾角为 47°． 原料真密度的测量方法见文献［15］，而生球的孔 隙率和毛细管半径检测方法如下［1，15］: · 238 ·

潘建等：超微细铁精矿的粒度特性和润湿性对其成球性能的交互影响 833 s-0-Px100, 比表面积，cm2g. (6) P 28 2实验结果及分析 r= Sp (1-e) (7) 2.1粒度特性 式中：e为生球孔隙率：p,为原料真密度，g“cm3p为 将测定后铁精矿的粒度组成和比表面积列于表 生球实际密度，gcm3;r为生球毛细管半径，mm:S为 3,其累积粒度分布如图3所示 表3两种磁铁精矿的粒度组成及比表面积 Table 3 Size distribution and specific area of magnetite concentrates 粒度组成/% 比表面积/ 原料种类 +0.180mm 0.074-0.180mm0.043-0.074mm0.025-0.043mm -0.025mm (cm2.g-1) A 0.00 0.06 0.54 2.61 96.79 2254 B 0.61 14.19 25.15 26.94 33.11 1138 2.2润湿性 100 水分对铁精矿颗粒的润湿对铁精粉成球的成核阶 段具有决定作用，也严重影响球核长大阶段.按照上 80 述测定方法测定两种粒度组成截然不同的铁精粉的润 70 湿性，将试验所测时间【和液体前端前进距离x的结 果进行绘图分析，得出x2-1的回归线性关系，如图4 50 % 所示. 名 已知正庚烷(20℃)Y。=2.01×10-5m·mm2,no 20 =0.00409mPa·s;水(20℃)y1=7.28×105m· 0.020.040.060.080.100.120.140.160.180.20 粒级/mm mm2,n,=0.010mPa·s.结合Washburn方程和式 (3),导出两种磁铁精粉的相对润湿接触角，并与测定 图3铁精矿的累积粒度分布 的最大分子水和最大毛细水列于表4. Fig.3 Cumulative particle-size distributions of iron ore concentrate 由图4和表4知，精矿A、B的接触角数值均落在 由表3和图3知，精矿A粒级在-0.074mm含量 Iveson等a对铁矿粉接触角测定的30°~70°区间范 为99.4%，而-0.025mm含量则达到96.79%，比表面 围之内，但精矿A接触角较B更小，说明水对不同铁 积高达2254cm2·g,相比典型磁铁精矿B粒度差异 精矿物料的润湿性差异较大，而精矿A更易与水亲 明显，精矿A具有粒度超微细且粒度分布区间窄的粒 和，具有更好的水润湿特性.黄小波等叨研究发现， 度特性. 铁精矿粉表面性质对接触角影响较大，且粒径均匀有 35 45 (a b 水 0 40 25 。正庚烷 35 正庚烷 -6.I97x 30 7.295x 20 25 1=5.141x 水 20叶 9 15 -5.809r 10 10 3 2 时间/min 时间/min 图4精矿A(a)和B(b)在水和正庚烷渗透时间与距离平方的线性回归 Fig.4 Linear regression of penetration time and distant square of water and n-heptane in magnetite concentrate A (a)and B (b)

潘 建等: 超微细铁精矿的粒度特性和润湿性对其成球性能的交互影响 ε = ρt － ρ ρt × 100， ( 6) r = 2ε Sρt ( 1 － ε) ． ( 7) 式中: ε 为生球孔隙率; ρt为原料真密度，g·cm － 3 ; ρ 为 生球实际密度，g·cm － 3 ; r 为生球毛细管半径，mm; S 为 比表面积，cm2 ·g － 1 ． 2 实验结果及分析 2. 1 粒度特性 将测定后铁精矿的粒度组成和比表面积列于表 3，其累积粒度分布如图 3 所示． 表 3 两种磁铁精矿的粒度组成及比表面积 Table 3 Size distribution and specific area of magnetite concentrates 原料种类 粒度组成/% + 0. 180 mm 0. 074 ～ 0. 180 mm 0. 043 ～ 0. 074 mm 0. 025 ～ 0. 043 mm － 0. 025 mm 比表面积/ ( cm2 ·g － 1 ) A 0. 00 0. 06 0. 54 2. 61 96. 79 2254 B 0. 61 14. 19 25. 15 26. 94 33. 11 1138 图 3 铁精矿的累积粒度分布 Fig． 3 Cumulative particle-size distributions of iron ore concentrate 图 4 精矿 A( a) 和 B( b) 在水和正庚烷渗透时间与距离平方的线性回归 Fig． 4 Linear regression of penetration time and distant square of water and n-heptane in magnetite concentrate A ( a) and B ( b) 由表 3 和图 3 知，精矿 A 粒级在 － 0. 074 mm 含量 为 99. 4% ，而 － 0. 025 mm 含量则达到 96. 79% ，比表面 积高达 2254 cm2 ·g － 1，相比典型磁铁精矿 B 粒度差异 明显，精矿 A 具有粒度超微细且粒度分布区间窄的粒 度特性． 2. 2 润湿性 水分对铁精矿颗粒的润湿对铁精粉成球的成核阶 段具有决定作用，也严重影响球核长大阶段． 按照上 述测定方法测定两种粒度组成截然不同的铁精粉的润 湿性，将试验所测时间 t 和液体前端前进距离 x 的结 果进行绘图分析，得出 x 2 --t 的回归线性关系，如图 4 所示． 已知正庚烷( 20 ℃ ) γ0 = 2. 01 × 10 － 5 mJ·mm － 2，η0 = 0. 00409 mPa·s; 水 ( 20 ℃ ) γ1 = 7. 28 × 10 － 5 mJ· mm － 2，η1 = 0. 010 mPa·s． 结合 Washburn 方 程 和 式 ( 3) ，导出两种磁铁精粉的相对润湿接触角，并与测定 的最大分子水和最大毛细水列于表 4． 由图 4 和表 4 知，精矿 A、B 的接触角数值均落在 Iveson 等［16］对铁矿粉接触角测定的 30° ～ 70° 区间范 围之内，但精矿 A 接触角较 B 更小，说明水对不同铁 精矿物料的润湿性差异较大，而精矿 A 更易与水亲 和，具有更好的水润湿特性． 黄小波等［17］ 研究发现， 铁精矿粉表面性质对接触角影响较大，且粒径均匀有 · 338 ·

·834 工程科学学报，第39卷，第6期 表4精矿A和精矿B润湿特性 2.3成球性能 Table 4 Wetting behavior of magnetite concentrates A and B 通常可以通过静态成球性、动态成球性来比较铁 接触角 最大分子水质量 最大毛细水质量分数， 精矿 精矿的成球性差异，并以生球性能来验证此差异.将 8/() 分数，W/% W.1% 表5测定结果带入式(4)，得出两种磁铁精矿的静态 A 35.5 3.54 18.48 成球性指数为别为K。A=0.24、K。B=0.27.其动态成 B 57.5 2.81 13.08 球性见图5. 由于静态成球性与铁精矿本身天然特性有较紧密 利于减小其接触角.精矿A较小的接触角也说明微细 关系0，K值实质上是细磨物料群表面所吸附的最大 粒度和较窄的粒度区间特性会使其在具有较高比表面 分子水与毛细管中所能保存最大水量之比.由静态成 积的同时，亲水性更强，颗粒与水分子之间具有更大的 球性指数知，两者均属于成球性较差的物料，且精矿A 范德华力和毛细力，有助于后续成球过程中生球颗粒 的K值较小，说明在超微细铁精矿的粒度特性及润湿 间黏结力的发展和生球的长大. 性影响下，其所持有的较多毛细水并不利于提高其静 在考虑矿粉亲水性能的同时，还考察了其颗粒的 态成球性.在实际造球中，成球属于动态过程，且要添 水分持有能力.通过表4可以看出，精矿A的最大分 加黏结剂来改变物料的比表面积及亲水性，粒度大小 子水和毛细水较精矿B要高，在滚动成球过程中，生 和组成的影响在实际造球中会更大，所以，静态成球指 球在机械力的作用下，其内部毛细水和一部分分子水 数仅是用于判断铁精矿成球性能的一项参考指标. 分别会在相互接触的矿粒水薄膜之间和颗粒间形成的 毛细管中迁移，说明超微细粒度特性使颗粒之间可以 持有更多的水，其对成球性亦会产生较大影响. 由于本实验测量接触角所用的卧式薄板毛细渗透 法，忽略了测量中重力的影响，因此每次如何保持样品 中的毛细管的分布，使其浸润液在矿样中迁移速率尽 量一致对实验的重现性影响很大，所以现就该方法采 用的矿样均匀沉降装料的实验重现性作进一步验证. 将一、二号实验操作人员在相同条件下分别进行测量 精矿A的接触角的重复实验结果列于表5 810121416 表5精矿A接触角重复实验结果 时间/min Table 5 Repeated experimental results of magnetite concentrate A 图5生球平均粒度与成球时间的关系 i a:/(） 821() Fig.5 Relationship of ball milling time and average size of ball 1 35.1 34.9 由动态成球性结果（图5）可见，精矿B的生球平 2 33.9 36.7 均粒径随成球时间延长而上升，精矿A则随着时间推 34.3 35.5 移其生球平均粒度存在峰值区间，呈现出先增大后减 4 34.6 35.8 小的现象.且造球过程观察到精矿A本已形成的生球 36.9 36.0 较精矿B的生球更易发生破损和散开，造成生球数量 6 35.7 34.4 和粒度的变化.精矿A具有较大的分子水和毛细水、 35.0 36.8 较好的亲水性，破碎和散开的矿粉颗粒一部分黏在他 8 36.1 34.8 们生球上，还有一部分更易成为新的“母球”，黏附他 们细小颗粒成为新的生球，但是这部分生球强度会更 平均值0：=35.2,02=35.6：标准差0=0.99， 差.所以，对于超微细粒磁铁精粉，较好的亲水性也决 02x=0.88:自由度==8-1=7. 定了在实际造球过程中，要严格控制母球数量，及时清 计算方差检验统计量F= si_0.992 出破损和散开的不规则颗粒，以免对生球强度产生较 =1.27 s0.882 大影响. 采用双侧检验，取a=0.05,查F分布表，可知 由此表明，精矿B具有比精矿A更好的动态成球 Fas.0.7)=3.79,Fas.0.)=1/Fas.0.7)=1/3.79= 性能，这与所测静态成球性的规律相一致.但显然两 0.26,Fa5..》<F<Fas.o.:从统计学角度看，两个 种铁精矿的动态成球性比静态成球性差异对比更明 实验者的实验结果的精密度无显著性差别，即在95% 显，精矿B在其实际造球过程中，生球的紧密行为较 置信水平，本试验方法具有重现性. 精矿A相比，更不易造成破损，说明粒度特性的影响

工程科学学报，第 39 卷，第 6 期 表 4 精矿 A 和精矿 B 润湿特性 Table 4 Wetting behavior of magnetite concentrates A and B 精矿 接触角， θ /( °) 最大分子水质量 分数，Wm /% 最大毛细水质量分数， Wc /% A 35. 5 3. 54 18. 48 B 57. 5 2. 81 13. 08 利于减小其接触角． 精矿 A 较小的接触角也说明微细 粒度和较窄的粒度区间特性会使其在具有较高比表面 积的同时，亲水性更强，颗粒与水分子之间具有更大的 范德华力和毛细力，有助于后续成球过程中生球颗粒 间黏结力的发展和生球的长大． 在考虑矿粉亲水性能的同时，还考察了其颗粒的 水分持有能力． 通过表 4 可以看出，精矿 A 的最大分 子水和毛细水较精矿 B 要高，在滚动成球过程中，生 球在机械力的作用下，其内部毛细水和一部分分子水 分别会在相互接触的矿粒水薄膜之间和颗粒间形成的 毛细管中迁移，说明超微细粒度特性使颗粒之间可以 持有更多的水，其对成球性亦会产生较大影响． 由于本实验测量接触角所用的卧式薄板毛细渗透 法，忽略了测量中重力的影响，因此每次如何保持样品 中的毛细管的分布，使其浸润液在矿样中迁移速率尽 量一致对实验的重现性影响很大，所以现就该方法采 用的矿样均匀沉降装料的实验重现性作进一步验证． 将一、二号实验操作人员在相同条件下分别进行测量 精矿 A 的接触角的重复实验结果列于表 5． 表 5 精矿 A 接触角重复实验结果 Table 5 Ｒepeated experimental results of magnetite concentrate A i θ1i /( °) θ2i /( °) 1 35. 1 34. 9 2 33. 9 36. 7 3 34. 3 35. 5 4 34. 6 35. 8 5 36. 9 36. 0 6 35. 7 34. 4 7 35. 0 36. 8 8 36. 1 34. 8 平均值 θ1i = 35. 2，θ2i = 35. 6; 标准差 σ1i = 0. 99， σ2i = 0. 88; 自由度 v1i = v2i = 8 － 1 = 7． 计算方差检验统计量 F = s 2 1i s 2 2i = 0. 992 0. 882 = 1. 27． 采用双 侧 检 验，取 α = 0. 05，查 F 分 布 表，可 知 F0. 025，( 7，7) = 3. 79，F0. 975，( 7，7) = 1 /F0. 025，( 7，7) = 1 /3. 79 = 0. 26，F0. 975，( 7，7) ＜ F ＜ F0. 025，( 7，7) ． 从统计学角度看，两个 实验者的实验结果的精密度无显著性差别，即在 95% 置信水平，本试验方法具有重现性． 2. 3 成球性能 通常可以通过静态成球性、动态成球性来比较铁 精矿的成球性差异，并以生球性能来验证此差异． 将 表 5 测定结果带入式( 4) ，得出两种磁铁精矿的静态 成球性指数为别为 Kp，A = 0. 24、Kp，B = 0. 27． 其动态成 球性见图 5． 由于静态成球性与铁精矿本身天然特性有较紧密 关系［1］，Kp值实质上是细磨物料群表面所吸附的最大 分子水与毛细管中所能保存最大水量之比． 由静态成 球性指数知，两者均属于成球性较差的物料，且精矿 A 的 Kp值较小，说明在超微细铁精矿的粒度特性及润湿 性影响下，其所持有的较多毛细水并不利于提高其静 态成球性． 在实际造球中，成球属于动态过程，且要添 加黏结剂来改变物料的比表面积及亲水性，粒度大小 和组成的影响在实际造球中会更大，所以，静态成球指 数仅是用于判断铁精矿成球性能的一项参考指标． 图 5 生球平均粒度与成球时间的关系 Fig． 5 Ｒelationship of ball milling time and average size of ball 由动态成球性结果( 图 5) 可见，精矿 B 的生球平 均粒径随成球时间延长而上升，精矿 A 则随着时间推 移其生球平均粒度存在峰值区间，呈现出先增大后减 小的现象． 且造球过程观察到精矿 A 本已形成的生球 较精矿 B 的生球更易发生破损和散开，造成生球数量 和粒度的变化． 精矿 A 具有较大的分子水和毛细水、 较好的亲水性，破碎和散开的矿粉颗粒一部分黏在他 们生球上，还有一部分更易成为新的 “母球”，黏附他 们细小颗粒成为新的生球，但是这部分生球强度会更 差． 所以，对于超微细粒磁铁精粉，较好的亲水性也决 定了在实际造球过程中，要严格控制母球数量，及时清 出破损和散开的不规则颗粒，以免对生球强度产生较 大影响． 由此表明，精矿 B 具有比精矿 A 更好的动态成球 性能，这与所测静态成球性的规律相一致． 但显然两 种铁精矿的动态成球性比静态成球性差异对比更明 显，精矿 B 在其实际造球过程中，生球的紧密行为较 精矿 A 相比，更不易造成破损，说明粒度特性的影响 · 438 ·