CN102636408B - 一种检测铁精矿成球性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测铁精矿成球性能的方法。通过离心法测定铁精矿的最大分子水；饱和吸水法测定铁精矿的最大毛细水；测定铁精矿的堆密度、真密度并计算出孔隙率；采用激光粒度分析仪计算铁精矿的平均粒径；应用公式计算出铁精矿的成球性能并给出评价等级。该方法具有操作简单，科学合理的特点，对铁精矿配料操作有一定的理论指导意义。在平均粒径小于60um时，采用原料-200目的含量或-325目的含量替代平均粒径不会影响评价方法的可靠性。

Description

一种检测铁精矿成球性能的方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金领域，具体涉及一种球团制备过程中检测铁精矿成球性能的方法。

背景技术

球团矿因其冷强度高、冶金性能优越，在钢铁工业中作为含铁炉料使用的比例越来越大。我国球团矿发展迅速，产量由2005年的约5900万t增加到2010年的1.1亿t。球团的生产通常包括生球的制备、干燥预热、焙烧和冷却。良好的生球质量是确保后续工艺稳定和球团矿品质优良的重要基础。

所谓原料的成球性能，是指细磨物料在自然状态下的滴水成球能力以及在机械力作用下的密集能力。提高铁精矿成球性能的首要任务是明确原料性质对成球性能的影响，提出合理的评价方法。自然状态下的滴水成球能力常用成球性指数K表示：K＝α/(β-α)。其中α-最大分子水(％)；β-最大毛细水(％)。由于上述经验公式只涉及铁精矿最大分子水和最大毛细水的测定，操作简单，能综合性地反映细磨物料的天然性质，因此该公式在球团生产中应用广泛。但是此评价方法存在如下问题：①与生球强度的对应关系较差②未能真实地反映原料性质对成球性能的具体影响，未能为改善铁精矿的成球性能提供理论指导。

细磨物料在机械力作用下的密集能力采用生球强度表示。在已定的工艺条件下，直接影响生球强度的因素是原料种类和物化特性。原料性质主要包括化学组成、颗粒表面亲水性及颗粒形貌、密度及孔隙率、粒度组成及比表面积等。H.Rumpf通过分析毛细理论得到铁精矿的某些性质与生球强度的关系：

${\mathrm{\σ}}_c=a\·\frac{1-\mathrm{\ξ}}{\mathrm{\ξ}}\·\mathrm{\γ}\·\frac{1}{d}\cos \mathrm{\θ}$ $S=\frac{100F}{100-F}\·\frac{1-\mathrm{\ξ}}{\mathrm{\ξ}}\·\frac{{\mathrm{\ρ}}_P}{{\mathrm{\ρ}}_L}$

式中

-生球拉伸强度(N)；S-水分饱和度(-)；a-物料常数(-)；

F-水分含量(％)；γ-液体表面张力(N/m)；ξ-生球相对孔隙率(-)；

θ-固液接触角(°)；d-颗粒平均粒径(um)；ρ_p-颗粒的密度(kg/m³)；

ρ_L-粘结液的密度(kg/m³)。

当生球的孔隙被水分完全填充并在毛细力的作用下形成微凹表面时，生球强度达到最大值，此时的水分填充率约为0.9～0.95。上述公式定量地分析了造球水分和原料的性质对生球强度的影响，但一些参数(生球相对孔隙率、水分饱和度、物料常数以及造球水分)无法在原料成球前通过检测获得，导致上述公式不能用于评价铁精矿的成球性能。若能采用某些简单可测的中间变量来简化Rumpf方程解决上述问题，成球性能的评价方法将变得科学合理、实用性高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种新的铁精矿成球性能评价方法，该方法利用常见的检测参数合理地评价细磨铁精矿的成球性能。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种检测铁精矿成球性能的方法，通过公式：

$N=\frac{{\mathrm{\α\β\ρ}}_B}{d}{\left(\frac{1-\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\ϵ}}\right)}^2$

来得出铁精矿成球性能值N，其中α为最大分子水；β为最大毛细水；ρ_B为堆密度；ε为孔隙率；d为平均粒径。

所述的一种检测铁精矿成球性能的方法，所述的最大分子水α的检测方法为：将铁精矿用水浸泡2～3小时后，取30～50克浸泡后的铁精矿在转速为10000r/min，旋转半径为60mm的离心作用下脱水15分钟，然后检测离心操作后铁精矿中的剩余水分所占总质量的百分比即为铁精矿的最大分子水α。

所述的一种检测铁精矿成球性能的方法，所述的最大毛细水β的检测方法为：将干燥的、自然堆积在试管中的铁精矿吸水至饱和，检测吸水饱和后的铁精矿中吸水量占铁精矿吸水后总质量的百分比即为铁精矿的最大毛细水β。

所述的一种检测铁精矿成球性能的方法，所述的自然堆密度ρ_B的检测方法为：取一容积已校准的容器，自然装入干燥的铁精矿后刮平料面，检测容器中单位体积的铁精矿质量即为自然堆密度ρ_B，自然堆密度ρ_B单位为克每立方厘米。

所述的一种检测铁精矿成球性能的方法，所述的孔隙率ε的计算公式为：

ε＝1-ρ_B/ρ_R

其中ρ_R为真密度。

所述的一种检测铁精矿成球性能的方法，所述的真密度ρ_R的检测方法为：将15克的铁精矿装入容量为25毫升的比重瓶，注入蒸馏水并在热水浴中煮沸4～6小时以除去铁精矿上附着的气泡，静置冷却后注满蒸馏水至瓶口，称得比重瓶、水和铁精矿的总质量m₁，并称得25毫升蒸馏水与比重瓶的质量m₀，然后由算式15/(15-(m₁-m₀))所求得的值即为真密度ρ_R，真密度ρ_R单位为克每立方厘米。

所述的一种检测铁精矿成球性能的方法，所述的平均粒径d采用激光粒度分析仪计算。

本发明的有益效果为：

(1)科学性好

物料成球前需要确定适宜造球水分以保证生球强度，Rumpf方程指出生球强度达到最大值时水分饱和度约为0.9～0.95。S.P.E.Forsmo等人通过试验描述了落下强度与水分饱和度的关系，进一步证实了Rumpf方程的准确性并得出结论：水分饱和度在0.8～0.95之间二者近似地呈线性关系。因此α_c·S可以用来描述生球强度随水分饱和度以及原料性质的变化关系。

${\mathrm{\σ}}_{c}S=a\·\mathrm{\γ}\cos \mathrm{\θ}\frac{{\mathrm{\ρ}}_p}{{\mathrm{\ρ}}_L}{\left(\frac{1-\mathrm{\ξ}}{\mathrm{\ξ}}\right)}^2\·\frac{1}{d}\·\frac{100F}{100-F}$

最大分子水α预示着矿石的亲水性能以及颗粒之间的紧密程度，可用来表征铁精矿的表面性质，可以替代Rumpf方程的物料常数a和颗粒亲水性γcosθ；最大毛细水β描述颗粒之间的孔隙完全被水分填充的吸水量，与成球过程中适宜的造球水分存在定量关系，可以替代Rumpf方程的100F/(100-F)；在已定工艺条件下，增加铁精矿的密度可以增加其机械力下的密集能力，生球的强度相对提高；生球的相对孔隙率ξ可近似地由原料的孔隙率ε表示。因此本发明具有较好的科学性。

(2)可行性好

由于采用了一些可测参数和中间变量替代了Rumpf方程中的某些变量，使得成球性的检测变得简单可行。另外，在平均粒径d＜60um时，原料-200目的含量Φ₂₀₀或-325目的含量Φ₃₂₅与d存在定量关系(见图4)，因此在粒度较细时可用Φ₂₀₀或Φ₃₂₅替代平均粒径不影响检测方法的可靠性，进一步减少了检测工作量。

(3)准确性高

本发明计算得到的各种铁精矿的成球性能，其与生球强度的一致性高于成球性指数K与生球强度的一致性(见图5和图6)。

本发明应用于指导和控制球团工业中的含铁原料预处理，可优化原料结构提高生球质量。

附图说明

图1为饱和吸水法测最大毛细水的装置示意图；

图2为压滤法最大分子水测定装置；

图3为离心机角转子带动试样旋转示意图；

图4为铁精矿细粒级含量与平均粒径的关系；

图5为生球落下强度与成球性指数K和成球性能N的关系图；

图6为生球抗压强度与成球性指数K和成球性能N的关系图；

标号说明：1——铁架台，2——烧杯，3——储水器，4——筛板，5——装料试管，6——酸式滴定管，7——标尺，8——橡皮塞，9——试样10-上压塞，11-套筒，14-下压塞，12-滤纸，13-试样

具体实施方式

检测流程包括最大分子水和最大毛细水的检测、自然堆密度和真密度的检测、孔隙率的计算、平均粒径的计算、成球性能的计算、给出评价等级等主要步骤。具体检测内容如下：

(1)最大分子水的检测

测定最大分子水的方法为离心法和压滤法，其中成球性指数K的分子水采用压滤法测定；成球性能值N的分子水采用离心法测定。压滤法的装置如图2所示，以套筒11作为固定的压模，通过上下压塞14提供的压力排出试样13中的自由水，并用滤纸12吸收，具体的测定方法为：将试样13用水浸泡2～3h后，将下压塞14放入压模中并在下压塞14上放入20张直径为60mm的滤纸12，取6～8g试样13均匀铺在滤纸12上使其厚度不超过2mm。试样13上再加20张滤纸12，放上上压塞10，将装有试样13的压模放在液压机上，以65.5kg/cm2的压力，加压5min，压后试样13中剩余水分即为压滤法分子水，重复三次试验，取其平均值。

离心法是将试样用水浸泡2～3h后，在底部带孔的Φ30mm×80mm离心钢罐中铺两层滤纸12，分别取4份30g～50g的试样装入试管中，在转速为10000r/min、旋转半径60mm的离心作用下脱水15min后卸出，角转子旋转示意图见图3，检测其剩余水分即为试样的最大分子水，取其平均值。

(2)最大毛细水的检测

采用饱和吸水发检测铁精矿的最大毛细水，装置见图1。其中铁架台1起固定作用，保证检测过程中酸式滴定管6、装料试管5、标尺7和储水器3自然垂直。烧杯2中加入水，并把储水器3的下端导管插入水中进行密封。橡皮塞8连接装料试管5和储水器3，起到密封作用。标尺7用于记录试样9的装料高度，标尺7的0刻度处与筛板4的上方重合。滴定管的作用是向储水器3添加水以及记录试样9的吸水量。检测过程中调节滴定管的玻璃阀门开度使得进水管上的刻度A与装料试管5中的筛板4保持在同一水平面上，保证试样9是在毛细力条件下吸水。具体方法是将筛板4放入Φ30mm×150mm的装料试管55中，在筛板4上铺两层滤纸，然后将干燥的试样9装入装料试管5至100mm高度处，使其呈自然堆积的状态并使料面平整，记下装料重量m₀。通过滴定管向储水器3中加入蒸馏水，当其水面升至与筛板4下缘同一水平线时为吸水开始时间，直至试样9不再吸水为结束，检测过程中保持基准线A的水位。记下从吸水开始到吸水结束的加水量m₁，m₁/(m₀+m₁)即为试样9的最大毛细水，重复检测两次，取其平均值。

(3)自然堆密度的检测

取一已经校准其体积为V质量为m₀的容器，自然装入干燥的铁精矿后刮平料面，计质量为m₁。(m₁-m₀)/V即为试样的堆密度ρ_B，重复检测三次，取其平均值。

(4)真密度的检测

采用比重瓶法检测真密度，方法是将15g的铁精矿装入洗净、烘干的容量为25ml的比重瓶中，注入蒸馏水达容积的2/3，在热水浴中煮沸4～6h以除去试样上附着的气泡。静置冷却后，再将蒸馏水注满至瓶口，称得比重瓶、水和试样的总质量为m₁。从瓶中倒出水和试样，洗净后装满蒸馏水并擦干瓶外的水份，称得瓶和水的质量m₀。15/(15-(m₁-m₀))即为真密度ρ_R，重复检测三次，取其平均值。

(5)真密度的计算

孔隙率ε的计算公式为：ε＝1-ρ_B/ρ_R。

(6)平均粒径的计算

采用激光粒度分析仪CILAS 1064 Liquid检测，取粒度分布曲线中的d₅₀为平均粒径。

(7)成球性能的计算

计算公式为： $N=\frac{{\mathrm{\α\β\ρ}}_B}{d}{\left(\frac{1-\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\ϵ}}\right)}^2.$

(8)根据计算得到的N值给出铁精矿成球能力的等级。当N＜1.0时为弱成球性；当1.0＜N＜3.6时为中等成球性；当3.6＜N＜5.6时为良好成球性；当N＞5.6时为优等成球性。

实施案例：

选用10种有代表性的铁精矿分别进行成球性能和生球强度的检测。表1为10个实例的主要化学成分。10个实例的最大分子水和最大毛细水、自然堆密度和真密度、计算孔隙率和平均粒径的结果见表2，其中最大分子水分别采用离心法和压滤法检测。10个实例的生球强度、成球性指数K值、成球性能N值以及各自的评价等级如表3所示，其中K的划分标准：K＜0.2为无成球性；0.2＜K＜0.35为若成球性；0.35＜K＜0.6为中等成球性；0.6＜K＜0.8为良好成球性；K＞0.8为优等成球性。

表1原料的化学组成(表中数据的单位为：wt/％)

表2原料的物化性能

表3生球强度与铁精矿的成球性能

注：试验是在圆盘造球机中进行的，其主要技术参数为：直径Φ＝1000mm，转速25r/min，边高h＝250mm。造球时每批料量为5kg，生球取样测定其抗压强度、落下强度和生球水分。落下强度的测定方法为：将生球于0.5m高度自由落下至10mm厚的钢板上，若落下n次后发生破裂，即该球的落下强度为(n-1)次/0.5m，每次测10个生球，取平均值作为生球的落下强度(单位为次/0.5m)；抗压强度的测定方法为：将生球置于电子天平上，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10个生球，取平均值作为该批生球样的抗压强度(单位为N/P)；K值采用K＝α/(β-α)计算，此处的α参照一般做法采用压滤法测定(见图2)。

10个实例的生球强度和成球性指数K以及成球性能N的关系见图5和图6。在置信度为95％的条件下，落下强度与K的线性相关度为R²＝0.3652，而其与N的线性相关度为R²＝0.5536；抗压强度与K的线性相关度仅为R²＝0.5296，而其余N的线性相关度则高达R²＝0.8109。生球强度与N的一致性远高于K，这表明N更好地表征铁精矿的成球性能。因此本发明具有科学合理性，能为实际生产提供理论指导。

Claims (7)

1.一种检测铁精矿成球性能的方法，其特征在于，通过公式：

$N=\frac{{\mathrm{\α\β\ρ}}_B}{d}{\left(\frac{1-\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\ϵ}}\right)}^2$

来得出铁精矿成球性能值N，其中α为最大分子水；β为最大毛细水；ρ_B为堆密度；ε为孔隙率；d为平均粒径。

2.根据权利要求1所述的一种检测铁精矿成球性能的方法，其特征在于，所述的最大分子水α的检测方法为：将铁精矿用水浸泡2～3小时后，取30～50克浸泡后的铁精矿在转速为10000r/min，旋转半径为60mm的离心作用下脱水15分钟，然后检测离心操作后铁精矿中的剩余水分所占总质量的百分比即为铁精矿的最大分子水α。

3.根据权利要求1所述的一种检测铁精矿成球性能的方法，其特征在于，所述的最大毛细水β的检测方法为：将干燥的、自然堆积在试管中的铁精矿吸水至饱和，检测吸水饱和后的铁精矿中吸水量占铁精矿吸水后总质量的百分比即为铁精矿的最大毛细水β。

4.根据权利要求1所述的一种检测铁精矿成球性能的方法，其特征在于，所述的堆密度ρ_B的检测方法为：取一容积已校准的容器，自然装入干燥的铁精矿后刮平料面，检测容器中单位体积的铁精矿质量即为堆密度ρ_B，堆密度ρ_B单位为克每立方厘米。

5.根据权利要求1所述的一种检测铁精矿成球性能的方法，其特征在于，所述的孔隙率ε的计算公式为：

ε=1-ρ_B/ρ_R

其中ρ_R为真密度。

6.根据权利要求5所述的一种检测铁精矿成球性能的方法，其特征在于，所述的真密度ρ_R的检测方法为：将15克的铁精矿装入容量为25毫升的比重瓶，注入蒸馏水并在热水浴中煮沸4～6小时以除去铁精矿上附着的气泡，静置冷却后注满蒸馏水至瓶口，称得比重瓶、水和铁精矿的总质量m₁，并称得25毫升蒸馏水与比重瓶的质量m₀，然后由算式15/(15-(m₁-m₀))所求得的值即为真密度ρ_R，真密度ρ_R单位为克每立方厘米。

7.根据权利要求1所述的一种检测铁精矿成球性能的方法，其特征在于，所述的平均粒径d采用激光粒度分析仪计算。

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