CN107702656B

CN107702656B - 一种矿石水膜厚度的检测方法

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Publication number: CN107702656B
Application number: CN201711011070.7A
Authority: CN
Inventors: 刘代飞; 史先菊; 陈志盛; 李军; 谢七月; 冯红云; 肖慧; 陈前军
Original assignee: Changsha University of Science and Technology
Current assignee: Changsha University of Science and Technology
Priority date: 2017-10-26
Filing date: 2017-10-26
Publication date: 2019-08-27
Anticipated expiration: 2037-10-26
Also published as: CN107702656A

Abstract

本发明公开了一种矿石水膜厚度的检测方法，实施步骤包括取总重量M的矿石颗粒样本；测量矿石颗粒样本的所有颗粒的体积总和；获取矿石颗粒样本的扫描图像，获取矿石颗粒样本的颗粒总数以及矿石颗粒样本的平均表面积；检测矿石颗粒样本的矿石总孔体积及最大分子水含量或最大毛细水含量作为矿石水含量，计算最大分子水或最大毛细水对应的矿石水膜厚度。本发明能够准确计算最大分子水膜厚度和最大毛细水膜厚度、为实现定量研究矿石颗粒制粒性能打下基础、适用范围广，对定量表征矿石颗粒制粒性能，作为研究矿石制粒行为特征的基础有重大的现实意义，能够弥补制粒性能目前只能定性表征的不足，填补定量表征矿石颗粒制粒性能的空白。

Description

一种矿石水膜厚度的检测方法

技术领域

本发明涉及钢铁冶金烧结球团领域，具体涉及一种矿石水膜厚度的检测方法。

背景技术

铁矿粉的分布状态是烧结过程进行的基础，其主要由混合制粒过程决定，主要受铁矿粉粒度分布和制粒性能的影响。铁矿石成球性与众多因素密切相关，且存在复杂的耦合关系，这给准确评价制粒性能带来困难，目前对铁矿粉制粒性能好坏常规利用铁矿粉的最大毛细水、分子水，计算成球性指数来定性评价天矿石制粒性能的好坏，在性能表征和应用方面存在局限性，且不够直观。

铁矿粉制粒在毛细水的作用下靠近，在分子水以及颗粒表面菱角的契合作用下加强连接，这其中的力学关系需要在知悉毛细水膜和分子水膜厚度以及颗粒表面菱角的粗糙度的基础下进行定量分析判断，在定量研究力学关系的基础上研究矿石颗粒的制粒行为特征更为直观清晰准确。目前没有水膜厚度的直接检测方法，同时矿石颗粒为不规则体，通过检测计算颗粒体表面积来计算水膜厚度也存在较大的困难，孔径极小的孔洞可以完全被分子水和毛细水填充，此部分水含量与可形成的水膜厚度无直接关系，影响了水膜厚度的准确计算。目前，已有检测颗粒内外比表面积的方法，多采用吸附法，此方法可检测出达到包含纳米级孔洞的表面积，但此方法无法检测出只与分子水膜厚度有直接关系的那部分外表面积。文献中有报道鸡蛋、蚕茧等的表面积检测方法，计算鸡蛋的表面积是在假设理想鸡蛋纵径对称的基础上提出的像素表面积检测方法，准确率达92％，由于鸡蛋表面相对光滑，且鸡蛋的形状相对单一，而矿石表面凸凹不平，且不同矿石形状差异较大，因此该方法不适用于矿石颗粒表面积的计算；蚕茧表面积的计算也是按近似椭球体处理，按计算椭球体表面积积分计算其表面积，不适用于形状极不规则且差异较大的矿石颗粒。有文献报道采用基于三维激光扫描技术的不规则物体表面积的测定方法，此方法针对体积较大的单一颗粒测定表面积，用于处理颗粒量大的矿石工作量太大，无法一次处理完成。因此，如何完成矿石水膜厚度检测，已经成为一项亟待解决的关键技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种能够准确计算最大分子水膜厚度和最大毛细水膜厚度、为实现定量研究矿石颗粒制粒性能打下基础、适用范围广的矿石水膜厚度的检测方法，能够计算出矿石颗粒水膜厚度，对定量表征矿石颗粒制粒性能，作为研究矿石制粒行为特征的基础有重大的现实意义，能够弥补制粒性能目前只能定性表征的不足，填补定量表征矿石颗粒制粒性能的空白。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种矿石水膜厚度的检测方法，实施步骤包括：

1)从被检测矿石中取总重量M的矿石颗粒样本；

2)测量矿石颗粒样本的所有颗粒的体积总和V；

3)获取矿石颗粒样本的扫描图像，基于扫描图像获取矿石颗粒样本的颗粒总数n以及矿石颗粒样本的平均表面积S_avg；

4)检测矿石颗粒样本的矿石总孔体积v_h以及最大分子水含量或最大毛细水含量作为矿石水含量R，并根据式(1)计算得到被检测矿石最大分子水或最大毛细水膜对应的矿石水膜厚度D；

D＝1000*M*(R-v_h)/(n*S_avg) (1)

式(1)中，D为被检测矿石最大分子水或最大毛细水膜对应的矿石水膜厚度，M为矿石颗粒样本的总重量，g；R为矿石颗粒样本的矿石水含量，％；v_h为矿石总孔体积，cm³/g；n为矿石颗粒样本的颗粒总数，S_avg为矿石颗粒样本的平均表面积，mm²。

优选地，步骤2)中测量矿石颗粒样本的矿石总体积V的详细步骤包括：首先采用排水法测量矿石颗粒样本的矿石总体积V，测量完后再将矿石颗粒样本烘干待用。

优选地，步骤3)的详细步骤包括：

3.1)获取矿石颗粒样本的扫描图像；

3.2)基于扫描图像测算出矿石颗粒样本的所有颗粒投影的长轴的总和A、所有颗粒投影面积的总和S、所有颗粒投影的周长总和L，并统计出矿石颗粒样本的颗粒总数n；

3.3)根据式(2)计算矿石颗粒样本的平均表面积S_avg；

S_avg＝(A³*V+A²*S²+A*S*V*n)L²/[2(A²+S*n)²*S*n] (2)

式(2)中，S_avg为矿石颗粒样本的平均表面积，mm²；A为矿石颗粒样本的所有颗粒投影的长轴的总和，mm；V为矿石颗粒样本的所有颗粒的体积总和，mm³；S为所有颗粒投影面积的总和，mm²；L为所有颗粒投影的周长总和，mm；n为矿石颗粒样本的颗粒总数。

优选地，步骤4)中检测矿石颗粒样本的矿石总孔体积v_h具体是指将干燥的矿石颗粒样本置于试样管中进行抽真空处理后，然后采用静态氮吸附仪测定总孔体积，得到矿石颗粒样本的矿石总孔体积v_h。

优选地，步骤4)检测矿石颗粒样本的最大分子水含量的具体步骤包括：将矿石颗粒样本用水浸泡大于指定时间，然后取指定质量m的矿石颗粒样本在旋转离心力作用下脱水指定时间，最终检测离心操作后的矿石颗粒样本的剩余水分所占总质量m的百分比作为矿石颗粒样本的最大分子水含量。

优选地，步骤4)检测矿石颗粒样本的最大毛细水含量的具体步骤包括：将干燥的、自然堆积在试管中的矿石颗粒样本通过毛细力的作用吸水至饱和，检测吸水饱和后的矿石颗粒样本中吸水量占矿石颗粒样本吸水后总质量的百分比作为矿石颗粒样本的最大毛细水含量。

本发明矿石水膜厚度的检测方法具有下述优点：

1)适用范围广，任意种类、任意粒级矿石颗粒均可采用本发明矿石水膜厚度的检测方法计算其表面积和多粒级平均表面积。

2)本发明矿石水膜厚度的检测方法计算出矿石颗粒水膜厚度，对定量表征矿石颗粒制粒性能，作为研究矿石制粒行为特征的基础有重大的现实意义。本发明矿石水膜厚度的检测方法能够弥补制粒性能目前只能定性表征的不足，填补定量表征矿石颗粒制粒性能的空白。

附图说明

图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。

具体实施方式

下文将以铁矿石为例，对本发明矿石水膜厚度的检测方法进行进一步的详细说明。需要说明的是，任意种类、任意粒级矿石颗粒均可采用本发明矿石水膜厚度的检测方法计算其表面积和多粒级平均表面积。

如图1所示，本实施例矿石水膜厚度的检测方法的实施步骤包括：

1)从被检测矿石中取总重量M的矿石颗粒样本；

2)测量矿石颗粒样本的所有颗粒的体积总和V；

D＝1000*M*(R-v_h)/(n*S_avg) (1)

式(1)中，D为被检测矿石最大分子水或最大毛细水膜对应的矿石水膜厚度，M为矿石颗粒样本的总重量，g；R为矿石颗粒样本的矿石水含量，％；v_h为矿石总孔体积，cm³/g；n为矿石颗粒样本的颗粒总数，S_avg为矿石颗粒样本的平均表面积。

本实施例中预先将被检测矿石在大于100℃以上烘箱中烘干后待用，步骤1)中取烘干后的矿石取1.2g标记为K样，记下总重量M为1.2g。一般而言，K样取0.01g～10g左右。

本实施例中，步骤2)中测量矿石颗粒样本的矿石总体积V的详细步骤包括：首先采用排水法测量矿石颗粒样本的矿石总体积V，测量完后再将矿石颗粒样本烘干待用。本实施例中，采用排水法测量其体积为V＝307.14mm³，测量完后再将K样全部烘干后待用；

本实施例中，步骤3)的详细步骤包括：

3.1)获取矿石颗粒样本的扫描图像；

3.2)基于扫描图像测算出矿石颗粒样本的所有颗粒投影的长轴的总和A、所有颗粒投影面积的总和S、所有颗粒投影的周长总和L，并统计出矿石颗粒样本的颗粒总数n；本实施例中，将扫描后的图像采用专业的图像处理软件(本实施例中具体采用CAD，此外也可以根据需要采用MATLAB等图像处理软件)进行测算，测出所有颗粒长轴的长度总和计为A＝32.15mm，测出所有颗粒投影面积的总和计为S＝109.67mm²，测出所有颗粒投影的周长总和计为 L＝104.26mm，并统计出颗粒总数n＝8；

3.3)根据式(2)计算矿石颗粒样本的平均表面积S_avg；

S_avg＝(A³*V+A²*S²+A*S*V*n)L²/[2(A²+S*n)²*S*n] (2)

式(2)中，S_avg为矿石颗粒样本的平均表面积，A为矿石颗粒样本的所有颗粒投影的长轴的总和，V为矿石颗粒样本的所有颗粒的体积总和，S为所有颗粒投影面积的总和，L为所有颗粒投影的周长总和，n为矿石颗粒样本的颗粒总数。本实施例中，计算多个矿石颗粒的平均表面积S_avg为53.10mm²。

本实施例中，式(2)的推导过程如下：

设长方体的长为a，宽为b，高为h，ab面周长为l，表面积为S_表，长方体中存在如下式(3)所示关系：

[(2a+2b)/l]²＝(2a*b+2a*h+2b*h)/S_表； (3)

式(3)中，a为长方体的长，b为长方体的宽，h为长方体的高，l为长方体的ab面周长，S_表为长方体的表面积。

针对矿石颗粒样本而依然，将不规则颗粒等效为长方体，其等效长a为颗粒投影面的长轴长度，等效宽b＝S_面/a(S_面为颗粒投影面的面积)，等效高h＝v/S_面(v为颗粒的实际体积)，等效周长L为颗粒投影面的周长，表面积为S_表，代入式(3)则有式(4)，将式(4)化简得出式(5)：

[(2a+2S_面/a)/l]²＝(2a*S_面/a+2a*v/S_面+2S_面/a*v/S_面)/S_表 (4)

S_表＝(a³*v+a²*S_面 ²+a*S_面*v)*l²/[2(a²+S_面)²*S_面]； (5)

式(4)和式(5)中，a为颗粒投影面的长轴长度，b为颗粒投影面的等效宽，h为颗粒投影面的等效高，l为长方体的ab面周长，S_表为长方体的表面积，S_面为颗粒投影面的面积， v为颗粒的实际体积。

求多颗粒的平均表面积，将多颗粒进行二维图像扫描处理，其平均长a＝A/n(A为多颗粒投影面长轴的长度之和)，平均投影面积S_面＝S/n(S为所有颗粒投影面积的总和)，颗粒平均体积v＝V/n(V为所有颗粒的体积总和)，颗粒投影的平均周长l＝L/n(L为所有颗粒投影的周长总和)，代入以上式(5)则有式(6)；

S_avg＝[(A/n)³*V/n+(A/n)²*(S/n)²+A/n*S/n*V/n]*(L/n)²/{2[(A/n)²+S/n]²*S/n]} (6)

式(2)中，S_avg为矿石颗粒样本的平均表面积，mm²；A为矿石颗粒样本的所有颗粒投影的长轴的总和，mm；V为矿石颗粒样本的所有颗粒的体积总和，mm³；S为所有颗粒投影面积的总和，mm²；L为所有颗粒投影的周长总和，mm；n为矿石颗粒样本的颗粒总数。将式(6)简化可得到式(2)。为了验证式(2)的准确性，分别将式(2)代入四面体、正方体、球、等轴椭球体以及非等轴椭球体等进行验证，验证法线误差均在5％以内，此精度计算不规则颗粒表面积在允许范围内，可以满足不规则矿石颗粒的表面积计算。

本实施例中，步骤4)中检测矿石颗粒样本的矿石总孔体积v_h具体是指将干燥的矿石颗粒样本置于试样管中进行抽真空处理后，然后采用静态氮吸附仪测定总孔体积，得到矿石颗粒样本的矿石总孔体积v_h。本实施例中，具体采用JW-BK122W型静态氮吸附仪，矿石颗粒样本的矿石总孔体积v_h为0.01206cm³/g；

本实施例中，步骤4)检测矿石颗粒样本的最大毛细水含量的具体步骤包括：将干燥的、自然堆积在试管中的矿石颗粒样本通过毛细力的作用吸水至饱和，检测吸水饱和后的矿石颗粒样本中吸水量占矿石颗粒样本吸水后总质量的百分比作为矿石颗粒样本的最大毛细水含量。本实施例中，步骤4)中检测得到的最大毛细水含量为3.74％。

本实施例中，步骤4)检测矿石颗粒样本的最大分子水含量的具体步骤包括：将矿石颗粒样本用水浸泡大于指定时间，然后取指定质量m的矿石颗粒样本在旋转离心力作用下脱水指定时间，最终检测离心操作后的矿石颗粒样本的剩余水分所占总质量m的百分比作为矿石颗粒样本的最大分子水含量。本实施例中，将铁精矿用水浸泡大于12小时后，取16-32克浸泡后的铁精矿在转速为10000r/min的旋转离心力作用下脱水30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m的百分比作为矿石颗粒样本的最大分子水含量，最终检测得到的最大分子水含量为1.67％。

最终，根据式(1)计算得到被检测矿石最大分子水或最大毛细水膜对应的矿石水膜厚度 D可计算得到最大分子水膜厚度(最大分子水对应的矿石水膜厚度)为0.0131mm，最大毛细水膜厚度(最大毛细水对应的矿石水膜厚度)为0.0716mm。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，其主要区别点如下：步骤1)中取烘干后的矿石取0.4g 标记为K样，记下总重量M为0.4g。步骤2)中采用排水法测量其体积为V＝100.41mm³；步骤3.2)中测出所有颗粒长轴的长度总和计为A＝279.29mm，测出所有颗粒投影面积的总和计为S＝176.26mm²，测出所有颗粒投影的周长总和计为L＝889.69mm，并统计出颗粒总数n＝373；步骤3.3)中计算多个矿石颗粒的平均表面积S_avg为1.88mm²。本实施例中，步骤4)中检测得到的矿石颗粒样本的矿石总孔体积v_h为0.01012cm³/g；最大毛细水厚度为13.49％，最大分子水含量为3.42％。最终，根据式(1)计算得到被检测矿石最大分子水或最大毛细水膜对应的矿石水膜厚度D可计算得到最大分子水膜厚度(最大分子水对应的矿石水膜厚度)为0.0137mm，最大毛细水膜厚度(最大毛细水对应的矿石水膜厚度)为0.0712mm。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种矿石水膜厚度的检测方法，其特征在于实施步骤包括：

1）从被检测矿石中取总重量M的矿石颗粒样本；

2）测量矿石颗粒样本的所有颗粒的体积总和V；

3）获取矿石颗粒样本的扫描图像，基于扫描图像获取矿石颗粒样本的颗粒总数n以及矿石颗粒样本的平均表面积S _avg；

4）检测矿石颗粒样本的矿石总孔体积v _h以及最大分子水含量或最大毛细水含量作为矿石水含量R，并根据式（1）计算得到被检测矿石最大分子水或最大毛细水膜对应的矿石水膜厚度D；

D=1000*M*(R-v _h)/（n*S _avg）（1）

式（1）中，D为被检测矿石最大分子水或最大毛细水膜对应的矿石水膜厚度，M为矿石颗粒样本的总重量，g；R为矿石颗粒样本的矿石水含量，%；v _h为矿石总孔体积，cm³/g ；n为矿石颗粒样本的颗粒总数，S _avg为矿石颗粒样本的平均表面积，mm²。

2.根据权利要求1所述的矿石水膜厚度的检测方法，其特征在于，步骤2）中测量矿石颗粒样本的矿石总体积V的详细步骤包括：首先采用排水法测量矿石颗粒样本的矿石总体积V，测量完后再将矿石颗粒样本烘干待用。

3.根据权利要求1所述的矿石水膜厚度的检测方法，其特征在于，步骤3）的详细步骤包括：

3.1）获取矿石颗粒样本的扫描图像；

3.2）基于扫描图像测算出矿石颗粒样本的所有颗粒投影的长轴的总和A、所有颗粒投影面积的总和S、所有颗粒投影的周长总和L，并统计出矿石颗粒样本的颗粒总数n；

3.3）根据式（2）计算矿石颗粒样本的平均表面积S _avg；

S _avg=(A ³*V+A ²*S ²+A*S*V*n)L ²/[2(A ²+S*n)²*S*n]（2）

式（2）中，S _avg为矿石颗粒样本的平均表面积，mm²；A为矿石颗粒样本的所有颗粒投影的长轴的总和，mm；V为矿石颗粒样本的所有颗粒的体积总和，mm³；S为所有颗粒投影面积的总和，mm²；L为所有颗粒投影的周长总和，mm；n为矿石颗粒样本的颗粒总数。

4.根据权利要求1所述的矿石水膜厚度的检测方法，其特征在于，步骤4）中检测矿石颗粒样本的矿石总孔体积v _h具体是指将干燥的矿石颗粒样本置于试样管中进行抽真空处理后，然后采用静态氮吸附仪测定总孔体积，得到矿石颗粒样本的矿石总孔体积v _h。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的矿石水膜厚度的检测方法，其特征在于，步骤4）检测矿石颗粒样本的最大分子水含量的具体步骤包括：将矿石颗粒样本用水浸泡大于指定时间，然后取指定质量m的矿石颗粒样本在旋转离心力作用下脱水指定时间，最终检测离心操作后的矿石颗粒样本的剩余水分所占总质量m的百分比作为矿石颗粒样本的最大分子水含量。

6.根据权利要求1～4中任意一项所述的矿石水膜厚度的检测方法，其特征在于，步骤4）检测矿石颗粒样本的最大毛细水含量的具体步骤包括：将干燥的、自然堆积在试管中的矿石颗粒样本通过毛细力的作用吸水至饱和，检测吸水饱和后的矿石颗粒样本中吸水量占矿石颗粒样本吸水后总质量的百分比作为矿石颗粒样本的最大毛细水含量。