CN111024884B - 一种用于冶金球团粘结剂的膨润土质量检测评价方法 - Google Patents

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车哲
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N31/00—Investigating or analysing non-biological materials by the use of the chemical methods specified in the subgroup; Apparatus specially adapted for such methods

Abstract

本发明公开了一种用于冶金球团粘结剂的膨润土质量检测评价方法。采用等效阳离子交换容量用于评价冶金球团粘结剂的膨润土质量指标；所述等效阳离子交换容量将K+、Na+、Ca2+、Mg2+阳离子总量折合为Na+总量；一价的K+、Na+阳离子的物质的量分别折合为一个单位的Na+量，二价的Ca2+、Mg2+阳离子的物质的量分别折合为两个单位的Na+量；折合Na+总量为K+、Na+、Ca2+、Mg2+阳离子折合的Na+量的总和。本发明采用了折合Na+总量指标判断天然钙基膨润土是否适合开发用于冶金球团粘结剂，开发的现有膨润土是否满足于冶金球团粘结剂的质量要求。

Description

一种用于冶金球团粘结剂的膨润土质量检测评价方法
技术领域
本发明涉及膨润土质量评定方法，更具体地，涉及一种用于冶金球团粘结剂的膨润土质量检测评价方法。
背景技术
膨润土是自然界分布和研究应用最广泛的矿物之一，它的主要成分为蒙脱石。蒙脱石(montmorillonite)又名微晶高岭石或胶岭石，是一种硅铝酸盐，其主要成分为八面体蒙脱石微粒，是由颗粒极细的含水铝硅酸盐构成的层状矿物。
一般说蒙脱石外观形态多是说膨润土原矿，膨润土原矿常呈土状隐晶质块状，电镜下为细小鳞片状，一般说蒙脱石的微观形态多是说蒙脱石的晶体结构（如图1）、蒙脱石的层状结构（如图2），蒙脱石的层状结构显示了蒙脱石片层电荷的分布。
膨润土的特征性质，是由所含的蒙脱石决定的，因此蒙脱石含量是评价膨润土质量最重要的指标。测定膨润土中蒙脱石含量的方法较多，但由于成分和结构复杂，蒙脱石含量的精准测定一直是个较难的工作。常用方法包括化学成分分析法、吸蓝量法、粉晶X射线衍射物相定量分析法(Rietveld全谱图拟合法、直接分析法和K值法)等多种方法。
化学成分分析法通过化学成分分析法通过化学分析中各元素原子的百分含量，可以计算膨润土中蒙脱石的含量，比较直观。但该方法计算蒙脱石含硅量是有假设前提的近似计算，因此最后计算得到的蒙脱石含量也是一个近似值。如果样品中蒙脱石的铝氧八面体阳离子存在较多空位，或者样品含有其他杂质，则蒙脱石的定量结果会偏低或偏高。
吸蓝量法操作简单，但其经验公式只能在一定范围内运用，且精确度不高，在蒙脱石的含量相近时，吸蓝量法难以区分。吸蓝量会受阳离子交换容量（CEC）值影响，对于同一产地的同一属性膨润土样品，吸蓝量随着CEC的升高而升高，二者成较好的正相关关系。
直接分析法和K值法无法直接对膨润土中的蒙脱石定量。但对于只含方石英或石英等少量结晶好的杂质的膨润土，可以计算杂质的含量，从而推算出蒙脱石的含量。该方法对制样、试验条件要求较高。定量结果比蒙脱石真实含量偏大，这是由于样品可能含少量无定形杂质物相。
使用免费软件Fullprof，运用Rietveld全谱图拟合法，可以对膨润土样品进行定量分析。虽然该方法定量过程较为复杂，但因为考虑了诸多影响因素，能较好的降低误差。定量过程中重点是要选择合适的物相晶体结构模型和峰形函数，要考虑择优取向的影响。根据拟合结果可靠性因子R的评价，以及与其他几种方法定量结果的比较，该方法定量分析结果的可靠性和精准度都是这几种方法里最好的，而且适用性也强。
膨润土做为造球用粘结剂应用于冶金球团工艺中，目前对于球团用膨润土的没有统一的质量评估和检测标准，美国等球团大国只对球团本身有要求，没有对球团土制定专门的标准。我国国家标准GB/T20973 —2007 中冶金球团用膨润土的质量指标与各钢铁企业的质量指标规定也不一致，我 国钢铁企业一般采用吸蓝量、蒙脱石、膨胀容、胶质价、吸水率、粒度与水分六项基本指标，来评估检测膨润土的质量，但各家的质量指标要求值也不同。
天然膨润土是一种主要含蒙脱石的粘土矿的混合物 ，由于蒙脱石具 有独特的矿物结构和结晶化学性质，使天然膨润土具有良好的吸水性、膨胀性、吸附性、离子交换性 、胶体性、分散性和润滑性等，因此传统认为蒙脱石含量的多少决定天然膨润土质量的好坏。由于蒙脱石具有吸附亚甲基蓝的能力，因此吸蓝量成为粗略估计膨润土矿中蒙脱石相对含量的质量指标。对于球团用膨润土，其蒙脱石含量指标并不能作为评判其好坏的依 据，很多研究表明它对球团性能的影响没有一致对应性关系。
由于球团性能影响因素复杂，关于膨润土哪个指标对球团的性能影响 最大，至今没有一个明确的结论。现行膨润土质量进行检测指标中除吸水 率略有相关性外，其他指标与生球质量几乎无相关性。单一的吸水率及蒙脱石指标与球团性能没有对应关系 。
鉴于现行膨润土检测指标与成球性及球团性能相关性差的实际情况，行业内的生产厂家一般以膨润土配用比例的高低及其稳定性来选择、比较膨润土的质量，各企业标准中规定的膨润土检测指标仅用于商务结算。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于冶金球团粘结剂的膨润土质量检测评价方法，其目的在于通过建立适用于冶金球团粘结剂的膨润土质量指标体系，使得检测指标能直接指导球团生产，对生产指标进行预判。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于冶金球团粘结剂的膨润土质量检测评价方法，该评价方法基于下述研究成果获得。
天然产出的膨润土大部分为钙基膨润土，其品位和质量较差，须经深加工才能得到应用。由于钠基膨润土相对钙基膨润土来说具有更好的强度、膨胀性、粘结性以及热稳定性，其作为冶金球团粘结剂而大量应用于成球工艺中；通常对钙基膨润土进行钠化改型成冶金球团用土。
膨润土晶层中的阳离子具有可交换性能，在一定的物理-化学条件下， Ca2+、Mg2+、Na+、K+等可相互交换，利用这一特性，可进行膨润土的改型，由钙基膨润土改型为钠基膨润土。
国家标准GB/T20973 —2007中阳离子交换容量是指100g膨润土可交换的阳离子的物质的量，具体指按照GB/T20973 —2007附录A阳离子交换量及交换性阳离子含量的试验方法测定的K+、Na+、Ca2+、Mg2+ 的阳离子总量，简称为CEC。膨润土矿阳离子交换容量和交换性阳离子是判断膨润土矿质量和划分膨润土矿属型的关键依据， CEC值愈大表示其带负电量愈大，其水化、膨胀和分散能力愈强；反之，其水化、膨胀和分散能力愈差。
基于上述膨润土的晶体特性的研究，本发明提出的一种用于冶金球团粘结剂的膨润土质量检测评价方法，采用等效阳离子交换容量用于评价冶金球团粘结剂的膨润土质量指标；所述等效阳离子交换容量将K+、Na+、Ca2+、Mg2+阳离子总量折合为Na+总量；一价的K+、Na+阳离子的物质的量分别折合为一个单位的Na+量，二价的Ca2+、Mg2+阳离子的物质的量分别折合为两个单位的Na+量；折合Na+总量为K+、Na+、Ca2+、Mg2+阳离子折合的Na+量的总和。
所述折合Na+总量的计算方法如下：
按照GB/T20973-2007标准中阳离子交换及交换性阳离子含量试验方法，交换性钠和钾离子含量按如下公式计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
——试样的交换性钠含量，单位为mmol/100 g；
Figure DEST_PATH_IMAGE003
——试样的交换性钾含量，单位为mmol/100 g；
Figure DEST_PATH_IMAGE004
——滤液A的钠含量，单位为mg/L；
Figure DEST_PATH_IMAGE005
——滤液A的钾含量，单位为mg/L；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
——空白试液中的钠含量，单位为mg/L；
Figure DEST_PATH_IMAGE007
——空白试液中的钾含量，单位为mg/L；
Figure DEST_PATH_IMAGE008
——试样的质量，单位为g；
交换性钙和镁离子含量按如下公式计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
——试样的交换性钙含量，单位为mmol/100 g；
Figure DEST_PATH_IMAGE011
——试样的交换性镁含量，单位为mmol/100 g；
Figure DEST_PATH_IMAGE012
——滤液A的钙含量，单位为mg/L；
Figure DEST_PATH_IMAGE013
——空白试液中的钙含量，单位为mg/L；
Figure DEST_PATH_IMAGE014
——滤液A的镁含量，单位为mg/L；
Figure DEST_PATH_IMAGE015
——空白试液中的镁含量，单位为mg/L；
Figure 737866DEST_PATH_IMAGE008
——试样的质量，单位为g；
折合Na+总量，用符号CEC（折合Na+总量）表示，CEC（折合Na+总量）计算公式如下：
CEC（折合Na+总量）=
Figure DEST_PATH_IMAGE016
+
Figure 61531DEST_PATH_IMAGE003
+2×
Figure 372426DEST_PATH_IMAGE010
+2×
Figure DEST_PATH_IMAGE017
。
膨润土质量评价步骤如下：
步骤1：按照GB/T20973-2007标准中阳离子交换及交换性阳离子含量试验方法检测天然钙基膨润土阳离子交换容量，计算天然钙基膨润土折合Na+总量；
步骤2：将步骤1中的钙基膨润土进行钠化处理；
步骤3：钠化处理的膨润土按照GB/T20973-2007标准中阳离子交换及交换性阳离子含量试验方法检测天然钙基膨润土阳离子交换容量，计算钠化处理的膨润土折合Na+总量；
步骤4：计算得到的钠化处理的膨润土折合Na+总量与天然钙基膨润土折合Na+总量相同，或者偏离差小于5%；钠化处理的膨润土折合Na+总量的数值用于判断天然钙基膨润土是否适合开发用于冶金球团粘结剂，开发的现有膨润土是否满足于冶金球团粘结剂的质量要求。
所述钠化处理方法包括悬浮法、挤压钠化法、堆场钠化法、轮碾钠化法、双螺旋钠化法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于提供了一种用于冶金球团粘结剂的膨润土质量检测评价方法，能够取得下列有益效果。
（1）本发明技术方案基于蒙脱石晶体结构特性，天然钙基膨润土在钠化处理前后总的阳离子交换容量相当的情况下，采用了折合Na+总量指标评断天然钙基膨润土用于冶金球团粘结剂的质量判断，折合Na+总量指标对膨润土成球性质量具备很大的一致性。
（2）本发明技术方案摒弃了直接利用蒙脱石含量高低判断膨润土质量的方法，本方法有效评价了蒙脱石中的活性成分，本方法与膨润土含水率的质量判断方法具有一致性。
附图说明
图1是蒙脱石的晶体结构图。
图2是蒙脱石的层状结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1，蒙脱石的晶体结构、如图2蒙脱石的层状结构，蒙蒙脱石的层状结构显示了蒙脱石片层电荷的分布。
本发明技术方案是在研究蒙脱石的晶体结构特性的基础上提出的。
实施例1，选取辽宁某市天然膨润土，按照GB/T20973 —2007附录A阳离子交换量及交换性阳离子含量的试验方法测定的K+、Na+、Ca2+、Mg2+ 的阳离子，计算。
钠化处理前
Figure 767636DEST_PATH_IMAGE016
+
Figure 237800DEST_PATH_IMAGE003
=9.37mmol/100g
+=31.13mmol/100g
CEC（折合Na+总量）=
Figure 60263DEST_PATH_IMAGE016
+
Figure 858454DEST_PATH_IMAGE003
+2×
Figure 57354DEST_PATH_IMAGE010
+2×
Figure 726233DEST_PATH_IMAGE017
=71.63 mmol/100g。
钠化处理后
Figure 126122DEST_PATH_IMAGE016
+
Figure 880451DEST_PATH_IMAGE003
=35.39mmol/100g
Figure 148621DEST_PATH_IMAGE010
+
Figure 672007DEST_PATH_IMAGE017
=19.82mmol/100g
CEC（折合Na+总量）=
Figure 101851DEST_PATH_IMAGE016
+
Figure 999269DEST_PATH_IMAGE003
+2×
Figure 274392DEST_PATH_IMAGE010
+2×
Figure 917863DEST_PATH_IMAGE017
=75.03 mmol/100g。
根据蒙脱石特性，蒙脱石的片层中间的CEC通常在60-120mmol/100G范围内，钠化处理前后折合Na+总量偏离差为4.53%，实施例1的然膨润土质量等级较差。
实施例2，选取吉林某市天然膨润土，按照GB/T20973 —2007附录A阳离子交换量及交换性阳离子含量的试验方法测定的K+、Na+、Ca2+、Mg2+ 的阳离子，计算。
钠化处理前
Figure 784188DEST_PATH_IMAGE016
+
Figure 513110DEST_PATH_IMAGE003
=13.29mmol/100g
Figure 998449DEST_PATH_IMAGE010
+
Figure 496426DEST_PATH_IMAGE017
=39.52mmol/100g
CEC（折合Na+总量）=
Figure 799231DEST_PATH_IMAGE016
+
Figure 749870DEST_PATH_IMAGE003
+2×
Figure 632375DEST_PATH_IMAGE010
+2×
Figure 640651DEST_PATH_IMAGE017
=92.33 mmol/100g。
钠化处理后
Figure 583200DEST_PATH_IMAGE016
+
Figure 552293DEST_PATH_IMAGE003
=76.21mmol/100g
Figure 972910DEST_PATH_IMAGE010
+
Figure 445479DEST_PATH_IMAGE017
=8.56mmol/100g
CEC（折合Na+总量）=
Figure 965454DEST_PATH_IMAGE016
+
Figure 890684DEST_PATH_IMAGE003
+2×
Figure 646151DEST_PATH_IMAGE010
+2×
Figure 707648DEST_PATH_IMAGE017
=93.33 mmol/100g。
根据蒙脱石特性，蒙脱石的片层中间的CEC通常在60-120mmol/100G范围内，钠化处理前后折合Na+总量偏离差为1.07%，实施例2的然膨润土质量等级中等。
实施例3，选取内蒙某市天然膨润土，按照GB/T20973 —2007附录A阳离子交换量及交换性阳离子含量的试验方法测定的K+、Na+、Ca2+、Mg2+ 的阳离子，计算。
钠化处理前
Figure 991998DEST_PATH_IMAGE016
+
Figure 60317DEST_PATH_IMAGE003
=22.35mmol/100g
Figure 88316DEST_PATH_IMAGE010
+
Figure 801057DEST_PATH_IMAGE017
=55.16mmol/100g
CEC（折合Na+总量）=
Figure 990730DEST_PATH_IMAGE016
+
Figure 890553DEST_PATH_IMAGE003
+2×
Figure 863188DEST_PATH_IMAGE010
+2×
Figure 164857DEST_PATH_IMAGE017
=132.67 mmol/100g。
钠化处理后
Figure 56589DEST_PATH_IMAGE016
+
Figure 443708DEST_PATH_IMAGE003
=76.53mmol/100g
Figure 813510DEST_PATH_IMAGE010
+
Figure 359898DEST_PATH_IMAGE017
=24.96mmol/100g
CEC（折合Na+总量）=
Figure 156952DEST_PATH_IMAGE016
+
Figure 296947DEST_PATH_IMAGE003
+2×
Figure 470439DEST_PATH_IMAGE010
+2×
Figure 481120DEST_PATH_IMAGE017
=126.45mmol/100g。
根据蒙脱石特性，蒙脱石的片层中间的CEC通常在60-120mmol/100G范围内，钠化处理前后折合Na+总量偏离差为4.91%，实施例3的然膨润土质量等级较高。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于冶金球团粘结剂的膨润土质量检测评价方法，其特征在于，采用等效阳离子交换容量用于评价冶金球团粘结剂的膨润土质量指标；所述等效阳离子交换容量将K+、Na+、Ca2+、Mg2+阳离子总量折合为Na+总量；一价的K+、Na+阳离子的物质的量分别折合为一个单位的Na+量，二价的Ca2+、Mg2+阳离子的物质的量分别折合为两个单位的Na+量；折合Na+总量为K+、Na+、Ca2+、Mg2+阳离子折合的Na+量的总和；
膨润土质量评价步骤如下：
步骤1：按照GB/T20973-2007标准中阳离子交换及交换性阳离子含量试验方法检测天然钙基膨润土阳离子交换容量，计算天然钙基膨润土折合Na+总量；
步骤2：将步骤1中的钙基膨润土进行钠化处理；
步骤3：钠化处理的膨润土按照GB/T20973-2007标准中阳离子交换及交换性阳离子含量试验方法检测天然钙基膨润土阳离子交换容量，计算钠化处理的膨润土折合Na+总量；
步骤4：计算得到的钠化处理的膨润土折合Na+总量与天然钙基膨润土折合Na+总量相同，或者偏离差小于5%；钠化处理的膨润土折合Na+总量的数值用于判断天然钙基膨润土是否适合开发用于冶金球团粘结剂，开发的现有膨润土是否满足于冶金球团粘结剂的质量要求。
2.根据权利要求1所述的一种用于冶金球团粘结剂的膨润土质量检测评价方法，其特征在于，所述折合Na+总量的计算方法如下：
按照GB/T20973-2007标准中阳离子交换及交换性阳离子含量试验方法，交换性钠和钾离子含量按如下公式计算：
Figure 150757DEST_PATH_IMAGE001
式中：
Figure 980173DEST_PATH_IMAGE002
——试样的交换性钠含量，单位为mmol/100 g；
Figure 101713DEST_PATH_IMAGE003
——试样的交换性钾含量，单位为mmol/100 g；
Figure 940356DEST_PATH_IMAGE004
——滤液A的钠含量，单位为mg/L；
Figure 299793DEST_PATH_IMAGE005
——滤液A的钾含量，单位为mg/L；
Figure 565689DEST_PATH_IMAGE006
——空白试液中的钠含量，单位为mg/L；
Figure 643367DEST_PATH_IMAGE007
——空白试液中的钾含量，单位为mg/L；
Figure 483104DEST_PATH_IMAGE008
——试样的质量，单位为g；
交换性钙和镁离子含量按如下公式计算：
Figure 962627DEST_PATH_IMAGE009
式中：
Figure 196162DEST_PATH_IMAGE010
——试样的交换性钙含量，单位为mmol/100 g；
Figure 761135DEST_PATH_IMAGE011
——试样的交换性镁含量，单位为mmol/100 g；
Figure 941581DEST_PATH_IMAGE012
——滤液A的钙含量，单位为mg/L；
Figure 478873DEST_PATH_IMAGE013
——空白试液中的钙含量，单位为mg/L；
Figure 86572DEST_PATH_IMAGE014
——滤液A的镁含量，单位为mg/L；
Figure 138841DEST_PATH_IMAGE015
——空白试液中的镁含量，单位为mg/L；
Figure 857399DEST_PATH_IMAGE008
——试样的质量，单位为g；
折合Na+总量，用符号CEC（折合Na+总量）表示，CEC（折合Na+总量）计算公式如下：
CEC（折合Na+总量）=
Figure 577093DEST_PATH_IMAGE016
+
Figure 355693DEST_PATH_IMAGE003
+2×
Figure 895259DEST_PATH_IMAGE010
+2×
Figure 620769DEST_PATH_IMAGE017
。
3.根据权利要求1所述的一种用于冶金球团粘结剂的膨润土质量检测评价方法，其特征在于，所述钠化处理方法包括悬浮法、挤压钠化法、堆场钠化法、轮碾钠化法、双螺旋钠化法。
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低品位钙基鹏润土矿粉的直接钠化研究;张颖心等;《化工矿物与加工》;20021031(第10期);10-13 *

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