CN1890391A - 使用含硅酸钠的粘合剂制备铁矿附聚物的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括使细微铁矿颗粒在粘合剂体系存在下附聚而制备铁矿附聚物的方法，其中粘合剂体系包含粘合剂和碱金属硅酸盐，并且其中碱金属硅酸盐的存在量基于干燥铁矿附聚物的总重量为0.0001－0.08重量％，其中粘合剂体系不含合成聚合物，优选包含羧甲基纤维素作为粘合剂。

Description

使用含硅酸钠的粘合剂制备铁矿附聚物的方法
本发明涉及一种制备铁矿附聚物的方法。
这种方法由US 6,293,994已知，其公开了一种通过将粒状矿物材料与水分以及包含基本水溶性有机聚合物和碱金属硅酸盐的粘合剂混合而制备烧结矿物丸粒的方法，其中碱金属硅酸盐的干重量为(a)基于湿混合物为大于0.13％或(b)基于湿混合物为大于0.08％并且至少为基本水溶性有机聚合物干重的三倍。优选的聚合物为由水溶性烯属不饱和单体或单体共混物形成的合成聚合物。在US 6,293,994中描述的丸粒的高碱金属硅酸盐含量通常是不合需要的，因为硅酸盐可通过阻断还原气体用来渗入丸粒的路径使钢制备操作中的还原过程减速，这使得能耗增加。此外，使用这种高含量碱金属硅酸盐产生具有高形变倾向的半成品丸粒，这又可导致丸粒具有不同尺寸和形状，导致制备烧结丸粒的操作效率低下。
本发明的目的是提供具有改进的物理性能的铁矿附聚物。
本发明提供一种包括使细微铁矿颗粒在粘合剂体系存在下附聚而制备铁矿附聚物的方法，其中粘合剂体系包含粘合剂和碱金属硅酸盐，并且其中碱金属硅酸盐的存在量基于干燥铁矿附聚物的总重量为0.0001-0.08重量％，其中粘合剂体系不含合成聚合物。相对于使用包含相同粘合剂的常规粘合剂体系，本发明方法产生具有增加的冷抗压强度、预热强度和干抗碎强度的铁矿附聚物。此外，少量碱金属硅酸盐就足以得到物理性能显著改进的附聚物。此外，特定量的碱金属硅酸盐导致用本发明方法得到的附聚物具有与其中不含碱金属硅酸盐的粘合剂体系类似或仅略微高的形变程度。于此相反，包含大量碱金属硅酸盐的粘合剂体系表现出形变程度明显增加，这是不合需要的。此外，根据本发明使用碱金属硅酸盐可减少粘合剂的量而不会使所得附聚物的物理性能明显损失。
碱金属硅酸盐的量基于干燥铁矿附聚物的总重量优选为至多0.07重量％，最优选至多0.06重量％。“干燥铁矿附聚物”是指除水之外的用于形成铁矿附聚物的所有成分的总和。优选碱金属硅酸盐的量基于干燥铁矿附聚物的总重量为至少0.02重量％，最优选至少0.04重量％。发现使用包含至少0.04重量％碱金属硅酸盐的粘合剂体系制备的丸粒通常具有光滑表面和较高的耐磨性，然而使用包含小于0.04重量％碱金属硅酸盐的粘合剂体系制备的丸粒通常表现出粗糙表面，这可在加工成型丸粒的过程中如在运输丸粒的过程中导致细粉或碎片的产生。
碱金属硅酸盐通常为硅酸钠，但可以使用其它碱金属硅酸盐。硅酸钠的实例为偏硅酸钠和市售水玻璃。在硅酸钠中，摩尔比Na2O∶SiO2通常为2∶1-1∶5，优选1∶1-1∶4。碱金属硅酸盐在粘合剂体系中的量基于粘合剂体系的总重量通常为至少1重量％，优选至少10重量％，最优选至少15重量％，并且通常至多为99重量％，优选至多85重量％，最优选至多75重量％。
优选将碱金属硅酸盐良好地分散于待附聚的颗粒中。可将硅酸盐以干燥粉末、含水悬浮液、水溶液等形式加入铁矿颗粒。优选加入水溶液形式的碱金属硅酸盐。
在本发明粘合剂体系中的粘合剂可以为无机粘合剂或有机粘合剂或其混合物。无机粘合剂的实例为膨润土和熟石灰。在本申请上下文中，不应认为碱金属硅酸盐是无机粘合剂。有机粘合剂的实例为聚合物，其包括：
(1)水溶性天然聚合物，例如瓜耳胶、淀粉、藻酸盐、果胶、黄原酸胶、牛奶废料(dairy wastes)、木材相关制品、木素及类似物；
(2)改性的天然聚合物，例如瓜耳胶衍生物(如羟丙基瓜耳胶、羧甲基瓜耳胶、羧甲基羟丙基瓜耳胶)，改性淀粉(如阴离子淀粉、阳离子淀粉)，淀粉衍生物(如糊精)，以及纤维素衍生物如羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、羧甲基羟乙基纤维素、甲基纤维素的碱金属盐，木素衍生物(如羧甲基木素)及类似物。
上述聚合物可以单独使用或者以两种或更多种聚合物的各种组合使用。
粘合剂体系不含合成聚合物。合成聚合物的实例为聚丙烯酰胺类化合物如部分水合的聚丙烯酰胺，甲基丙烯酰胺和聚甲基丙烯酰胺，聚丙烯酸酯及其共聚物，聚氧乙烯及类似物。
本发明的另一方面为一种制备铁矿附聚物的方法，其包括使细微铁矿颗粒在粘合剂体系存在下附聚，其中粘合剂体系包含羧甲基纤维素或其盐以及碱金属硅酸盐。将羧甲基纤维素和碱金属硅酸盐组合使用产生具有增加物理性能如冷抗压强度、预热强度和干抗碎强度的附聚物。此外，附聚物中铁的还原性通常要高于将包含无机粘合剂的粘合剂体系用于附聚过程而观察到的还原性。
本发明进一步涉及一种包含羧甲基纤维素和碱金属硅酸盐的粘合剂体系。碱金属硅酸盐在粘合剂体系中的量基于粘合剂体系的总重量通常为至少1重量％，优选至少10重量％，最优选至少15重量％，并且通常至多为99重量％，优选至多85重量％，最优选至多75重量％。
优选羧甲基纤维素或其盐(均称为“CMC”)为基本水溶性的。优选羧甲基纤维素的盐为羧甲基纤维素的碱金属盐。在这些碱金属盐中，优选钠盐。用于本发明的CMC的取代度(纤维素分子的每个重复脱水葡萄糖链单元的羧甲基醚基团的平均数)通常为至少0.4，优选至少0.5，最优选至少0.6，并且至多1.5，更优选至多1.2，最优选至多0.9。纤维素配料的平均聚合度通常为至少50，优选至少250，最优选至少400，并且通常为至多8000，优选至多7000，最优选至多6000。更优选的是使用在1％水溶液中在30rpm，4号转子下的Brookfield粘度大于2000cps的羧甲基纤维素钠。仍更优选的是在1％水溶液中在30rpm，4号转子下的Brookfield粘度大于约4000cps的羧甲基纤维素钠。
尤其在本发明中有用的一系列含羧甲基纤维素钠的市售粘合剂可以商标PeridurTM从Akzo Nobel购得。
将粘合剂加入粒状材料的方式取决于被附聚材料的类型、所用粘合剂的类型和所需要的结果。例如可将粘合剂作为干燥粉末、含水悬浮液、水溶液、含水凝胶、含水溶胶(胶体体系)等加入。
粘合剂的用量也随所需结果而变化。例如当使用有机粘合剂时，粘合剂的量基于铁矿颗粒的重量可以为0.0025-0.5重量％，优选0.005-0.2重量％。在无机粘合剂的情况下，粘合剂的量基于铁矿颗粒的重量例如可以为0.1-3重量％。
可将粘合剂和碱金属硅酸盐一起，相继等方式加入铁矿颗粒。这并不关键，只要注意确保在进行附聚时，存在粘合剂和添加剂以发挥作用。
本发明方法在附聚细微铁矿颗粒中是有用的。然而，本发明并不局限于铁矿并且在附聚其它金属矿石的细微颗粒中也是有用的。本发明特别适合于附聚含铁材料，其包括铁矿沉积物、尾矿、来自烧结过程的冷和热的细粉、来自系统中收集的粉尘的铁氧化物或者天然来源或从各种过程中回收的铁矿浓缩物的含水悬浮液。铁矿或宽范围的如下材料的任何材料可形成待附聚的材料的一部分：南美贫铁矿、磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿、针铁矿、菱铁矿、锌铁尖晶体、黄铁矿、黄铜矿、铬铁矿、钛铁岩及类似物。
附聚材料的尺寸根据所需结果变化。例如当粒状附聚材料为铁矿时，100％的颗粒可以小于80目，优选90％小于200目，最优选75％小于325目。
也可以考虑使用常规添加剂，例如碱如氢氧化钠、纯碱，或者其它添加剂如柠檬酸钠、草酸钠等。这些添加剂、它们的目的和它们的用途对熟练技术人员是已知的。
在本领域中，已知许多使颗粒，尤其是基于金属的颗粒附聚的方法。这些方法的实例为造粒、压块、烧结等。根据本发明使用的粘合剂体系特别适合于造粒。在矿业中，通常将细碎的经选矿的矿石浓缩物附聚或造粒以便于矿石的加工和处理/运输。在矿石开采后，经常将其湿磨从而将不希望的脉石矿物与所需的材料，如在铁矿的情况下与铁释放和分离。将加工的湿磨矿石筛分以除去大颗粒，可将大颗粒再循环用于进一步研磨。然后真空过滤筛分的细粉从而将水分含量降至造粒可接受的范围。在本领域中，过滤的矿石通称为“浓缩物”。第二种方法包括矿石的“干磨”和选矿，此时随后加入造粒所需的水分。
在选矿之后，在湿矿石浓缩物中加入粘合剂并且将粘合剂/矿石复合物输送至圆筒式造球机(balling drum)中或其它装置中以对矿石造粒。粘合剂有助于将矿石保持或粘合在一起，以使各个附聚物可以在输送至进一步加工和硬化的途中不损失完整性。
在圆筒式造球机操作之后，形成丸粒，但它们还是湿的。通常将这些湿丸粒称为“半成品丸粒”或“半成品球”。然后将这些半成品丸粒输送至窑中并分步加热至约1300℃-1350℃的最终温度。在造粒过程中，将湿的半成品丸粒装入炉中以进一步加工。通过在通常为400-600℃的温度下硬化而除去丸粒中的水分。在炉中干燥后，将丸粒输送至预热区。这是在将丸粒输送至窑和/或最终烧结步骤之前的额外加热步骤以进一步增加丸粒的硬度。通常在900-1200℃下加热从而将丸粒粘合在一起(以例如氧化磁铁矿或结晶赤铁矿)。从预热区中，使丸粒从炉篦下落10-15英尺落至窑中。这里需要预热强度以防止丸粒碎裂和破裂成尘粒。最后将预热的丸粒在1300-1350℃的温度下烧结。
通过进行标准测试即测量丸粒在各个加工段中所需的强度，可估计在整个加工中丸粒耐受破裂的能力。(如湿抗碎强度、干抗碎强度、预热强度和冷抗压强度)。
下列实施例阐述本发明。
实施例
在下列实施例中，制备了以表1所示量包含各种化合物的铁矿的半成品丸粒。半成品丸粒通过使铁矿浓缩物在粘合剂和粘合剂添加剂存在下附聚而制备。表1中示出的粘合剂和/或硅酸钠的量(重量％)基于铁矿浓缩物的总重量。用于表1实施例的铁矿浓缩物为巴西赤铁矿矿石。粘合剂为Peridur 330(购自Akzo Nobel)，其包含羧甲基纤维素钠和碳酸钠，并且用于这些试验的硅酸钠(Na2O∶SiO2为1∶3.3)由PQ Corporation提供。
制备附聚物的方法是熟练技术人员公知的。该方法详细描述于US6,071,325中，其公开了一种在旋转飞机轮胎(直径约为40cm)中制备2500克附聚物的方法。
首先将粘合剂混入干燥浓缩物中并均化。然后将碱金属硅酸盐与所需量的水混合(水分含量为8-9重量％)，随后与浓缩物和粘合剂充分混合(使用由National Engineering Co.制造的Mullen混合器1号型CincinnatiMuller或类似物)。通过在旋转轮胎中放置小部分浓缩物并加入雾化水引发丸粒生长而形成丸粒“种子”。保留并分离尺寸为3.5-4mm的种子丸粒以用于形成具有所需尺寸11.2-12.5mm的丸粒。通过将165克上述种子丸粒置于旋转轮胎中并加入部分剩余浓缩物混合物，经过3分钟的生长期而制备最终的半成品丸粒。如果必要的话加入雾化水。
表1
  对比例  PeridurTM(重量％)    硅酸钠(重量％)
    1   0.03     -
    2   0.03     0.20
    实施例
    1   0.03     0.03
    2   0.03     0.05
    3   0.03     0.06
    4   0.03     0.08
测量了所得半成品丸粒的水分含量、下落数以及湿抗压强度和干抗压强度。
湿下落数
通过将尺寸为11.2-12.5mm的半成品丸粒反复从46cm的高度落至水平放置的钢板上直至丸粒表面形成可见裂缝而测定湿下落数。测定丸粒下落直至破裂/开裂点的次数。将由20个半成品丸粒平均得到的平均次数称为“湿下落数”。
湿抗压强度
将尺寸为11.2-12.5mm的20个湿半成品丸粒储存在密闭容器中。将丸粒依次取出并置于标准测量装置中，其中将秤的柱塞(plunger)以25mm/分钟的速度降至半成品丸粒上。测定了使丸粒破裂的最大外加力。将由20个半成品丸粒平均得到的平均力称为湿抗压强度。
形变
将尺寸为11.2-12.5mm的最少20个湿半成品丸粒储存在密闭容器中。将丸粒依次取出并置于标准测量装置中，其中将秤的柱塞以25mm/分钟的速度降至半成品丸粒上。机器(由具有Nexygen 4.5版软件的PC控制的Model Lloyd结构分析仪TA-Plus)装备有50N的负荷单元且探头直径为10mm。记录随着力增加半成品丸粒的形变/变形。将形变定义为在1N的力下半成品丸粒直径的变化，条件是此时丸粒没有破裂。
干抗压强度
将尺寸为11.2-12.5mm的20个半成品丸粒在温度为105℃的烘箱中最少干燥两小时。在干燥后，将干燥的丸粒依次置于标准测量装置中，其中将秤的柱塞以25mm/10秒的速度降至半成品丸粒上。测定了丸粒破裂的最大外加力。将由20个半成品丸粒平均得到的平均力称为干抗压强度。
所得的上述参数的值列于下表。
表2
对比例   水分含量(％)   湿下落数   形变(mm)   半成品丸粒外观   干抗压强度(kg/丸粒)
1   8.6   2.7   0.22   粗糙，非粘性   1.0
2   8.6   8.3   0.28   光滑，粘性   2.0
实施例
1   8.2   3.1   0.20   粗糙，非粘性   1.2
2   8.3   4.1   0.24   光滑，非粘性   1.9
3   8.3   5.6   0.23   光滑，非粘性   2.9
4   8.1   4.9   0.24   光滑，非粘性   3.3
从上述表中可以得出，与使用仅包含Peridur粘合剂的粘合剂体系而得到的丸粒(对比例1)相比，本发明实施例1-4的丸粒显示增加的干抗压强度。同时实施例1-4的丸粒显示改进的湿下落数且形变仅略微增加，然而对比例2的丸粒显示明显更高的形变和湿下落数。因此在炼钢过程中，对比例2的丸粒的变形程度将会远高于本发明丸粒，使得制备烧结丸粒的工艺的效率低于与用本发明丸粒的工艺。进一步注意到实施例2-4的半成品丸粒外观是光滑且非粘性的，然而对比例1的半成品丸粒是粗糙的。例如在运输这些丸粒的过程中，与对比例1的丸粒相比，实施例2-4的丸粒产生的细粉或碎片的量会较低。尽管对比例2的半成品丸粒是光滑的，但它们是粘性的，在加工过程中导致不希望的的团簇。

Claims (5)

1.一种包括使细微铁矿颗粒在粘合剂体系存在下附聚而制备铁矿附聚物的方法，其中所述粘合剂体系包含粘合剂和碱金属硅酸盐，并且其中所述碱金属硅酸盐的存在量基于干燥铁矿附聚物的总重量为0.0001-0.08重量％，其中所述粘合剂体系不含合成聚合物。
2.根据权利要求1的方法，其中所述粘合剂为羧甲基纤维素。
3.根据权利要求1或2的方法，其中碱金属硅酸盐的量基于干燥铁矿附聚物的总重量为0.04-0.08重量％。
4.根据上述权利要求中任一项的方法，其中所述碱金属硅酸盐为硅酸钠。
5.一种包含羧甲基纤维素和碱金属硅酸盐的粘合剂体系。
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