用煤泥為還原劑制備海濱砂礦含碳球團(tuán)

崔 強(qiáng) 孫體昌 余 文 胡天洋

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

用煤泥為還原劑制備海濱砂礦含碳球團(tuán)

崔 強(qiáng)1，2孫體昌1，2余 文1，2胡天洋1，2

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

為確定鐵品位為51.85%、TiO2含量為11.33%的某海濱砂礦生產(chǎn)含碳球團(tuán)的合理工藝參數(shù)，采用煤泥為還原劑，濕球落下強(qiáng)度、干球抗壓強(qiáng)度為評價指標(biāo)，研究了煤泥用量、水添加量、原礦粒度、黏結(jié)劑種類及用量對球團(tuán)強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：與原使用煙煤相比，采用煤泥做還原劑，濕球落下強(qiáng)度由3.7次/個提高到17.8次/個，干球抗壓強(qiáng)度由164 N提高到214 N；在煤泥用量為30%、水用量為7%、CMC用量為0.3%條件下，可以獲得濕球落下強(qiáng)度大于16次/個，干球抗壓強(qiáng)度492N的球團(tuán)。煤泥具有灰分高、粒度細(xì)、黏性大等特性，且價格低廉，為節(jié)能高效利用我國海濱鈦磁鐵礦提供了一種新思路。

海濱砂礦 煤泥 冷固結(jié)含碳球團(tuán) CMC

近幾年來，國內(nèi)外鐵礦石資源供需日益緊張，鐵礦石價格不斷降低，如何更好地利用海濱砂礦這類儲量豐富的礦產(chǎn)資源越來越引起人們的重視。許多學(xué)者對此進(jìn)行了大量的研究[1-5]：選用傳統(tǒng)的重選、磁選工藝生產(chǎn)鈦鐵混合精礦，再通過煉鐵工藝來分離鈦鐵，但是只能利用鐵，無法利用鈦；采用直接還原后再進(jìn)行磨礦—磁選的工藝路線，既可以得到高品位的鐵精礦，也可以得到富鈦渣，為進(jìn)一步利用鈦創(chuàng)造了條件，值得關(guān)注[6-7]。

目前煤基直接還原工藝中，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)的流程有Fastmet、Fastmelt和ITmk3等，均采用轉(zhuǎn)底爐為還原設(shè)備[8]。由于粉礦直接還原易引起設(shè)備故障，同時粉礦透氣性差，還原效果不好。將入爐物料先經(jīng)過造球，以球團(tuán)形式進(jìn)行還原，可以提高還原效果，因此如何生產(chǎn)強(qiáng)度合格的含碳球團(tuán)對于海濱砂的工業(yè)化應(yīng)用有著重要意義。物料粒度、水分、壓力、黏結(jié)劑等都是影響球團(tuán)強(qiáng)度的關(guān)鍵因素[9]。我國煤儲量豐富，利用煤作為還原劑直接還原是生產(chǎn)含碳球團(tuán)最為常用的方法，但是煤中富含的有機(jī)質(zhì)在提供還原劑的同時，其強(qiáng)疏水性也使得球團(tuán)強(qiáng)度大大降低。煤泥作為煤礦生產(chǎn)中的一種副產(chǎn)品，價格較低，在擁有一定含量固定碳的同時，富含大量灰分，并且粒度細(xì)、持水性強(qiáng)、黏性大，這些特性，制約了洗煤廠的正常生產(chǎn)，但可以利用煤泥的這些特點(diǎn)生產(chǎn)含碳球團(tuán)。本文采用煤泥做還原劑，以對輥壓球機(jī)為壓球設(shè)備，研究了海濱鈦磁鐵礦冷固結(jié)含碳球團(tuán)濕球落下強(qiáng)度與干球抗壓強(qiáng)度的影響因素，研究結(jié)果可以為海濱鈦磁鐵礦煤基直接還原技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料

1.1 試驗(yàn)礦樣

試驗(yàn)所用鐵礦樣為印尼某海濱鈦磁鐵礦，TFe和TiO2品位分別為51.85%和11.33%，S、P含量均較低，-0.074 mm含量僅為1.1%，原礦光學(xué)顯微鏡分析見圖1，粒度分布見圖2。

圖1 原礦光學(xué)顯微鏡照片F(xiàn)ig.1 Optical microscope of raw ore

圖2 原礦粒度分布圖Fig.2 Particles' size distribution of raw ore

由圖1可見，海濱砂礦粒度較細(xì)，顆粒比較圓滑，棱角較少，圖2顯示，海濱砂礦粒度主要集中在0.074～0.3 mm之間，粒度范圍較窄。

1.2 還原劑

還原劑為煙煤或煤泥，煤質(zhì)分析如表1所示。煤泥和煙煤分別磨細(xì)至-0.074 mm占68.3%和75.8%。煙煤與煤泥均先放于恒溫干燥箱中60℃烘干，再破碎磨細(xì)至上述粒度待用。

表1 還原劑工業(yè)分析結(jié)果(空干基)

Table 1 Industry analysis of reductant (air-dried basis) %

1.3 黏結(jié)劑

試驗(yàn)用黏結(jié)劑CMC為分析純產(chǎn)品，淀粉為化學(xué)純產(chǎn)品，膨潤土、糖漿、黃糊精為工業(yè)產(chǎn)品。

2 試驗(yàn)方法

取300 g的原礦，按其質(zhì)量百分比稱取一定量的還原劑、黏結(jié)劑，混勻后再加入占總物料質(zhì)量一定百分比的水，混勻后通過對輥壓球機(jī)壓制成球，球團(tuán)尺寸為25 mm×25 mm×14 mm。所得濕球置于室內(nèi)自然風(fēng)干，3 d后視為干球。

強(qiáng)度測定包括濕球落下強(qiáng)度與干球抗壓強(qiáng)度。濕球落下強(qiáng)度檢測是將剛剛壓制好的球團(tuán)置于0.5 m的高處，使其自由下落到水磨石地面上，測得球團(tuán)碎裂時的落下次數(shù)，分別測定7個球團(tuán)，取平均值作為濕球的落下強(qiáng)度；干球抗壓強(qiáng)度采用智能顆粒強(qiáng)度測定儀測定，測試球團(tuán)破裂時的強(qiáng)度，分別測定7個球團(tuán)，取平均值作為干球抗壓強(qiáng)度。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 煤泥與煙煤壓球強(qiáng)度對比

參考其他冷固結(jié)球團(tuán)的配料[10]，黏結(jié)劑先選用最常見的膨潤土。采用原礦在膨潤土添加量為8%、水用量為8%時，分別配入30%的煤泥與煙煤壓球，測定球團(tuán)強(qiáng)度，結(jié)果如表2所示。

表2 不同還原劑的球團(tuán)強(qiáng)度Table 2 Strength comparison of briquettes for different reductant

從表2可以看出，采用煤泥做還原劑，與原使用煙煤相比，濕球落下強(qiáng)度由3.7次/個提高到17.8次/個，提高了3.8倍，干球抗壓強(qiáng)度由164 N提高到214 N，提高了30.4%。一般來講，所有的非焦煤在煤基直接還原中均可作為還原劑生產(chǎn)直接還原鐵，是常用的還原劑，但由于其有機(jī)質(zhì)含量高，導(dǎo)致疏水性高、塑性差，成球難度大，濕球強(qiáng)度尤其低。而含碳球團(tuán)強(qiáng)度與其分子間的結(jié)合力直接相關(guān)，濕球強(qiáng)度主要是由礦粉、煤粉顆粒被水潤濕后產(chǎn)生的分子結(jié)合力決定的。煤泥作為選煤的尾礦產(chǎn)品，灰分較高、固定碳含量低，即礦物質(zhì)較多、有機(jī)質(zhì)較少，這使得由礦物質(zhì)決定的親水性較強(qiáng)，由有機(jī)質(zhì)決定的疏水性較弱，因此用煤泥壓制的含碳球團(tuán)，濕球中分子結(jié)合力大，濕球強(qiáng)度高；另外，煤泥中的礦物質(zhì)大多為黏土類礦物，在壓球過程中能起到一定的黏結(jié)作用，提高干球強(qiáng)度。

3.2 煤泥用量影響

在本研究中，煤泥作為添加劑配入含碳球團(tuán)中，主要利用其還原作用，同時，因其灰分較多，也提供一定的強(qiáng)度。在添加8%膨潤土、8%水分條件下，考察煤泥用量對球團(tuán)強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 煤泥用量對球團(tuán)強(qiáng)度的影響Fig.3 Effects of briquettes strength on dosage of coal slime▲—濕球落下強(qiáng)度；■—干球抗壓強(qiáng)度

由圖3可見，煤泥用量對濕球落下強(qiáng)度影響不大；而干球抗壓強(qiáng)度隨著煤泥用量的提高，呈現(xiàn)小幅先增大后降低的變化規(guī)律，在煤泥用量為25%時抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大為236.57 N。冷固結(jié)球團(tuán)強(qiáng)度的維持主要有3個方面[9]：黏結(jié)劑與顆粒之間的黏附力、黏結(jié)劑的內(nèi)聚力、顆粒間因機(jī)械嚙合而產(chǎn)生的摩擦力。由于配料中黏結(jié)劑的添加量及礦物顆粒的大小、數(shù)量固定，煤泥用量的增大使得對應(yīng)球團(tuán)中黏結(jié)劑的含量及礦物顆粒含量相對降低。因此一方面由黏結(jié)劑帶來的黏附力和內(nèi)聚力降低，另一方面，顆粒之間的摩擦效果變差，這兩方面的原因直接導(dǎo)致球團(tuán)強(qiáng)度的降低。但是隨著煤泥含量的增高，球團(tuán)中黏土類灰分含量也隨之增高，有利于球團(tuán)強(qiáng)度的增高，這些因素共同作用，使得干球抗壓強(qiáng)度隨著煤泥用量的增加呈現(xiàn)出先增大再降低的變化規(guī)律。為保證球團(tuán)還原效果，煤泥用量采用30%進(jìn)行試驗(yàn)。

3.3 水用量的影響

與團(tuán)球法造球相比，壓球法所制球團(tuán)物料顆粒之間的縫隙較小，毛細(xì)水的含量低，重力水幾乎沒有，水用量略大于最大分子結(jié)合水含量時最合適，過量的不能與物料顆粒結(jié)合的毛細(xì)水與重力水在制球時積存在磨具表面或溢出，導(dǎo)致球團(tuán)難以脫模。在原礦中添加8%膨潤土、30%煤泥的條件下，考察了水用量對球團(tuán)強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 水分對球團(tuán)強(qiáng)度的影響Fig.4 Effects of briquettes strength on dosage of water▲—濕球落下強(qiáng)度；■—干球抗壓強(qiáng)度

由圖4可知，隨著水用量的增加，濕球落下強(qiáng)度與干球抗壓強(qiáng)度均先升高后降低。水添加量過低(5%)時，礦物顆粒潤濕不完全，球團(tuán)成型效果差，強(qiáng)度低；添加量過高(9%)時，物料黏性高，球團(tuán)脫模困難。水用量從6%提高到8%的過程中，物料中的分子結(jié)合水含量逐漸升高并在顆粒間形成水膜[11]，增強(qiáng)了顆粒間黏結(jié)強(qiáng)度，因此濕球落下強(qiáng)度逐漸提高，在8%時達(dá)到17.8次/個。壓球過程中添加的水分，會在晾干過程中逐步揮發(fā)并在球團(tuán)內(nèi)部留下空隙，濕球中薄膜水含量越高，干球的孔隙率就越高，抗壓強(qiáng)度也就越低，因此隨著水用量從6%提高到8%，干球抗壓強(qiáng)度逐漸降低?？紤]到此處黏結(jié)劑為膨潤土，最大分子結(jié)合水含量高，因此水用量選用7%。

3.4 原礦粒度的影響

將原礦磨至不同的細(xì)度后配入30%的煤泥、8%的膨潤土、7%的水，進(jìn)行成球試驗(yàn)，考察原礦粒度對球團(tuán)強(qiáng)度的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 礦物粒度對球團(tuán)強(qiáng)度的影響Fig.5 Effects of briquettes strength on different particle size of raw ore▲—濕球落下強(qiáng)度；■—干球抗壓強(qiáng)度

由圖5可見，隨著原礦中-0.074 mm粒級含量的升高，濕球落下強(qiáng)度逐漸降低，而干球抗壓強(qiáng)度幾乎不變。當(dāng)磨礦使顆粒變細(xì)之后，比表面積增大，所需要的分子結(jié)合水變多，在同樣水分的情況下，會使水帶來的分子結(jié)合力變?nèi)?，降低濕球?qiáng)度。另一方面，礦物顆粒本身尺寸比煤泥大很多，在球團(tuán)中起骨架作用，當(dāng)?shù)V物顆粒粒度變小之后，骨架作用減弱，強(qiáng)度降低。粒度變細(xì)導(dǎo)致組成球團(tuán)物料的粒級變窄，孔隙率增大，球團(tuán)強(qiáng)度降低[12]，因此，原礦不經(jīng)過磨礦，直接造球。

3.5 黏結(jié)劑的影響

在原礦中配入30%的煤泥，選用不同的黏結(jié)劑，混合均勻后加入7%的水(因糖漿自身結(jié)合水含量較高，采用糖漿做黏結(jié)劑時，3%、6%用量下分別配入6%和3%的水，9%、12%用量未加入水)進(jìn)行壓球試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 黏結(jié)劑對球團(tuán)強(qiáng)度的影響Fig.6 Effects of briquettes strength on types of binder▲—濕球落下強(qiáng)度；■—干球抗壓強(qiáng)度

由圖6可見，當(dāng)不添加任何黏結(jié)劑時，球團(tuán)強(qiáng)度很差，落下強(qiáng)度不足兩次，抗壓強(qiáng)度不足100 N。使用膨潤土、黃糊精、CMC做黏結(jié)劑時，在本研究的用量范圍內(nèi)，球團(tuán)強(qiáng)度隨黏結(jié)劑用量的增加而增高。當(dāng)加入8%膨潤土?xí)r，濕球落下強(qiáng)度達(dá)到13次/個，干球抗壓強(qiáng)度接近250 N，基本滿足要求。但是膨潤土為無機(jī)添加劑，用量過高會增加SiO2和Al2O3等雜質(zhì)含量，降低球團(tuán)還原性能。而黃糊精用量為1.5%時，干球抗壓強(qiáng)度即可超過250 N，但是濕球強(qiáng)度略差，僅4次/個。使用CMC做黏結(jié)劑效果最好，用量僅為0.3%時，濕球落下強(qiáng)度就已超過16次/個，干球抗壓強(qiáng)度接近492 N，完全滿足需求。添加淀粉不能有效提高球團(tuán)強(qiáng)度，當(dāng)?shù)矸塾昧窟_(dá)到6%時，干球抗壓強(qiáng)度也不足120 N，進(jìn)一步提高淀粉用量，不但成本升高，并且會因淀粉水化困難而降低球團(tuán)強(qiáng)度。采用糖漿做黏結(jié)劑，隨著糖漿用量的增加，濕球落下強(qiáng)度逐步提高，而干球抗壓強(qiáng)度先增高后降低。由于糖漿中結(jié)合水含量高，僅采用自然晾干的方法，很難將水分完全脫去，因此糖漿添加量高的球團(tuán)，其膠狀物質(zhì)含量高，球團(tuán)塑性大、硬度低。而在添加6%糖漿時，濕球落下次數(shù)超過了5次，干球抗壓強(qiáng)度超過750 N，已經(jīng)滿足需求。

添加黏結(jié)劑對于提高海濱鈦磁鐵礦含碳球團(tuán)強(qiáng)度效果明顯，隨著黏結(jié)劑用量的增加，球團(tuán)強(qiáng)度提高，其中CMC作為纖維素類黏結(jié)劑，用量少，強(qiáng)度高，最適合做海濱鈦磁鐵礦壓球的黏結(jié)劑。

4 結(jié) 論

(1)采用煤泥為還原劑生產(chǎn)海濱鈦磁鐵礦含碳球團(tuán)，在煤泥用量為30%、水用量為7%、CMC用量為0.3%條件下，獲得的球團(tuán)濕球落下強(qiáng)度大于16次/個，干球抗壓強(qiáng)度為492 N。

(2)采用煤泥作還原劑生產(chǎn)含碳球團(tuán)，有利于解決粉礦直接還原效果差、采用煙煤為還原劑時球團(tuán)強(qiáng)度低等問題。煤泥灰分高、粒度細(xì)、黏性大，所產(chǎn)球團(tuán)強(qiáng)度高，且煤泥為煤礦生產(chǎn)副產(chǎn)品，價格低廉，為節(jié)能高效利用我國海濱鈦磁鐵礦提供了一種新思路。

[1] Jena B C，Dresler W，Reilly I G.Extraction of titanium，vanadium and iron from titanomagnetite deposits at Pipestone Lake，Manitoba，Canada[J].Minerals Engineering,1995(8):159-168.

[2] 孫麗君，呂憲俊，陳 平，等.某海濱砂礦的礦物學(xué)特征與選礦試驗(yàn)研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2010，30(2)：62-65. Sun Lijun，Lu Xianjun，Chen Ping，et al.Experimental study on the mineralogical characteristics and processing technique of a beach placer[J].Mining Research and Development,2010,30(2):62-65.

[3] 龍運(yùn)波，張裕書，周滿賡，等.海南萬寧海濱砂礦選礦試驗(yàn)研究[J].礦產(chǎn)綜合利用，2011(4):14-17. Long Yunbo，Zhang Yushu，Zhou Mangeng，et al.Comprehensive utilization status and countermeasure of mine tailing[J].Multipurpose Utilization of Mineral Resources,2011(4):14-17.

[4] 胡 真，張 慧，李漢文，等.印尼某海濱砂礦合理選礦工藝流程的研究[J].礦冶工程，2009，29(6)：33-38. Hu Zhen，Zhang Hui，Li Hanwen，et al.Study on reasonable mineral processing flowsheet of a beach placer in Indonesi[J].Mining and Metallurgical Engineering,2009,29(6):33-38.

[5] 衛(wèi) 敏，李英堂，吳東印，等.印尼桑義赫島海濱砂礦可選性試驗(yàn)研究[J].礦產(chǎn)保護(hù)與利用，2009(2)：33-36. Wei Min，Li Yingtang，Wu Dongyin，et al.Study on the beach placer's beneficiability of Sangyihe Islands in Indonesi[J].Conservation and Utilization of Mineral Resources,2009(2):33-36.

[6] 高本恒，王化軍，曲 媛，等.印尼某海濱砂礦精礦直接還原—磨礦—磁選提鐵試驗(yàn)研究[J].礦冶工程，2012，32(5)：44-46. Gao Benheng，Wang Huajun，Qu Yuan，et al.Experimental research on extracting iron from beach placer concentrate in Indonesia by direct reduction-grinding-magnetic separation[J].Mining and Metallurgical Engineering,2012,32(5):44-46.

[7] 高恩霞，孫體昌，徐承焱，等.基于還原焙燒的某海濱鈦磁鐵礦的鈦鐵分離[J].金屬礦山，2013(11)：46-48. Gao Enxia，Sun Tichang，Xu Chengyan，et al.Titanium and ferrum separation of a seaside titanomagnetite based on reduction roasting[J].Metal Mine，2013(11)：46-48.

[8] Anameric B，Kawatra S K.Direct iron smelting reduction processes[J].Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review，2008,30(1):1-51.

[9] 邱冠周.冷固結(jié)球團(tuán)直接還原[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2001. Qiu Guanzhou.Direct Reduction of Cold-bonded Pellets[M].Changsha:Central South University Press,2001.

[10] Yu Wen，Sun Tichang，Liu Zhenzhen，et al.Study on the strength of cold-bonded high-phosphorus oolitic hematite-coal composite briquettes[J].International Journal of Minerals：Metallurgy and Materials,2014,21:423-430.

[11] 肖 琪.團(tuán)礦實(shí)踐與理論[M].長沙：中南工業(yè)大學(xué)出版社，1991. Xiao Qi.Theory and Practice of Briquetting[M].Changsha:Central South University of Technology Press,1991.

[12] Ranjan S，M K MITRA，Siddhartha M，et al.Effect of Grading of Chromite Ores on the Quality of Briquettes[J].ISIJ International，2010,50(2):200-206.

(責(zé)任編輯 王亞琴)

Preparation of Carbon-containing Briquettes Made from Beach Placer Using Coal-slime as Reductant

Cui Qiang1，2Sun Tichang1，2Yu Wen1，2Hu Tianyang1，2

(1.SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China;2.KeylaboratoryofHigh-efficientMiningandSafetyofMetalMines，MinistryofEducation，Beijing100083，China)

In order to find reasonable parameters for carbon-containing briquettes made from a coastal placer，with iron grade of 51.85% and TiO2contents of 11.33%.Using coal slime as the reductant，wet ball drop strength，dry ball compress strength as evaluating criteria，effects on dosage of coal slime，water content，granularity of raw ore，types and amount of binder are researched.Results show that using coal slime as reductant compared with originally bituminous coal，the drop strength of wet ball dropped increased from 3.7 N/P to 17.8 N/P，the comprehensive strength increased from 164 N to 214 N；briquettes with drop strength of wet ball over 16 N/P，comprehensive strength of dry ball is 492 N can obtained with conditions of coal slime dosage is 30%，water content is 7%，CMC addition of 0.3%.For the advantages of higher ash content，finer granularity，higher viscosity，coal slime provides a new method in high efficient utilization of China's beach titanomagnetite.

Beach placer，Coal slime，Cold bonded briquettes containing carbon，CMC

2014-06-04

國家自然科學(xué)基金項目(編號：51474018)。

崔 強(qiáng)(1991—)，男，碩士研究生。通訊作者 孫體昌(1958—)，男，教授，博士研究生導(dǎo)師。

TD925.7

A

1001-1250(2014)-10-086-05