鐵礦粉表面性質(zhì)與過濾性能關(guān)系的研究

楊 濤 青格勒 董香娟 賀金文 田筠清 張 彥

（1.首鋼集團有限公司技術(shù)研究院，北京100043；2.綠色可循環(huán)鋼鐵流程北京市重點實驗室，北京100043；3.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司煉鐵部，河北唐山063200）

燒結(jié)粉礦有時會經(jīng)過細磨后用于球團造球配礦使用。在生產(chǎn)中，細磨燒結(jié)粉礦有濕磨或干磨工藝［1］，濕磨工藝需要增加過濾工序。對多種進口燒結(jié)粉礦細磨過濾后發(fā)現(xiàn)其過濾性能差別很大，并且大部分燒結(jié)粉礦細磨后過濾難度較大。進口的燒結(jié)粉礦多為赤鐵礦和褐鐵礦［2］，國內(nèi)有學者對與之相似的進口紅礦細泥［3］和赤鐵精礦［4-5］進行過濾研究，主要從過濾條件和過濾設備等方面對礦粉過濾性能的影響進行了研究，尚未針對礦粉自身的性質(zhì)差異在過濾中的影響進行研究。但影響礦粉過濾過程的最主要因素還是物料的性質(zhì)［6］。

與脫水性能相關(guān)的物料性質(zhì)主要包括比表面積、粒度分布及表面粗糙度等幾何特性和潤濕性、界面張力等界面性質(zhì)［7］。當前對于礦粉性質(zhì)對過濾影響的研究較少，劉麗艷等［7］從理論上分析了物料性質(zhì)對過濾性能的影響機理，并采用絮凝劑和表面活性劑改善顆粒性質(zhì)進而提高了弱磁選鐵精礦過濾性能，但對于礦粉物料性質(zhì)如何影響過濾性能沒有通過試驗加以驗證。由于進口燒結(jié)粉礦產(chǎn)地和礦石類型差別較大［8］，了解不同燒結(jié)粉礦的物料性質(zhì)差異及其與過濾性能的關(guān)系，可以更好地改善礦粉的過濾性能。

本研究在相同的過濾條件和磨礦粒度下，對羅伊山粉、巴燒粉、安哥拉粉、肯尼亞粉、毛塔粉5種不同的細磨燒結(jié)粉表面形貌、比表面積、以及顆粒表面賦存的分子水和毛細水等物料性質(zhì)與過濾性能的關(guān)系進行了研究，并結(jié)合相關(guān)理論分析過濾性能存在差異的主要原因，為選擇過濾性能較好的礦粉和改善礦粉過濾性能提供指導。

1 試驗原料、設備及方法

1.1 試驗原料

試驗研究用的燒結(jié)粉礦分別為巴燒粉、羅伊山粉、安哥拉粉、毛塔粉、肯尼亞粉，其化學成分如表1。

燒結(jié)粉礦經(jīng)過混勻縮分后分別取2 kg，利用球磨機細磨至球團粉粒度（-0.074 mm占86.6%）。本次研究主要考察不同礦粉性質(zhì)的差異，不將粒度作為研究因素，由于粒度分布會影響過濾速率和濾餅含水率［7］，為避免5種粉礦細磨后粒度組成不同，將其細磨后的粒度組成統(tǒng)一按照其中1種粉礦的粒度組成進行配比，具體粒度組成見表2。

1.2 試驗設備和分析儀器

HITACHI S-3400NⅡ型掃描電鏡、瓶式真空抽濾裝置、天平和量筒、FBT-9型全自動比表面積測定儀、最大毛細水測定儀、最大分子水測定裝置；?60×100 mm的壓模一套，壓力機一臺，烘箱一臺。

1.3 試驗方法

1.3.1 掃描電鏡觀察礦粉顆粒表面微觀形態(tài)

對細磨并配好粒度的燒結(jié)礦粉進行烘干和混勻縮分，稱取1 g樣品鋪平放置于樣品臺上，在HITACHI S-3400NⅡ型掃描電鏡下，進行礦粉顆粒表面形貌的觀察。

1.3.2 礦粉過濾試驗

圖1為真空抽濾裝置。稱取200 g細磨并配好粒度的燒結(jié)粉礦，用自來水配成濃度60%的礦漿。將礦漿攪拌充分后全部倒入布氏漏斗，打開開關(guān)進行過濾，開始記錄時間。同時記錄在0 s、30 s、60 s、90 s、120 s、150 s、180 s不同過濾時間下量筒中產(chǎn)生的濾液量。過濾過程中調(diào)節(jié)閥門3，使真空度在過濾過程中保持0.06 MPa。在過濾時間為180 s時，停止真空泵，取出濾餅放入快速水分測定儀中，測定濾餅水分。

1.3.3 最大分子水測定試驗

將細磨并配好粒度的燒結(jié)粉礦縮分取樣，采用壓濾法分別測定其最大分子水。壓濾法是用機械壓力將試樣中的重力水與毛細水壓出，并用濾紙吸收，保留在試樣中的水就是最大分子水。

1.3.4 最大毛細水測定試驗

將細磨并配好粒度的燒結(jié)粉礦縮分取樣，采用容量法分別測定其最大毛細水。

1.3.5 比表面積測定

將細磨并配好粒度的燒結(jié)粉礦烘干，并縮分取樣，用FBT-9型全自動比表面積測定儀測定其比表面積。

2 結(jié)果與分析

2.1 細磨后燒結(jié)粉礦的過濾性能

5種細磨燒結(jié)粉過濾180 s后的濾餅水分見表3，5種不同的細磨礦粉最終濾餅水分明顯不同，最大為羅伊山粉，最小為肯尼亞粉。圖2是5種細磨燒結(jié)粉礦在不同過濾時間下的過濾速率，從圖2可以看出，在整個過濾時間內(nèi)，肯尼亞粉的過濾速率都處于最高水平，其次是毛塔粉、安哥拉粉、巴燒粉、羅伊山粉。

2.2 細磨礦粉表面粗糙度與過濾性能關(guān)系

5種細磨礦粉在500倍掃描電鏡（SEM）下的顆粒表面形貌特征如圖3所示。

圖3中掃描電鏡結(jié)果顯示，細磨后的羅伊山粉的顆粒形狀較為圓滑，表面粗糙，覆蓋著許多小顆粒；細磨巴燒礦粉的顆粒形狀圓滑，表面粗糙，包裹著許多細小的顆粒；細磨安哥拉礦粉的顆粒表現(xiàn)出一定的規(guī)則形狀，露出一定的顆粒表面，但表面仍附著有較多的小顆粒，但相對于巴燒粉和羅伊山粉要少一些；細磨毛塔礦粉的顆粒呈現(xiàn)出相對安哥拉礦粉更為規(guī)則的形狀，棱角較為明晰，顆粒表面更為裸露且較為光滑，表面附著較少細小顆粒；肯尼亞礦粉顆粒呈明顯的規(guī)則形狀，棱角比較明晰，顆粒表面裸露且較為光滑，附著非常少的細小顆粒。

顆粒的幾何特性會影響過濾速率和濾餅含水率［7］。表面粗糙度高，表面能就越高，形成的水化膜越厚，占據(jù)部分濾液通道，使過濾速率降低，濾餅含水率升高［4］；同時，表面粗糙度高的礦粉也會增強顆粒的潤濕性［9-11］，濾餅水分也會越高。另一方面，顆粒表面附著較多的細顆粒，會增強其毛細管作用，增加了單位面積過濾阻力；同時，吸附的細顆粒易充塞在粗粒間形成的孔隙之中，使毛細通道過細，極易被微細粒堵塞、壓實，真空所形成壓力差對水流的推動力減弱，水不能順暢通過拱狀結(jié)構(gòu)，降低了過濾速率。

結(jié)合表3分析可知，羅伊山粉和巴燒粉表面粗糙度高，粘附顆粒多，因此過濾速率低，濾餅水分高；毛塔粉和肯尼亞粉表面比較光滑，粘附顆粒少，故而過濾速率較高，濾餅水分較低；而安哥拉粉表面粗糙度居中，因此過濾速率和濾餅水分也處于中間水平。

2.3 細磨礦粉的比表面積與濾餅水分的關(guān)系

濾餅中的液體是包圍在顆粒的表面上，所以顆粒的比表面積相對于孔隙率更能反映濾餅中所含液體的多少，比表面積越大，所含的液體越多，濾餅水分也越高［12］。同時，根據(jù)Kozeny-Carman關(guān)系式，濾餅比阻與比表面積的平方成正比［13］。顆粒比表面積高，濾餅比阻也會越高，過濾難度也會增加。

對5種細磨礦粉的比表面積值進行測定，結(jié)果見表4。從表4可以看出，過濾濾餅水分較高、過濾速率相對較低的礦粉（如巴燒粉、羅伊山粉）其比表面積值也較高。

顆粒比表面積大小主要與其粒徑和表面積相關(guān)［14］，試驗所選用5種細磨粉礦的粒度組成相同，顆粒表面積將是比表面積的主要影響因素。而顆粒表面粗糙程度高，將會增大顆粒的表面積，進而增大比表面積。因此，從這個角度也可以看出，顆粒表面粗糙度是影響過濾性能的主要原因。

2.4 顆粒表面吸附水分與濾餅水分的關(guān)系

固體物料與液相水接觸時，在兩相接觸界面上，由于其物理化學性質(zhì)與固體內(nèi)部的物理化學性質(zhì)不同，位于固體或液體表面的分子具有表面自由能，將吸引相鄰相中的分子，在固體表面形成水化膜，稱為分子結(jié)合水。當物料濕潤達到最大分子結(jié)合水時，顆粒間開始形成毛細水，直至顆粒間完全被水飽和達到最大毛細水，開始出現(xiàn)重力水［15］。

5種細磨礦粉的濾餅水分、最大分子結(jié)合水和最大毛細水的測定試驗結(jié)果見表5。

分子結(jié)合水與物料結(jié)合緊密，不能用過濾方法脫除。根據(jù)所采用的脫水方法及毛細管直徑的大小，毛細水可脫除一部分，但不能全部脫除。因此，濾餅水分主要以分子結(jié)合水和毛細水的形式存在。分子結(jié)合水在一定程度反映了固體物料與液相水兩相界面的性質(zhì)和對水分子吸附的能力，在表5中，最大分子結(jié)合水高的礦粉其表面對水分子的吸附能力也強，而毛細水較高的礦粉表明其本身具有較高的親水性，會形成較細的毛細管直徑。因此，濾餅水分較高的礦粉表面對水分子的吸附能力較強，親水性也較好，同時會形成較細的毛細管直徑。

在過濾過程中，作為可以部分脫除的毛細水，通過濾餅中水分存在形式的理論，可以獲得如下公式：

ω1=ω2+ω3-ω4

其中，ω1為可以脫除的毛細水；ω2為最大分子水；ω3為最大毛細水；ω4為濾餅水分。

由此可以計算出礦粉中可脫除的毛細水和無法脫除的毛細水，結(jié)果見表6。

從表6可以看出，采用同一種過濾方式，5種礦粉可以脫除的毛細水量相近，過濾無法脫除的毛細水量則明顯不同。無法脫除的毛細水越多，礦物對水的滯粘力越大，水流通過毛細管的速度越慢，在一定厚度的過濾介質(zhì)層中，固液徹底分離時間延長，脫水時間一定時，夾帶在毛細通道的水分增加，也就是濾餅夾層水分升高，增加了濾餅的含水量。

3 結(jié)論

（1）羅伊山粉、巴燒粉、安哥拉粉、肯尼亞粉、毛塔粉5種不同燒結(jié)粉在磨至相同粒度組成，以及礦漿濃度60%、真空度0.06 MPa、過濾時間180 s條件下過濾，獲得的濾餅水分差異明顯，分別是17.3%、15.6%、12.4%、11.0%、10.7%，5種礦粉在整個過濾過程中的過濾速率則是相對依次增大。

（2）通過對5種細磨后的燒結(jié)粉表面形貌觀察發(fā)現(xiàn)，礦粉的表面粗糙度會影響濾餅含水率和過濾速率。濾餅水分高、過濾速率低的羅伊山粉和巴燒粉表面更粗糙，粘附細粒顆粒較多，而濾餅水分低、過濾速率較高的肯尼亞粉和毛塔粉則表面較光滑，粘附細小顆粒也少，而濾餅水分和過濾速率居中的安哥拉粉表面粗糙度也相對處于中間水平。

（3）礦粉的比表面積值是影響濾餅水分的一個主要因素，濾餅水分較高的礦粉，其比表面積值也相對較高。

（4）礦粉顆粒表面吸附最大分子結(jié)合水的能力和顆粒間形成的毛細作用是決定濾餅含水量的直接因素。5種礦粉中，濾餅水分最高的羅伊山礦粉具有最高的最大分子水和過濾無法脫除毛細水，巴燒粉、安哥拉粉、肯尼亞粉、毛塔粉隨著濾餅水分的依次降低，其最大分子水和過濾無法脫除的毛細水也依次減小。難過濾的礦粉表面具有較強的結(jié)合水吸附能力，同時顆粒間形成的毛細作用會較強。