球團用膨潤土改性與有關標準問題的探討

鐵麗云，魯義軍，陳濟美，孫圣煙

（1.武漢理工大學材料研究與測試中心，湖北 武漢 430070；2.湖北省地質實驗研究所，湖北 武漢 430022；3.湖南臨澧縣眾幫化工有限公司，湖南 臨澧 415200）

球團用膨潤土改性與有關標準問題的探討

鐵麗云1，魯義軍1，陳濟美2，孫圣煙3

（1.武漢理工大學材料研究與測試中心，湖北 武漢 430070；2.湖北省地質實驗研究所，湖北 武漢 430022；3.湖南臨澧縣眾幫化工有限公司，湖南 臨澧 415200）

試驗探討了湖南臨澧膨潤土的理化性能，并對其進行改性處理，使其質量指標符合冶金球團土的要求。還就有關球團土用膨潤土的質量指示與標準的一些問題進行了探討，并就有關球團土的國家標準的編制提出建議。

膨潤土改性；球團；質量指標；國家標準

膨潤土作冶金球團的粘結劑在我國已有30多年了，但是究竟什么樣的膨潤土或粘土最適合球團土？它的哪些質量指標能準確反映它的成球性能？至今沒有一個肯定的答案。世界各國有關球團土的質量指標差異很大，如美國等球團生產大國，只有對球團本身的要求，而沒有對球團土制訂專門標準[1]。由此可見，提出球團土質量指標與制訂球團土的標準是一個比較復雜的問題。目前我國的鋼鐵企業，一般采用膨潤土吸藍量、膨脹容、膠質價、吸水率、粒度與水分等6項基本指標，來評估檢測球團土的質量。

本文針對湖南臨澧膨潤土蒙脫石含量低，且膨潤土中的蒙脫石為鈣基蒙脫石，其膨脹容、膠質價、吸水率等3項指標達不到要求，試驗選用純堿(Na2CO3)與添加劑進行改性處理，使其膨脹性、分散性與粘結性明顯改善，達到企業對球團土的要求。此外，作者根據試驗過程中發現的有關問題，提出有關對球團土國家標準編制的建議，與同行討論。

1 試驗部分

1.1 臨澧膨潤土的特征

礦石組成(%)：蒙脫石35～55，高嶺石5～15，伊利石5～10，方解石4～8，石英4～8，絹云母1～2，長石1～1.5，鐵質1～5。

礦石化學成分(%)：SiO263.51、Al2O315.11、Fe2O33.94/TiO20.31、CaO 2.97、MgO 1.03、K2O 1.56、Na2O 0.38、燒失量 11.98。

1.2 膨潤土的理化性能

該膨潤土呈油光色，帶淺黃或淺灰色，在水中崩解，呈濕狀，有滑膩感。理化性能測試結果見表1、表2。

表1 膨潤土礦的理化性能

表2 膨潤土礦的陽離子交換量(mmo1/100g)

試驗證明，該膨潤土礦的吸藍量65.0mmo1/ 100g、蒙脫石含量43.3%。離子交換量分析表明，膨潤土中的蒙脫石為鈣基蒙脫石，故為鈣基膨潤土。原礦樣膠質價、膨脹容與吸水率較低，達不到球團土的質量指標要求。

2 試驗方法

2.1 膨潤土改性

膨潤土原礦經風干或曬干后，粗碎至粒徑10～20mm以下， 按配比加入適量的純堿(Na2CO3)1%～2.5%與增效劑0.1%～1.0%，攪拌混合堆放或控制一定的加水量將試料放在擠壓機上加工改性處理30～60min，出料，烘干至含水約10%，磨細至200目。2.2 性能測試

根據國內鋼鐵企業評價與檢測球團土的質量指標。試驗考查了膨脹土改性前后的膨脹容、膠質價與2h吸水率3個基本指標的變化，試驗方法如下：

膨脹容的測定：稱取1.00g膨潤土試樣(105℃烘干2h)操作方法同文獻[2]。

吸水率(2h)測定：稱取2.00g膨潤土試樣(105℃，烘2h)，操作方法同文獻[3]多孔板法。

膠質價的測定：參照文獻[2]。原規定中稱取15.00g膨潤土試樣(105℃，烘2h)，和1.00g輕質氧化鎂進行試驗，膠質價用“mL/15g”表示。試驗表明，膨潤土經Na2C O3改性后，膠質價一般均≥100mL/15g。故為了更好地反映出不同膨潤土膠質價的差別，本試驗稱取3.00g試樣，加0.2g輕質氧化鎂，其他條件同文獻[2]，結果用“mL/3g”表示。為了與原方法結果進行比較，本法將試驗結果乘以經驗系數5。如本法試驗結果為10.0mL/3g ，可視為相當原法的50.0mL/15g；本法結果為≥20.0mL/3g，即相當于原法的≥100mL/15g。

3 結果與分析

3.1 純堿Na2CO3加入量對膨潤土性能影響

為了改善鈣基膨潤土的性能，一般先加入Na2CO3對其進行改性處理，使鈣基膨潤土轉變成鈉基膨潤土。在膨潤土試樣中加入不同量的Na2CO3，但未經擠壓處理，其試驗結果見表3。

表3 Na2CO3對膨潤土性能的影響

試驗表明，當在膨潤土試樣中加入Na2CO31.5%～2.5%時，改性處理后試樣的膠質價、吸水率與膨脹容均有所提高，其中前兩者增加較多，可滿足球團土的要求；后者增加較少，未能滿足要求，但需要指出的是，作為球團土的Na2CO3加入量不宜過高，否測有可能對球團產生負作用，故一般控制Na2CO3加入量為1.5%～2.5%為宜。

3.2 纖維素(CMC)對膨潤土性能的影響

為了使膨潤土的性能有較大的提高或改善，試驗固定加入1.5% Na2CO3的情況下，同時在膨潤土中分別加入不同量的CMC，試驗中主要考查了膨脹容的變化，結果見表4。

表4 CMC對膨潤土性能的影響

試驗表明，在膨潤土固定加入1.5% Na2CO3，加入適量CMC可以提高膨潤土的膨脹容，而且還可以改善它的粘結性能。加入0.20%CMC即可，加入量高成本增加，且可能對球團產生負作用。

3.3 機械擠壓對膨潤土性能的影響

試驗發現在膨潤土試驗中加入碳酸鈉與其他添加劑后，將物料混合均勻，并控制或加入適量的水，使試驗保持半干半濕狀態，然后利用自制的機械擠壓機，進行攪拌擠壓30～60min，可以明顯地提高和改善膨潤土的性能。大大提高了膨潤土的膨脹容、膠質價和吸水率指標。結果見表5。

表5 機械擠壓改性對膨潤土性能的影響

試驗證明，在加入Na2CO3與其他添加劑對膨潤土改性時，增加機械擠壓工藝，可以明顯地提高球團土的質量，該擠壓工藝簡單，效果明顯。

4 有關問題與建議

4.1 關于球團土的質量指標的討論

目前，世界各國沒有一個統一的球團土的質量評估與檢測標準，在我國膨潤土的國家標準GB/T 20973-2007[3]與各鋼鐵企業的球團土質量指標規定也不一致(表6、表7)，有人認為球團土性能與現有膨潤土的質量指標沒有規律或缺乏嚴格的規律性，說明確定球團土的質量指標與制訂標準的復雜性。作者試驗測定安徽、湖北與湖南臨澧3種球團土的質量指標見表8。

以上3種球團土已為國內鋼鐵企業所認可或接受。但比較試驗結果可以發現，不同土的質量指標有明顯的差異。關于球團土的質量指標分述如下：

表6 GB/T20973中球團用膨潤土的質量指標

表7 國內部分鋼鐵公司球團土的質量指標

表8 湖南等3種球團土的測試結果

(1) 關于吸藍量，它是與膨潤土中蒙脫石含量直接相關的，代表著蒙脫石含量的多少。但實踐表明，膨潤土的理化工藝性能除了與蒙脫石含量有關外，還與蒙脫石形成的地質條件、風蝕程度、晶體構造、品格缺陷、結晶度、層間電荷、可交換性陽離子的種類與分布有關，而且甚至可以這樣說，膨潤土中蒙脫石含量高并不意味它的理化性能好，至少不成正比，不同膨潤土的工藝性能橫向不好比較，膨潤土本身是一種含蒙脫石的粘土礦的混合物，這是因為粘土礦物成分比較復雜，不同比例的粘土礦物的組合，還可以互補，對它的理化性能產生不同的影響。因此，作者認為對球團土嚴格規定蒙脫石含量即吸藍量的指標缺乏試驗依據，有時甚至會誤導對球團土的選擇。故在球團土的標準中應取消吸藍量的指標。

(2) 關于膠質價，它是反映膨潤土在水中的分散性與膨脹性的綜合性的指標，是從前蘇聯引用過來的，按照早期規定的試驗方法[4]，測試結果用于區分天然鈉基與鈣基膨潤土還是可行的，但后來發現天然鈉基與人工鈉化土，原方法測定的膠質價都≥100mL/15g。因此，建議對膨潤土的膠質價的測定方法修正如下：將原法中稱樣15.00g改為3.00g，輕質氧化鎂1.00g改為0.20g，其他條件不變[2，4]。這樣能明顯反映膨潤土的膠質價的量的差異，有利于分析膠質價對成球性能的影響，而且操作也方便簡單。

(3) 關于膨脹容與膨脹指數，前者是球團土原用的指標，后者是在國標GB/T20973中提出的，它原引于防水用膨潤土的試驗方法。這兩個指標是分別反映膨潤土在C(HCl)=0.25mol/L的鹽酸介質與中性水中分散與膨脹性能的兩項指標。其次，不同的是前者強行搖振后使膨潤土分散在鹽酸介質中，后者是使膨潤土自然沉降分散于中性水介質中。此外，還有稱量的不同，前者是1.00g，后者是2.00g。因為，這兩個概念在國內已經有些混淆，建議在以后制訂標準時，仍采用膨脹容指標為妥。

(4) 關于吸水率，各企業規定的指標差別較大，建議應以試驗結果為依據，提出合理的范圍。目前可適當放寬限制。

4.2 關于GB/T20973-2007標準中的問題

對于膨潤土GB/T20973-2007標準中涉及的部分問題，提出如下看法與建議：

(1) GB/T20973K“5.2 冶金球團用膨潤土的質量指標規定”中，用“膨脹指數”取代了傳統的“膨脹容”，使用中容易混淆與造成混亂，建議修改時仍采用“膨脹容指標”。

(2) 標準中，“3 術語與定義”中各術語的定義過于簡單，不夠嚴謹。

(3) 標準“5 要求”中提出“冶金球團用膨潤土的質量指標”對球團土用膨潤土進行分級，基于目前的膨潤土質量指標，對球團土的成球性能影響的定量關系并不十分清楚的情況下，沒有必要進行細分級。

(4) 關于標準“附錄A”中“陽離子交換量及其交換陽離子含量試驗方法”沿引自作者提出的試驗方法[2]，當本標準引用此方法時，對其中的表達式與符號作了更改，但是編寫時忽略了，在使用“摩爾”作為物質的量的單位時，必須確定和指出其“基本單元”的原則，否則無法計算和準確表達結果。例如原法中以E 1/2Ca2+表示鈣離子的陽離子交換量，基本單元是1/2Ca2+，物理意義明確。而在此國標中將其改為用b (Ca)表示交換性鈣的含量，并以“mmol/ 100g”為單位表示。應該指出是，b (Ca) 表達式意味著Ca的物質的基本單元是“Ca原子”，不符合標準的本意，類似的錯誤還有。作者認為編制“國標”是嚴肅的，一些原則性錯誤須更正。

4.3 關于編制球團土的國家標準的建議

我國使用球團土已有幾十年的歷史，而且球團土的使用已普及，用量越來越大。因此，制訂一個統一的球團土的國家標準是十分必要的。但正如前所述，由于球團土的影響因素的復雜性，目前，編制球團土的國家標準的時機尚未成熟。因此，作者建議，為了編制球團土的國家標準，首先應由國家立項，組織冶金、地礦與建材非金屬等部門分工協作，聯合攻關，試驗研究探討，弄清楚究竟是哪些性能是影響膨潤土成球性能的關鍵因素及其作用機理，然后制訂一個有科學根據的球團土國家標準。

[1]馮惠敏，王勇華.膨潤土在鐵礦球團中作用機理[J].中國非金屬礦工業導刊，2009(6)：15-18.

[2]中華人民共和國地質礦產部.巖石和礦石分析規程[M].西安：陜西科學出版社，1993：480-551.

[3]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T 20973-2007膨潤土[S].北京：中國標準出版社，2007.

[4]地質礦產部科學技術司.膨潤土礦物化性能測試暫行統一方法[M].武漢：湖北科學技術出版社，1984：18-19.

Discussion on Modification of Bentonite Used in Iron Ore Pelletting and Its Standard

TIE Li-yun1, LU Yi-jun1, CHEN Ji-mei2, SUN Sheng-yan3
(1. The Center for Material Research and Testing, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 2. Geological Experiment Research Institute of Hubei Province, Wuhan 430022, China; 3. Hunan Zhongbang Chemical Industry Co., Ltd., Linli 415200, China)

Characteristics and physico chemical properties of bentonite in Hunan Linli county were discussed. The bentonite used in iron ore pelletting was treated and modified. The properties of modified bentonite were improved significantly. The technology index such as the swell volume, gelling index, and water absorption rate were increased obviously and up to the requirements of the standard. Some problems and proposals on national standard on iron ore pelltting clay were made.

bentonite modification; iron ore pellet; technology index; standard

P619.255

A

1007-9386(2014)01-0004-03

2013-11-19