鐘強(qiáng)，楊永斌，蒙飛宇，李騫，姜濤

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鐵礦球團(tuán)用膨潤(rùn)土的流變特性

鐘強(qiáng)，楊永斌，蒙飛宇，李騫，姜濤

(中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410083)

根據(jù)賓漢流體流變學(xué)，研究球團(tuán)用膨潤(rùn)土的流變特性，分析膨潤(rùn)土流變特性與生球強(qiáng)度的關(guān)系，查明不同離子對(duì)膨潤(rùn)土流變特性的影響。研究結(jié)果表明：通過(guò)測(cè)量不同剪切速率下膨潤(rùn)土懸浮液的剪切應(yīng)力，對(duì)剪切速率和剪切應(yīng)力曲線擬合得到的膨潤(rùn)土塑性黏度、屈服強(qiáng)度和表觀黏度能表征膨潤(rùn)土的流變特性。膨潤(rùn)土塑性黏度越大，生球落下強(qiáng)度越好；離子對(duì)膨潤(rùn)土流變特性影響很大，K+特別是Na+顯著提高膨潤(rùn)土的塑性黏度，提升膨潤(rùn)土的流變特性；Cl?能保證膨潤(rùn)土具有較好的流變特性。而Mg2+和Ca2+降低了膨潤(rùn)土的塑性黏度，CO32?使膨潤(rùn)土的塑性黏度、屈服強(qiáng)度和表觀黏度均減小，SO42?和HCO3?則使膨潤(rùn)土的流變特性大幅度地下降。

膨潤(rùn)土；流變特性；球團(tuán)；塑性黏度；離子

膨潤(rùn)土作為黏結(jié)劑被國(guó)內(nèi)外廣泛用于鐵礦球團(tuán)的生產(chǎn)。膨潤(rùn)土的品質(zhì)不同，其對(duì)鐵精礦的造球能力不同。目前，主要采用膠質(zhì)價(jià)、膨脹容量、吸水率、吸蘭量和蒙脫石含量來(lái)評(píng)價(jià)膨潤(rùn)土的優(yōu)劣，但采用這些指標(biāo)評(píng)價(jià)膨潤(rùn)土往往可靠性不高，不能準(zhǔn)確反映膨潤(rùn)土真實(shí)的造球性能。在實(shí)際生產(chǎn)中，往往需要再通過(guò)造球試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)膨潤(rùn)土的造球性能[1?6]。針對(duì)這些問(wèn)題，研究者們用膨潤(rùn)土比黏度、陽(yáng)離子交換量和表觀動(dòng)電位來(lái)評(píng)價(jià)膨潤(rùn)土的造球性能。對(duì)于比黏度，由于膨潤(rùn)土具有觸變性，僅采用一點(diǎn)法測(cè)定膨潤(rùn)土的比黏度不能真實(shí)地反映膨潤(rùn)土的黏度。陽(yáng)離子交換量能很好地衡量膨潤(rùn)土吸附能力，但膨潤(rùn)土在球團(tuán)生產(chǎn)中的主要作用不是吸附作用，用反映膨潤(rùn)土吸附能力的陽(yáng)離子交換量來(lái)評(píng)價(jià)膨潤(rùn)土造球性能不具有等同性。對(duì)于表觀動(dòng)電位，由于蒙脫石晶體邊緣正電荷會(huì)屏蔽基面上的負(fù)電荷，導(dǎo)致采用電泳移動(dòng)法測(cè)得的表觀動(dòng)電位不能準(zhǔn)確反映膨潤(rùn)土的表觀電位。另外，有研究者提出一種標(biāo)準(zhǔn)砂，用膨潤(rùn)土黏結(jié)標(biāo)準(zhǔn)砂，通過(guò)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)砂樣品的強(qiáng)度來(lái)評(píng)價(jià)膨潤(rùn)土，但鐵精礦化學(xué)組成復(fù)雜，不能簡(jiǎn)單地用標(biāo)準(zhǔn)砂代替[7?11]。球團(tuán)生產(chǎn)中膨潤(rùn)土吸水形成高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的膨潤(rùn)土懸浮液，其在造球過(guò)程中經(jīng)物料滾壓作用發(fā)生形變和流動(dòng)而填充于鐵精礦顆粒間，將鐵精礦顆粒牢固地黏結(jié)成球而具有一定的機(jī)械強(qiáng)度。膨潤(rùn)土懸浮液在外力作用下發(fā)生形變和流動(dòng)時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的流變特性在很大程度上決定了膨潤(rùn)土與鐵精礦的黏結(jié)性能，最終影響生球的強(qiáng)度。因此，定量表征膨潤(rùn)土的流變特性，并查明膨潤(rùn)土流變特性與生球強(qiáng)度之間的關(guān)系，對(duì)鐵礦球團(tuán)生產(chǎn)中評(píng)價(jià)和選用膨潤(rùn)土具有一定現(xiàn)實(shí)意義。球團(tuán)生產(chǎn)中形成的高質(zhì)量分?jǐn)?shù)膨潤(rùn)土懸浮液屬于賓漢流體，具有賓漢流體的流變特性[12?17]。本文作者根據(jù)賓漢流體的流變特性，測(cè)定10種膨潤(rùn)土懸浮液剪切速率與剪切力，進(jìn)而計(jì)算得到膨潤(rùn)土的塑性黏度、屈服強(qiáng)度和表觀黏度來(lái)表征膨潤(rùn)土的流變特性。在此基礎(chǔ)上，分析膨潤(rùn)土流變特性與生球質(zhì)量的關(guān)系及陰陽(yáng)離子對(duì)膨潤(rùn)土流體特性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用膨潤(rùn)土為不同球團(tuán)廠所用的膨潤(rùn)土，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。由表1可知：繁昌土、盛泉土和皖東土SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，均為66.00%左右；而印度土的SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為49.15%。另外，黑山土的CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)4.58%，繁昌土P質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.11%，甲山土和印度土S質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.06%和0.05%。

表1 膨潤(rùn)土的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

為了研究膨潤(rùn)土流變特性與生球強(qiáng)度的關(guān)系，選用一種球團(tuán)廠常用鐵精礦進(jìn)行造球試驗(yàn)，該鐵精礦比表面積及粒度組成見(jiàn)表2，其物理性質(zhì)見(jiàn)表3。由表2和3可知：該鐵精礦的粒度較粗，其粒度大于0.074 mm的鐵精礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)33.4%；但其靜態(tài)成球指數(shù)達(dá)0.5，成球性較好。

表2 鐵精礦的比表面積及粒度組成

表3 鐵精礦物理性質(zhì)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 膨潤(rùn)土流變特性測(cè)試方法

取450 mL蒸餾水倒入900 mL燒杯中，以轉(zhuǎn)速500 r/min進(jìn)行攪拌；然后稱(chēng)取一定質(zhì)量的膨潤(rùn)土緩慢加入燒杯中，攪拌30 min；最后將攪拌后的膨潤(rùn)土懸浮液倒入直徑＞70 mm的燒杯中，靜置10 min后使用NDJ?1型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定懸浮液的流變特性。

球團(tuán)生產(chǎn)中膨潤(rùn)土吸水形成高濃度的膨潤(rùn)土懸浮液，其是一種高質(zhì)量分?jǐn)?shù)固體顆粒懸浮體類(lèi)的非均質(zhì)流體，屬于賓漢塑性流體。賓漢流體是非牛頓流體的一種，在低剪切應(yīng)力下表現(xiàn)為剛性體；但當(dāng)剪切應(yīng)力增大到一定數(shù)值后，其會(huì)像黏性流體一樣流動(dòng)[11?13]。在開(kāi)始流動(dòng)之后剪切應(yīng)力與剪切速率呈直線關(guān)系，符合以下公式[14,18]：

1.2.2 造球及生球檢測(cè)方法

造球混合料采用人工配料和混勻，每次稱(chēng)取5 kg鐵精礦，然后加入一定量的膨潤(rùn)土并混勻，再配加一定量的水分混勻，最后混勻料在直徑為1 000 mm圓盤(pán)造球機(jī)上進(jìn)行造球。造球完成后，將直徑為10~15 mm的生球作為成品生球，并檢測(cè)成品生球的落下強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。取20個(gè)生球檢測(cè)其0.5 m落下強(qiáng)度，取平均值作為該生球的落下強(qiáng)度(次/(0.5 m))；取20個(gè)生球檢測(cè)其抗壓強(qiáng)度，取平均值作為該生球的抗壓 強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 膨潤(rùn)土的流變特性

膨潤(rùn)土懸浮液會(huì)像黏性流體一樣流動(dòng)，在開(kāi)始流動(dòng)之后其剪切應(yīng)力與剪切速率呈直線關(guān)系，而實(shí)際中膨潤(rùn)土懸浮液剪切速率與剪切應(yīng)力關(guān)系如圖1所示。

圖1 膨潤(rùn)土流變曲線示意圖

由圖1可知：在相同剪切速率下，圖1中下行線的剪切應(yīng)力均沒(méi)有上行線的剪切應(yīng)力大，這是因?yàn)榕驖?rùn)土懸浮液屬于非牛頓流體，具有觸變性，在高剪切速度下其黏度變稀。由于上行線更能代表膨潤(rùn)土的流變特性，對(duì)圖1中的上行線進(jìn)行直線擬合分析，其中塑性黏度為擬合直線的斜率，屈服強(qiáng)度為擬合直線在軸的截距，膨潤(rùn)土表觀黏度為上行線中0.2 s?1和1 s?1時(shí)所測(cè)黏度的平均值[19?20]。通過(guò)計(jì)算膨潤(rùn)土懸浮液的塑性黏度、屈服強(qiáng)度和表觀黏度就可以定量表征膨潤(rùn)土的流變特性。

取10種膨潤(rùn)土分別配制成膨潤(rùn)土質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為15%的懸浮液，測(cè)定不同剪切速率下膨潤(rùn)土懸浮液的剪切應(yīng)力。通過(guò)擬合計(jì)算得到不同膨潤(rùn)土的流變特性參數(shù)見(jiàn)圖2。

1—塑性黏度；2—屈服強(qiáng)度；3—表觀黏度。

由圖2可知：印度土的塑性黏度、屈服強(qiáng)度和表觀黏度均最大，美國(guó)土次之，而甲山土、強(qiáng)生土、湯山土、繁昌土和黑山土的塑性黏度、屈服強(qiáng)度和表觀黏度均較小。另外，屈服強(qiáng)度和表觀黏度具有相同的變化趨勢(shì)，而兩者與塑性黏度對(duì)應(yīng)關(guān)系不明顯。

2.2 膨潤(rùn)土流變特性與生球強(qiáng)度的關(guān)系

2.2.1 塑性黏度與生球強(qiáng)度的關(guān)系

采用同一鐵精礦，保證生球水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.5%左右、膨潤(rùn)土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%，膨潤(rùn)土塑性黏度與生球強(qiáng)度的關(guān)系如圖3所示。由圖3可知：除盛泉土外，膨潤(rùn)土塑性黏度與生球落下強(qiáng)度具有相同的變化規(guī)律；而膨潤(rùn)土塑性黏度與生球抗壓強(qiáng)度沒(méi)有相同的變化規(guī)律。除盛泉土外的9種膨潤(rùn)土塑性黏度變化規(guī)律可知：膨潤(rùn)土塑性黏度大，則采用該膨潤(rùn)土造球獲得的生球落下強(qiáng)度高；反之，則生球落下強(qiáng)度低。由此可知：膨潤(rùn)土塑性黏度越大，則采用該膨潤(rùn)土造球獲得的生球落下強(qiáng)度越高，進(jìn)而可通過(guò)測(cè)定不同膨潤(rùn)土的塑性黏度來(lái)橫向評(píng)價(jià)它們對(duì)鐵精礦的造球能力。

1—塑性黏度；2—落下強(qiáng)度；3—抗壓強(qiáng)度。

2.2.2 屈服強(qiáng)度與生球強(qiáng)度的關(guān)系

采用同一鐵精礦，保證生球水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.5%左右、膨潤(rùn)土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%，膨潤(rùn)土屈服強(qiáng)度與生球強(qiáng)度的關(guān)系如圖4所示。由圖4可知：膨潤(rùn)土屈服強(qiáng)度與生球抗壓強(qiáng)度不具有相同的變化規(guī)律。除去繁昌土、黑山土和皖東土，膨潤(rùn)土屈服強(qiáng)度與生球強(qiáng)度具有屈服強(qiáng)度越大則生球落下強(qiáng)度越好的規(guī)律；但與塑性黏度比較，屈服強(qiáng)度與生球落下強(qiáng)度間的對(duì)應(yīng)關(guān)系不明顯。

1—屈服強(qiáng)度；2—落下強(qiáng)度；3—抗壓強(qiáng)度。

2.2.3 表觀黏度與生球強(qiáng)度的關(guān)系

采用同一鐵精礦，保證生球水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.5%左右、膨潤(rùn)土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%，膨潤(rùn)土表觀黏度與生球強(qiáng)度的關(guān)系如圖5所示。由圖5可知：膨潤(rùn)土表觀黏度與生球抗壓強(qiáng)度不具有相同的變化規(guī)律。不考慮繁昌土、黑山土和皖東土，膨潤(rùn)土表觀黏度越大，生球落下強(qiáng)度越高，其與屈服強(qiáng)度具有相同的規(guī)律；但與塑性黏度比較，表觀黏度與生球落下強(qiáng)度間的對(duì)應(yīng)關(guān)系不明顯。綜合來(lái)說(shuō)，膨潤(rùn)土的流變特性與生球抗壓強(qiáng)度沒(méi)有明顯的聯(lián)系，而與生球落下強(qiáng)度存在一定的聯(lián)系。特別是膨潤(rùn)土塑性黏度與生球落下強(qiáng)度對(duì)應(yīng)關(guān)系明顯，膨潤(rùn)土塑性黏度越大，采用該土造得的生球落下強(qiáng)度越高。

1—表觀黏度；2—落下強(qiáng)度；3—抗壓強(qiáng)度。

2.3 不同離子對(duì)膨潤(rùn)土流變特性的影響

同一種膨潤(rùn)土作用于不同的鐵精礦，其造球效果不同，獲得的球團(tuán)質(zhì)量不同。這一方面因?yàn)椴煌F精礦的粒度組成、自身成球性能等不同；另一方面因?yàn)椴煌F精礦物化性能不同，其對(duì)膨潤(rùn)土造球性能的影響不同，如鐵精礦中殘留離子對(duì)生球質(zhì)量影響較大，用蒸餾水生產(chǎn)的生球質(zhì)量明顯優(yōu)于用工業(yè)水生產(chǎn)的球團(tuán)[21]。因此，研究中采用印度膨潤(rùn)土，人為添加造球原料中常見(jiàn)離子來(lái)研究不同離子對(duì)膨潤(rùn)土流變性能的影響。

2.3.1 陽(yáng)離子種類(lèi)對(duì)膨潤(rùn)土流變特性的影響

采用MgCl2，CaCl2，NaCl和KCl 4種試劑，通過(guò)在膨潤(rùn)土懸浮液中配加不同質(zhì)量的MgCl2，CaCl2，NaCl或KCl試劑，來(lái)保證試驗(yàn)中各膨潤(rùn)土懸浮液中Cl?質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同。Mg2+，Ca2+，Na+和K+這4種陽(yáng)離子對(duì)膨潤(rùn)土流變特性的影響見(jiàn)圖6，添加不同陽(yáng)離子的膨潤(rùn)土的流變特性參數(shù)見(jiàn)圖7。

1—無(wú)；2—Mg2+；3—Ca2+；4—Na+；5—K+。

1—塑性黏度；2—屈服強(qiáng)度；3—表觀黏度。

由圖6可知：在相同剪切速率下，Na+和K+明顯提高了膨潤(rùn)土的剪切應(yīng)力，而Mg2+和Ca2+對(duì)膨潤(rùn)土的剪切應(yīng)力影響不大。Mg2+和Ca2+明顯降低了膨潤(rùn)土的觸變性，導(dǎo)致膨潤(rùn)土懸浮液的剪切應(yīng)力不隨著剪切速率的增大而增大。

由圖7可知：Mg2+和Ca2+使得膨潤(rùn)土的塑性黏度降低，膨潤(rùn)土的屈服強(qiáng)度和表觀黏度略有降低；而Na+和K+明顯提高了膨潤(rùn)土的塑性黏度、屈服強(qiáng)度和表觀黏度。膨潤(rùn)土主要成分是蒙脫石，由于蒙脫石的晶格中Si4+和Al3+被低價(jià)陽(yáng)離子同晶置換，致使單位晶層中出現(xiàn)大量剩余負(fù)電荷，低價(jià)的Na+和K+可被負(fù)電荷吸附，保證蒙脫石晶格電荷平衡，使蒙脫石晶面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。而相對(duì)高價(jià)的Mg2+和Ca2+不但吸附剩余負(fù)電荷，而且會(huì)吸附晶格內(nèi)的負(fù)電荷，破壞蒙脫石的晶格，使得晶面結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定[22?24]。

另外，相對(duì)于K+，Na+對(duì)膨潤(rùn)土的塑性黏度提高更加明顯。根據(jù)塑性黏度與生球質(zhì)量的關(guān)系，可認(rèn)為Na+可顯著提升膨潤(rùn)土的流變特性，改善膨潤(rùn)土的造球性能，進(jìn)而提高生球的強(qiáng)度。這也從膨潤(rùn)土流變特性角度解釋了對(duì)膨潤(rùn)土進(jìn)行鈉化改性可改善其造球性能的原因。

2.3.2 陰離子對(duì)膨潤(rùn)土流變性的影響

采用NaCl，Na2SO4，Na2CO3和NaHCO34種試劑，通過(guò)在膨潤(rùn)土懸浮液中配加不同質(zhì)量的NaCl，Na2SO4，Na2CO3或NaHCO3，來(lái)保證各試驗(yàn)中Na+加入量相同。Cl?，SO42?，CO32?和HCO3?這4種陰離子對(duì)膨潤(rùn)土流變特性的影響見(jiàn)圖8，添加不同陰離子的膨潤(rùn)土的流變特性參數(shù)見(jiàn)圖9。

1—無(wú)；2—Cl?；3—SO42?；4—CO32?；5—HCO3?。

1—塑性黏度；2—屈服強(qiáng)度；3—表觀黏度。

由圖8和圖9可知：在相同剪切速率下，添加離子的膨潤(rùn)土剪切應(yīng)力均大于未添加離子的膨潤(rùn)土剪切應(yīng)力；同時(shí)，添加離子的膨潤(rùn)土塑性黏度、屈服強(qiáng)度和表觀黏度都比未添加離子的大，這主要是Na+所致。比較Cl?，SO42?，CO32?和HCO3?這4種陰離子，Cl?能保證膨潤(rùn)土具有較高的塑性黏度、屈服強(qiáng)度和表觀黏度；CO32?使膨潤(rùn)土塑性黏度、屈服強(qiáng)度和表觀黏度均減小；而在Na+存在時(shí)，添加SO42?或HCO3?的膨潤(rùn)土塑性黏度、屈服強(qiáng)度和表觀黏度幾乎趨于與純膨潤(rùn)土的相同。綜合來(lái)說(shuō)，陰離子的加入會(huì)進(jìn)一步增加蒙脫石單位晶層的負(fù)電荷，使得晶面結(jié)構(gòu)更加不穩(wěn)定，使膨潤(rùn)土的流變特性變差。

3 結(jié)論

1) 在鐵礦球團(tuán)生產(chǎn)中，膨潤(rùn)土吸水形成高濃度的懸浮液屬于賓漢流體。根據(jù)賓漢流體學(xué)，通過(guò)測(cè)量不同剪切速率下膨潤(rùn)土懸浮液的剪切應(yīng)力，可計(jì)算出膨潤(rùn)土的塑性黏度、屈服強(qiáng)度和表觀黏度，以表征膨潤(rùn)土的流變特性。

2) 膨潤(rùn)土的流變特性與生球強(qiáng)度具有良好的匹配性。膨潤(rùn)土的塑性黏度越大，該膨潤(rùn)土造球得到的生球落下強(qiáng)度越高；而膨潤(rùn)土的屈服強(qiáng)度和表觀黏度與生球強(qiáng)度關(guān)系不明顯。

3) 離子對(duì)膨潤(rùn)土流變特性影響很大。K+特別是Na+顯著提高了膨潤(rùn)土的塑性黏度，提升膨潤(rùn)土的流變特性；而Mg2+和Ca2+降低了膨潤(rùn)土的塑性黏度。Cl?能保證膨潤(rùn)土具有良好的流變特性，CO32?使膨潤(rùn)土的流變特性變差，SO42?和HCO3?則使膨潤(rùn)土的流變特性大幅度地降低。

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Rheological property of bentonite used in iron pellet

ZHONG Qiang, YANG Yongbin, MENG Feiyu, LI Qian, JIANG Tao

(School of Minerals Processing and Bioengineering, Central South University, Changsha 410083, China)

According to rheological theory of Bingham fluid and rheological property of bentonite used in pellet, the relationship between bentonite rheological property and green pellet strength and the influence of ion on bentonite rheological property were researched. The results show that the rheological property of bentonite can be characterized by plastic viscosity, yield value and apparent viscosity which were calculated from shear stress and shear rate of bentonite suspension. The rheological property of bentonite has relation with green pellet strength; the greater the plastic viscosity, the better the green pellet strength is. The cation and anion has great effect on the rheological property of bentonite. K+especially Na+significantly enhances the plastic viscosity and improves the rheological property. Cl?makes the bentonite have good rheological property. While Mg2+and Ca2+reduce the plastic viscosity, CO32?makes the plastic viscosity, the yield strength and the apparent viscosity decrease, and SO42?and HCO3?have a drastic decline in the rheological property.

bentonite; rheological property; pellet; plastic viscosity; ion

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.09.001

TF046

A

1672?7207(2016)09?2907?07

2015?10?12；

2015?12?23

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51234008) (Project(51234008) supported by the National Natural Science Foundation of China)

楊永斌，博士，副教授，從事鋼鐵冶金、二次資源綜合利用等研究；E-mail: ybyangcsu@126.com

(編輯 陳愛(ài)華)