铁矿粉表面性质与过滤性能关系的研究

杨 涛 青格勒 董香娟 贺金文 田筠清 张 彦

（1.首钢集团有限公司技术研究院，北京100043；2.绿色可循环钢铁流程北京市重点实验室，北京100043；3.首钢京唐钢铁联合有限责任公司炼铁部，河北唐山063200）

烧结粉矿有时会经过细磨后用于球团造球配矿使用。在生产中，细磨烧结粉矿有湿磨或干磨工艺［1］，湿磨工艺需要增加过滤工序。对多种进口烧结粉矿细磨过滤后发现其过滤性能差别很大，并且大部分烧结粉矿细磨后过滤难度较大。进口的烧结粉矿多为赤铁矿和褐铁矿［2］，国内有学者对与之相似的进口红矿细泥［3］和赤铁精矿［4-5］进行过滤研究，主要从过滤条件和过滤设备等方面对矿粉过滤性能的影响进行了研究，尚未针对矿粉自身的性质差异在过滤中的影响进行研究。但影响矿粉过滤过程的最主要因素还是物料的性质［6］。

与脱水性能相关的物料性质主要包括比表面积、粒度分布及表面粗糙度等几何特性和润湿性、界面张力等界面性质［7］。当前对于矿粉性质对过滤影响的研究较少，刘丽艳等［7］从理论上分析了物料性质对过滤性能的影响机理，并采用絮凝剂和表面活性剂改善颗粒性质进而提高了弱磁选铁精矿过滤性能，但对于矿粉物料性质如何影响过滤性能没有通过试验加以验证。由于进口烧结粉矿产地和矿石类型差别较大［8］，了解不同烧结粉矿的物料性质差异及其与过滤性能的关系，可以更好地改善矿粉的过滤性能。

本研究在相同的过滤条件和磨矿粒度下，对罗伊山粉、巴烧粉、安哥拉粉、肯尼亚粉、毛塔粉5种不同的细磨烧结粉表面形貌、比表面积、以及颗粒表面赋存的分子水和毛细水等物料性质与过滤性能的关系进行了研究，并结合相关理论分析过滤性能存在差异的主要原因，为选择过滤性能较好的矿粉和改善矿粉过滤性能提供指导。

1 试验原料、设备及方法

1.1 试验原料

试验研究用的烧结粉矿分别为巴烧粉、罗伊山粉、安哥拉粉、毛塔粉、肯尼亚粉，其化学成分如表1。

烧结粉矿经过混匀缩分后分别取2 kg，利用球磨机细磨至球团粉粒度（-0.074 mm占86.6%）。本次研究主要考察不同矿粉性质的差异，不将粒度作为研究因素，由于粒度分布会影响过滤速率和滤饼含水率［7］，为避免5种粉矿细磨后粒度组成不同，将其细磨后的粒度组成统一按照其中1种粉矿的粒度组成进行配比，具体粒度组成见表2。

1.2 试验设备和分析仪器

HITACHI S-3400NⅡ型扫描电镜、瓶式真空抽滤装置、天平和量筒、FBT-9型全自动比表面积测定仪、最大毛细水测定仪、最大分子水测定装置；ϕ60×100 mm的压模一套，压力机一台，烘箱一台。

1.3 试验方法

1.3.1 扫描电镜观察矿粉颗粒表面微观形态

对细磨并配好粒度的烧结矿粉进行烘干和混匀缩分，称取1 g样品铺平放置于样品台上，在HITACHI S-3400NⅡ型扫描电镜下，进行矿粉颗粒表面形貌的观察。

1.3.2 矿粉过滤试验

图1为真空抽滤装置。称取200 g细磨并配好粒度的烧结粉矿，用自来水配成浓度60%的矿浆。将矿浆搅拌充分后全部倒入布氏漏斗，打开开关进行过滤，开始记录时间。同时记录在0 s、30 s、60 s、90 s、120 s、150 s、180 s不同过滤时间下量筒中产生的滤液量。过滤过程中调节阀门3，使真空度在过滤过程中保持0.06 MPa。在过滤时间为180 s时，停止真空泵，取出滤饼放入快速水分测定仪中，测定滤饼水分。

1.3.3 最大分子水测定试验

将细磨并配好粒度的烧结粉矿缩分取样，采用压滤法分别测定其最大分子水。压滤法是用机械压力将试样中的重力水与毛细水压出，并用滤纸吸收，保留在试样中的水就是最大分子水。

1.3.4 最大毛细水测定试验

将细磨并配好粒度的烧结粉矿缩分取样，采用容量法分别测定其最大毛细水。

1.3.5 比表面积测定

将细磨并配好粒度的烧结粉矿烘干，并缩分取样，用FBT-9型全自动比表面积测定仪测定其比表面积。

2 结果与分析

2.1 细磨后烧结粉矿的过滤性能

5种细磨烧结粉过滤180 s后的滤饼水分见表3，5种不同的细磨矿粉最终滤饼水分明显不同，最大为罗伊山粉，最小为肯尼亚粉。图2是5种细磨烧结粉矿在不同过滤时间下的过滤速率，从图2可以看出，在整个过滤时间内，肯尼亚粉的过滤速率都处于最高水平，其次是毛塔粉、安哥拉粉、巴烧粉、罗伊山粉。

2.2 细磨矿粉表面粗糙度与过滤性能关系

5种细磨矿粉在500倍扫描电镜（SEM）下的颗粒表面形貌特征如图3所示。

图3中扫描电镜结果显示，细磨后的罗伊山粉的颗粒形状较为圆滑，表面粗糙，覆盖着许多小颗粒；细磨巴烧矿粉的颗粒形状圆滑，表面粗糙，包裹着许多细小的颗粒；细磨安哥拉矿粉的颗粒表现出一定的规则形状，露出一定的颗粒表面，但表面仍附着有较多的小颗粒，但相对于巴烧粉和罗伊山粉要少一些；细磨毛塔矿粉的颗粒呈现出相对安哥拉矿粉更为规则的形状，棱角较为明晰，颗粒表面更为裸露且较为光滑，表面附着较少细小颗粒；肯尼亚矿粉颗粒呈明显的规则形状，棱角比较明晰，颗粒表面裸露且较为光滑，附着非常少的细小颗粒。

颗粒的几何特性会影响过滤速率和滤饼含水率［7］。表面粗糙度高，表面能就越高，形成的水化膜越厚，占据部分滤液通道，使过滤速率降低，滤饼含水率升高［4］；同时，表面粗糙度高的矿粉也会增强颗粒的润湿性［9-11］，滤饼水分也会越高。另一方面，颗粒表面附着较多的细颗粒，会增强其毛细管作用，增加了单位面积过滤阻力；同时，吸附的细颗粒易充塞在粗粒间形成的孔隙之中，使毛细通道过细，极易被微细粒堵塞、压实，真空所形成压力差对水流的推动力减弱，水不能顺畅通过拱状结构，降低了过滤速率。

结合表3分析可知，罗伊山粉和巴烧粉表面粗糙度高，粘附颗粒多，因此过滤速率低，滤饼水分高；毛塔粉和肯尼亚粉表面比较光滑，粘附颗粒少，故而过滤速率较高，滤饼水分较低；而安哥拉粉表面粗糙度居中，因此过滤速率和滤饼水分也处于中间水平。

2.3 细磨矿粉的比表面积与滤饼水分的关系

滤饼中的液体是包围在颗粒的表面上，所以颗粒的比表面积相对于孔隙率更能反映滤饼中所含液体的多少，比表面积越大，所含的液体越多，滤饼水分也越高［12］。同时，根据Kozeny-Carman关系式，滤饼比阻与比表面积的平方成正比［13］。颗粒比表面积高，滤饼比阻也会越高，过滤难度也会增加。

对5种细磨矿粉的比表面积值进行测定，结果见表4。从表4可以看出，过滤滤饼水分较高、过滤速率相对较低的矿粉（如巴烧粉、罗伊山粉）其比表面积值也较高。

颗粒比表面积大小主要与其粒径和表面积相关［14］，试验所选用5种细磨粉矿的粒度组成相同，颗粒表面积将是比表面积的主要影响因素。而颗粒表面粗糙程度高，将会增大颗粒的表面积，进而增大比表面积。因此，从这个角度也可以看出，颗粒表面粗糙度是影响过滤性能的主要原因。

2.4 颗粒表面吸附水分与滤饼水分的关系

固体物料与液相水接触时，在两相接触界面上，由于其物理化学性质与固体内部的物理化学性质不同，位于固体或液体表面的分子具有表面自由能，将吸引相邻相中的分子，在固体表面形成水化膜，称为分子结合水。当物料湿润达到最大分子结合水时，颗粒间开始形成毛细水，直至颗粒间完全被水饱和达到最大毛细水，开始出现重力水［15］。

5种细磨矿粉的滤饼水分、最大分子结合水和最大毛细水的测定试验结果见表5。

分子结合水与物料结合紧密，不能用过滤方法脱除。根据所采用的脱水方法及毛细管直径的大小，毛细水可脱除一部分，但不能全部脱除。因此，滤饼水分主要以分子结合水和毛细水的形式存在。分子结合水在一定程度反映了固体物料与液相水两相界面的性质和对水分子吸附的能力，在表5中，最大分子结合水高的矿粉其表面对水分子的吸附能力也强，而毛细水较高的矿粉表明其本身具有较高的亲水性，会形成较细的毛细管直径。因此，滤饼水分较高的矿粉表面对水分子的吸附能力较强，亲水性也较好，同时会形成较细的毛细管直径。

在过滤过程中，作为可以部分脱除的毛细水，通过滤饼中水分存在形式的理论，可以获得如下公式：

ω1=ω2+ω3-ω4

其中，ω1为可以脱除的毛细水；ω2为最大分子水；ω3为最大毛细水；ω4为滤饼水分。

由此可以计算出矿粉中可脱除的毛细水和无法脱除的毛细水，结果见表6。

从表6可以看出，采用同一种过滤方式，5种矿粉可以脱除的毛细水量相近，过滤无法脱除的毛细水量则明显不同。无法脱除的毛细水越多，矿物对水的滞粘力越大，水流通过毛细管的速度越慢，在一定厚度的过滤介质层中，固液彻底分离时间延长，脱水时间一定时，夹带在毛细通道的水分增加，也就是滤饼夹层水分升高，增加了滤饼的含水量。

3 结论

（1）罗伊山粉、巴烧粉、安哥拉粉、肯尼亚粉、毛塔粉5种不同烧结粉在磨至相同粒度组成，以及矿浆浓度60%、真空度0.06 MPa、过滤时间180 s条件下过滤，获得的滤饼水分差异明显，分别是17.3%、15.6%、12.4%、11.0%、10.7%，5种矿粉在整个过滤过程中的过滤速率则是相对依次增大。

（2）通过对5种细磨后的烧结粉表面形貌观察发现，矿粉的表面粗糙度会影响滤饼含水率和过滤速率。滤饼水分高、过滤速率低的罗伊山粉和巴烧粉表面更粗糙，粘附细粒颗粒较多，而滤饼水分低、过滤速率较高的肯尼亚粉和毛塔粉则表面较光滑，粘附细小颗粒也少，而滤饼水分和过滤速率居中的安哥拉粉表面粗糙度也相对处于中间水平。

（3）矿粉的比表面积值是影响滤饼水分的一个主要因素，滤饼水分较高的矿粉，其比表面积值也相对较高。

（4）矿粉颗粒表面吸附最大分子结合水的能力和颗粒间形成的毛细作用是决定滤饼含水量的直接因素。5种矿粉中，滤饼水分最高的罗伊山矿粉具有最高的最大分子水和过滤无法脱除毛细水，巴烧粉、安哥拉粉、肯尼亚粉、毛塔粉随着滤饼水分的依次降低，其最大分子水和过滤无法脱除的毛细水也依次减小。难过滤的矿粉表面具有较强的结合水吸附能力，同时颗粒间形成的毛细作用会较强。