本发明涉及明涉及铁矿粉、含铁粉尘及污泥的预处理技术领域特别涉及一种低燃耗球团粘合剂及其制备方法。
背景技术：
中国钢铁产量已连续多年保持高速增长，成为世界钢铁大国。伴随而来的环保问题也日益突出，我国钢铁企业所产生工业废弃物的污染已越来越严重地影响到所在地周边的环境，并开始制约企业自身的发展。因此，消除工业废弃物污染、实现清洁生产、特别是处理生产各工序产生的各种粉尘等工业废弃物是今后我国钢铁工业保持持续健康发展的重要指标。
将炼钢粉尘冷固结成型后再进入回转窑烧结，实现资源回收利用，既减少了环境污染，降低了能源消耗，冷固结成型工艺是将钢铁生产过程中产生的各种粉尘，添加适当的粘合剂，经过混匀后，在一定压力下，使混匀料受压成为一定形状、尺寸、密度和强度的块状物料，再经过相应的低温干燥(＜300℃)固结，使之成为具有较高强度的团块。该团块可以用作高炉冶炼的原料和转炉冶炼的冷却剂，也可以用作直接还原和熔融还原的原料使用。
现有技术的缺陷：目前冷固结成型主要采用的粘合剂分为膨润土和有机粘合剂，膨润土粘合剂应用成熟，价格较低，但其烧残率高，严重降低了球团矿含铁品位，增加了高炉炼铁冶炼的渣量，使高炉系数下降，燃耗上升；有机粘合剂粘接效果好，用量少，但其价格高，应用上不成熟，致命缺点是有机粘结剂在升温预热焙烧过程中会发生氧化、分解等反应，产生的热应力会破坏预热球结构，造成预热球强度很低，同时也带来环保问题。
技术实现要素：
为解决以上技术问题，本发明提供低燃耗球团粘合剂及其制备方法，以解决传统膨润土粘结剂烧残率高，降低球团矿铁品位，增加高炉炼铁冶炼燃耗，以及难以适应铁矿原料水分和成球水分的要求等问题。
本发明采用的技术方案如下：一种低燃耗球团粘合剂，关键在于由以下质量份数的原料组成：钠化膨润土55-65份、改性抗爆剂1-5份、复合碳还原剂3-7份、天然淀粉6-15份、纤维素类高分子10-20份、增稠剂5-8份。
优选的，所述原料的质量份数为：钠化膨润土60份、改性抗爆剂4份、复合碳还原剂6份、天然淀粉12份、纤维素类高分子15份、增稠剂7份。
优选的，所述钠化膨润土采用以下方法获得：将海藻酸钠和碳酸钠溶解在水中，搅拌均匀后，得到复合钠改性溶液；然后将所述复合钠改性溶液加入到研磨后的天然钙基膨润土中，混合均匀后得到混合浆液；在所得的混合浆液中加入二甲基双十八烷基氯化铵，调节PH值为5-7后，升温到70-100℃，在此温度下，边搅拌边加入乙烯醇，搅拌反应2-4小时，反应完成后将反应产物依次干燥、粉碎和研磨，即得所述钠化膨润土；其中，海藻酸钠、碳酸钠与钙基膨润土的质量比为3～25：1～8：100。
优选的，所述钙基膨润土研磨粒度小于0.5mm。
优选的，所述改性抗爆剂采用以下方法获得：将质量比为10-18：50的聚丙烯酰胺和镁铁砂投入反应釜，并加入调节剂，所述调节剂与镁铁砂的质量比为0.5:100，在常温下搅拌，混合均匀后共磨，得到所述改性镁铁砂，其粒度为-0.065mm粒级质量分数≥80％。
优选的，所述镁铁砂中MgO和Fe2O3的质量分数分别为a和b，a≥85％wt、8％wt≥b≥12％wt；所述调节剂为FeCl3、MgCl2或Fe2(SO4)3中的一种。
优选的，所述复合碳还原剂采用以下方法获得：将质量比为50～60：40～50的石油焦和低灰煤混合均匀得到混合物料；然后将混合物料中依次加入相当于混合物料质量2％wt～4％wt的水玻璃和相当于混合物料质量8％wt～12％wt的水，混合均匀，在50～60℃下搅拌2h、出料；再在风温为100～140℃条件下烘30～50min，制备得到所述复合碳质还原剂。
优选的，所述石油焦、低灰煤中固定碳含量分别为85～90％wt、55～65％wt。
优选的，所述纤维素类高分子是甲基纤维素、羧甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素中的一种或两种；所述天然淀粉为玉米淀粉、薯类淀粉；所述增稠剂为过硫酸类物质、过氧化氢。
一种低燃耗球团粘合剂的制备方法，关键在于按以下步骤进行：
步骤一、分别制备钠化膨润土、改性抗爆剂和复合碳还原剂；
步骤二、将步骤一中得到的钠化膨润土、纤维素类高分子、增稠剂和改性抗爆剂加入到反应釜中，加热至60～90℃，混合搅拌反应，控制搅拌速度300～600r/min，反应30min后取样加水进行粘度测定，样品与水的质量比为1:1，当其粘度达到5000cp后，出料得到混合物A；
步骤三、将复合碳还原剂、天然淀粉混合均匀得到混合物B；
步骤四、将步骤二中得到的混合物A和步骤三中得到的混合物B同时加进搅拌机中混合均匀后，投入研磨机中研磨成平均粒径为42-74um的粉末，得到成品。
与现有技术相比，本发明提供的低燃耗球团粘合剂科学选择各组分，合理配比而成，具有以下几个方面的有益效果：
1、改善球团质量，提高生球强度和爆裂温度，提高成品球抗压强度和全铁品位。钙基膨润土通过海藻酸钠、碳酸钠以及二甲基双十八烷基氯化铵进行共同改性，三者在对钙基膨润土改性过程中产生协同增效作用。Na+可以进入钙基蒙脱石晶层中取代部分Ca2+，二甲基双十八烷基氯化铵将蒙脱片层间距撑大，有利于促进钠化改性的进一步顺利进行；特别是二甲基双十八烷基氯化铵与海藻酸的官能团之间进行化学键合，在蒙脱石片层和外部都形成了有机相连接，有利于钙基膨润土的有机化改性；引入改性抗爆剂可以提高球团矿的高温冶金性能，生球强度和爆裂温度，降低球团矿的还原膨胀率；引入复合碳还原剂能提高还原速率，大幅降低炼焦铁比。
2、本发明的低燃耗球团粘合剂作为一种干粉粘结剂直接加入到铁矿原料中，粘结剂能吸持大量水分，因而提高了粘结剂对铁矿原料水分的适宜上限，从而减少烘干设备投资成本和干燥过程能耗。
3、本发明制备的低燃耗球团粘合剂用量占铁矿干基质量0.3～0.8％范围内，生球的自由跌落强度为8～12次/1m，爆裂温度大于650℃，预热球团抗压强度大于450N/个以上，焙烧球团抗压强度达2500N/个以上，成品球团矿的全铁品位可提高1.5％以上。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附表和具体实施方式对本发明作详细说明。
实施例1：一种低燃耗球团粘合剂
将低燃耗球团粘合剂中各原料分别按表1所述质量份数进行混合，得到3组不同混合比例的低燃耗球团粘合剂I～III。
表1不同混合比例(质量份数)的低燃耗球团粘合剂
实施例2：低燃耗球团粘合剂的制备
步骤一、钠化膨润土的制备：将海藻酸钠和碳酸钠溶解在水中，搅拌均匀后，得到复合钠改性溶液；然后将所述复合钠改性溶液加入到研磨后的天然钙基膨润土中，所述钙基膨润土研磨粒度小于0.5mm，混合均匀后得到混合浆液；在所得的混合浆液中加入二甲基双十八烷基氯化铵，调节PH值为5-7后，升温到70-100℃，在此温度下，边搅拌边加入乙烯醇，搅拌反应2-4小时，反应完成后将反应产物依次干燥、粉碎和研磨，即得所述钠化膨润土；其中，海藻酸钠、碳酸钠与钙基膨润土的质量比为3：1：100。
改性抗爆剂的制备：将质量比为10：50的聚丙烯酰胺和镁铁砂投入反应釜，并加入FeCl3，FeCl3与镁铁砂的质量比为0.5:100，在常温下搅拌，混合均匀后共磨，得到所述改性镁铁砂，其粒度为-0.065mm粒级质量分数≥80％；所述镁铁砂中MgO和Fe2O3的质量分数分别为a和b，a≥85％wt、8％wt≥b≥12％wt。
复合碳还原剂的制备：将质量比为50：40的石油焦和低灰煤混合均匀得到混合物料，所述石油焦和低灰煤中固定碳含量分别为85～90％wt、55～65％wt；然后将混合物料中依次加入相当于混合物料质量2％wt～4％wt的水玻璃和相当于混合物料质量8％wt～12％wt的水，混合均匀，在50～60℃下搅拌2h后出料；再在风温为100～140℃条件下烘30～50min，制备得到所述复合碳质还原剂。
步骤二、将步骤一中得到的钠化膨润土55份、纤维素类高分子10份、增稠剂5份和改性抗爆剂1份加入到反应釜中，加热至60～90℃，混合搅拌反应，控制搅拌速度300～600r/min，反应30min后取样加水进行粘度测定，样品与水的质量比为1:1，当其粘度达到5000cp后，出料得到混合物A；
步骤三、将复合碳还原剂3份、天然淀粉6份混合均匀得到混合物B；
步骤四、将步骤二中得到的混合物A和步骤三中得到的混合物B同时加进搅拌机中混合均匀后，投入研磨机中研磨成平均粒径为42-74um的粉末，得到低燃耗球团粘合剂I。
性能测试结果：按照占铁精矿干基质量0.2％的比例加入到铁精矿中并混匀后造球。所获得的生球落下强度为8次/1m，爆裂温度为650℃，预热球抗压强度为455N/个，焙烧球抗压强度为2532N/个，成品球全铁品位TFe为68.39％。
实施例3：低燃耗球团粘合剂的制备
步骤一、钠化膨润土的制备：将海藻酸钠和碳酸钠溶解在水中，搅拌均匀后，得到复合钠改性溶液；然后将所述复合钠改性溶液加入到研磨后的天然钙基膨润土中，所述钙基膨润土研磨粒度小于0.5mm，混合均匀后得到混合浆液；在所得的混合浆液中加入二甲基双十八烷基氯化铵，调节PH值为5-7后，升温到70-100℃，在此温度下，边搅拌边加入乙烯醇，搅拌反应2-4小时，反应完成后将反应产物依次干燥、粉碎和研磨，即得所述钠化膨润土；其中，海藻酸钠、碳酸钠与钙基膨润土的质量比为25：8：100。
改性抗爆剂的制备：将质量比为18：50的聚丙烯酰胺和镁铁砂投入反应釜，并加入MgCl2，MgCl2与镁铁砂的质量比为0.5:100，在常温下搅拌，混合均匀后共磨，得到所述改性镁铁砂，其粒度为-0.065mm粒级质量分数≥80％；所述镁铁砂中MgO和Fe2O3的质量分数分别为a和b，a≥85％wt、8％wt≥b≥12％wt。
复合碳还原剂的制备：将质量比为60：50的石油焦和低灰煤混合均匀得到混合物料，所述石油焦和低灰煤中固定碳含量分别为85～90％wt、55～65％wt；然后将混合物料中依次加入相当于混合物料质量2％wt～4％wt的水玻璃和相当于混合物料质量8％wt～12％wt的水，混合均匀，在50～60℃下搅拌2h后出料；再在风温为100～140℃条件下烘30～50min，制备得到所述复合碳质还原剂。
步骤二、将步骤一中得到的钠化膨润土65份、纤维素类高分子20份、增稠剂8份和改性抗爆剂5份加入到反应釜中，加热至60～90℃，混合搅拌反应，控制搅拌速度300～600r/min，反应30min后取样加水进行粘度测定，样品与水的质量比为1:1，当其粘度达到5000cp后，出料得到混合物A；
步骤三、将复合碳还原剂7份、天然淀粉15份混合均匀得到混合物B；
步骤四、将步骤二中得到的混合物A和步骤三中得到的混合物B同时加进搅拌机中混合均匀后，投入研磨机中研磨成平均粒径为42-74um的粉末，得到低燃耗球团粘合剂II。
性能测试结果：按照占铁精矿干基质量0.3％的比例加入到铁精矿中并混匀后造球。所获得的生球落下强度为9.8次/1m，爆裂温度为720℃，预热球抗压强度为468N/个，焙烧球抗压强度为2583N/个，成品球全铁品位TFe为67.83％。
实施例4：低燃耗球团粘合剂的制备
步骤一、钠化膨润土的制备：将海藻酸钠和碳酸钠溶解在水中，搅拌均匀后，得到复合钠改性溶液；然后将所述复合钠改性溶液加入到研磨后的天然钙基膨润土中，所述钙基膨润土研磨粒度小于0.5mm，混合均匀后得到混合浆液；在所得的混合浆液中加入二甲基双十八烷基氯化铵，调节PH值为5-7后，升温到70-100℃，在此温度下，边搅拌边加入乙烯醇，搅拌反应2-4小时，反应完成后将反应产物依次干燥、粉碎和研磨，即得所述钠化膨润土；其中，海藻酸钠、碳酸钠与钙基膨润土的质量比为20：5：100。
改性抗爆剂的制备：将质量比为15：50的聚丙烯酰胺和镁铁砂投入反应釜，并加入Fe2(SO4)3，Fe2(SO4)3与镁铁砂的质量比为0.5:100，在常温下搅拌，混合均匀后共磨，得到所述改性镁铁砂，其粒度为-0.065mm粒级质量分数≥80％；所述镁铁砂中MgO和Fe2O3的质量分数分别为a和b，a≥85％wt、8％wt≥b≥12％wt。
复合碳还原剂的制备：将质量比为55：45的石油焦和低灰煤混合均匀得到混合物料，所述石油焦和低灰煤中固定碳含量分别为85～90％wt、55～65％wt；然后将混合物料中依次加入相当于混合物料质量2％wt～4％wt的水玻璃和相当于混合物料质量8％wt～12％wt的水，混合均匀，在50～60℃下搅拌2h后出料；再在风温为100～140℃条件下烘30～50min，制备得到所述复合碳质还原剂。
步骤二、将步骤一中得到的钠化膨润土60份、纤维素类高分子15份、增稠剂7份和改性抗爆剂4份加入到反应釜中，加热至60～90℃，混合搅拌反应，控制搅拌速度300～600r/min，反应30min后取样加水进行粘度测定，样品与水的质量比为1:1，当其粘度达到5000cp后，出料得到混合物A；
步骤三、将复合碳还原剂6份、天然淀粉12份混合均匀得到混合物B；
步骤四、将步骤二中得到的混合物A和步骤三中得到的混合物B同时加进搅拌机中混合均匀后，投入研磨机中研磨成平均粒径为42-74um的粉末，得到低燃耗球团粘合剂III。
性能测试结果：按照占铁精矿干基质量0.3％的比例加入到铁精矿中并混匀后造球。所获得的生球落下强度为11.6次/1m，爆裂温度为710℃，预热球抗压强度为495N/个，焙烧球抗压强度为2578N/个，成品球全铁品位TFe为68.57％。
实施例5：对比实施例
将天然膨润土按照占铁精矿干基质量2.5％的质量比例加入到铁精矿中混匀，经润磨预处理后造球，所得生球落下强度为5.3次/1m，爆裂温度为618℃，预热球抗压强度为410N/个，焙烧球抗压强度为2535N/个，成品球团块全铁品位TFe为66.76％。
最后需要说明，上述描述仅为本发明的优选实施例，本领域的技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。