冷固结含碳球团作为转底炉直接还原的原料主体 ,在转底炉生产环节中要经过运输 、布料 、还原、出料等过程 ,因此其各方面的性能影响着转底炉生产的顺畅和效率。本文以糖浆作为粘结剂, 钒钛磁铁矿和煤粉为原料,研究了不同粘结剂配比、成型压力和水分加入量下对含碳球团冷固结成型性能的影响 。
1.1 试验原料
试验用矿粉为钒钛磁铁矿精粉，煤的固定碳含量 82.04%, 挥发份 6.58%, 灰 分 9.88%。矿粉与煤粉的粒度分布及堆密度见表 1。
表 1 煤粉与矿粉的粒度组成及堆密度
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原料 |
粒度组成% |
堆密度(g/ cm-3) |
|||||
|
+0.4mm |
0.15-0.4mm |
0.125-0.15mm |
0.098-0.125mm |
0.074-0.098mm |
-0.074mm |
||
|
矿粉 |
0.65 |
20.85 |
52.80 |
22.10 |
2.30 |
1.30 |
2.78 |
|
煤粉 |
21.65 |
23.25 |
15.20 |
17.85 |
12.70 |
9.90 |
0.97 |
1.2 研究方法
试验流程包括原料烘干、配料、混匀、造球、干燥、测试等几个环节 。原料烘干温度选择 200 ℃,烘干时间选择 120 min。矿粉和煤粉的配比 (质量比 )是 :m(矿粉 ):m(煤粉 )=5∶1,原料混合均匀后按正交表加入一定比例粘结剂和蒸馏水, 搅拌均匀 。混合均匀的原料采用对辊压球机进行冷固结成型, 并根据正交表设定成型压力。干燥后的球测定球团强度。
1.1 试验设计与结果
含碳球团经过冷固结成型后, 放入干燥箱内进行烘干, 烘干条件选择 300 ℃, 烘干时间选择 30 min, 烘干后取 5个球测其抗压强度, 然后取平均值作为球团的抗压强度 。根据正交试验原理, 因素水平设计见表2,试验结果见表 3。
表 2 正交试验因素水平
|
因素水平 |
粘结剂含量(因素 A)/% |
成型压力(因素 B)/MPa |
水分加入量(因素 C)/% |
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1 |
4 |
10 |
1 |
|
2 |
5 |
12 |
2 |
|
3 |
6 |
15 |
3 |
|
4 |
7 |
18 |
4 |
表 3 试验方案和结果
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试验号 |
粘结剂含量 (因素 A)/% |
成型压力 (因素 B)/MPa |
水分加入量 (因素 C)/% |
干球抗压强度 (P)/N |
|
1 |
4 |
10 |
3 |
326 |
|
2 |
5 |
15 |
1 |
1631 |
|
3 |
6 |
12 |
2 |
1902 |
|
4 |
7 |
18 |
4 |
606 |
|
5 |
4 |
18 |
2 |
732 |
|
6 |
5 |
12 |
4 |
418 |
|
7 |
6 |
15 |
3 |
1776 |
|
8 |
7 |
10 |
1 |
838 |
|
9 |
4 |
12 |
1 |
473 |
|
10 |
5 |
18 |
3 |
2011 |
|
11 |
6 |
10 |
4 |
437 |
|
12 |
7 |
15 |
2 |
1082 |
|
13 |
4 |
15 |
4 |
417 |
|
14 |
5 |
10 |
2 |
1218 |
|
15 |
6 |
18 |
1 |
1876 |
|
16 |
7 |
12 |
3 |
737 |
对表 3试验结果进行分析 , 用 SA1 表示因素 A取水平时相应的试验结果之和 , SA2 表示因素 A取第二水平时相应的试验结果之和, SA3 表示因素 A取第三水平时相应的试验结果之和 , SA4 表示因素 A取第四水平时相应的试验结果之和 ,即:
式 (5)～ (8)中K
A 表示成型压力和水分加入量处于综合平均意义下,添加粘结剂的量分别为 4%、5%、6%、7%时的成球抗压强度 。对于因素 B和因素 C也用同样的方法计算,计算结果见表 4：
表 4 试验结果正交分析
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项目 |
因素A |
因素B |
因素C |
|
S1 |
1948 |
2819 |
4818 |
|
S2 |
5278 |
3530 |
4934 |
|
S3 |
5991 |
4906 |
4850 |
|
S4 |
3263 |
5225 |
1878 |
|
K |
487 |
705 |
1205 |
|
K |
1320 |
883 |
1234 |
|
K |
1498 |
1227 |
1213 |
|
K |
816 |
1306 |
470 |
|
R |
1011 |
601 |
764 |
在正交试验中, 如果某水平因素对结果起主要影响 ,则在数量关系上应该表现为该因素各水平之下的指标综合平均值 K间相差较大, 反之, 如果各个 K间相差较小, 则说明该因素不是主要因素 , 根据表中 K值 ,计算出因素 A、B、C的极差分别为:
由式(9)～ (11)可见 A、B、C 3个因素当中 ,影响球团抗压强度的主要因素是 A粘结剂含量 , 其次是因素 C水分加入量,因素 B成型压力对球团的抗压强度影响相对较小。因此要想获得较高抗压强度的球团,首先是选择合适的粘结剂配比。
1.2 各因素对试验结果的影响
为了更清楚的描述各因素对成型后球团抗压强度的影响 ,用各因素分别与该因素下的综合平均抗压强度值做图,见图
图 1 粘结剂加入量、成型压力和水分加入量对球团抗压强度的影响
从图 1可以看出 ,各因素对冷固结球团的抗压强度影响各不相同 ,抗压强度随粘结剂加入量的增加先增加后减少 ;随成型压力增加的变化趋势是一直增加,但增加幅度越来越小 ;水分加入量在 3%以下时 ,对球团的抗压强度影响不大,继续增加水分加入量 ,球团的强度急剧下降。
综合表 2和图 1的分析可以确定水平组合是A3 B4 C2,即粘结剂含量为 6%,成型压力 18 MPa,水分加入量为 2%时的冷固结球团的抗压强度 , 在进行的 16次试验中没有包括此组合 。因此, 继续进行A3 B4 C2水平组合试验, 试验获得的球团烘干后的平均抗压强度为 2723 N。该结果高于试验中的值,因此,是试验条件下的组合 。
(1)通过正交试验分析了粘结剂加入量、成型压力和水分加入量 3个因素对冷固结球团成球抗压强度的影响,试验结果表明粘结剂的加入量对球团的抗压强度影响 ,其次是水分加入量 、成型压力 。
(2)粘结剂对成型后球团抗压强度的影响是先增后减,在加入 6%的糖浆时,成型压力与成型后球团抗压强度的关系是随成型压力的增加 ,球团抗压强度不断增加;水分加入量不大时对球团强度影响也不大, 当含量超过 3%以后,球团强度随水分含量的增加急剧降低 。
(3)用正交试验的方法获得组合 A3B4C2, 即粘结剂含量为 6%, 成型压力 18MPa, 水分加入量为2%。在该工艺条件下球团的平均抗压强度可以达到2 723 N。
