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08
2023
-
06
使用創新的有機粘合劑最大限度地回收鐵礦石顆粒粉料（2）
關鍵詞:
來源：公司內部
3. 結果與討論
3.1. 樣品表征
3.1.1. 化學分析
使用 XRF 技術對所提供球團粉料進行了化學分析，并分析了所有單個元素的百分比。結果表明，球團礦的主要成分是赤鐵礦 (Fe2O3)，占 95.11 wt.%，還有少量的 CaO、SiO2、MnO、MgO、Al2O3（約為 1 wt.%）。
3.1.2. 粒度分布
使用機械篩分機對所提供的球團粉料進行篩分，得到的粒度分布如圖1所示。由此可以推斷，球團粉料主要由尺寸小于 0.063 毫米的極細材料組成。由于較大部分物料的尺寸在 1.0 和 5.6 毫米之間，因此在這種情況下，主要應使用壓塊技術。
圖 1. 球團粉料的粒度分布
3.1.3. 水分含量
供應干燥的球團粉料，水分含量非常有限 (0.03%)，而粘合劑的水分含量相對較高 (5–10%)。
3.2. 粘合劑篩選
為了找到所選粘合劑性能之間的相關性，七種粘合劑的重量均為總重量（20 克）的 1wt.%，并手工壓球。為篩選粘結劑而預先設計的配方見表3。通過比較每個球團的 CCS 和 STS，確定了七種粘合劑對球團強度的影響。使用球團粉料作為基質，制了八種配方。R0 被設為參考配方，該配方僅包含球團粉料，即不含粘合劑。CCS 和 STS 測試分別在壓縮后、24 小時、96 小時、168 小時后以及樣品在 105 °C 的烘箱中干燥 2 小時后進行。水分含量會對混合物的機械性能造成影響，為了優化所需水分含量，測量了壓塊中的水分含量。
表 3. 用于篩選粘合劑而預先設計的配方
| 參數 | 簡稱 | 定義 |
| 綠色抗壓強度 | GCS | 剛生產后的抗壓強度 |
| 空氣抗壓強度 | ACS | 風干7天后的抗壓強度 |
| 干燥抗壓強度 | DCS | 在105 °C下過度干燥2小時后的抗壓強度 |
| 綠色劈裂強度 | GSS | 剛生產后的劈裂強度 |
| 空氣劈裂強度 | ASS | 風干8天后的劈裂強度 |
| 干燥劈裂強度 | DSS | 在105 °C下過度干燥2小時后的劈裂強度 |
從圖 2 和圖 3 可以看出，與其他配方相比，配方 R1 (CB6)、R3 (Kempel)、R5（硅酸鈉）和 R7（木質素磺酸鹽）能夠提供較高的干燥抗壓強度和劈裂強度。由于 200 KN 的高壓實壓力以及由于主要材料中存在更細的顆粒（即球團粉料），球團的致密化良好（生產后材料崩解明顯較少的球團）。從圖 2 和圖 3 中，還可以確認，參考配方在空氣或烘箱中干燥時，強度有所下降。這是因為球團加水了，但缺乏粘合劑來提高顆粒之間的內聚力。在 R1、R3、R5 和 R7 的情況下，所有粘合劑都能有效地與水反應并在顆粒之間產生強大的內聚力，從而提高煤球的 CCS 和 STS。與此相較，在 105 °C 烘箱中干燥 2 小時的球團，與風干煤球相比，具有更高的強度，即干燥抗壓強度（DCS）或干燥分裂強度（DSS）被發現比空氣抗壓強度（ACS）或空氣分裂強度（ASS）占優勢。
圖 2. 所有生產配方的 CCS 變化
圖 3. 所有生產配方的 STS 變化
生坯抗壓強度和劈裂強度是最重要的，以便在生產過程后保證球團只是輕微崩解?？紤]到生坯和干燥抗壓強度，配方 R1、R3、R5 和 R7 是最好的。為便于實驗，僅選擇 CB6、Kempel 和硅酸鈉進行進一步評估。盡管如此，使用木質素磺酸鹽作為有機粘合劑是一個需要進一步研究的領域，因為它是 100% 可再生的。
3.3. 實驗設計結果
選定的三種粘合劑（CB6、Kempel 和硅酸鈉）被認為是八種配方中最好的，它們被輸入到 DOE 軟件（MODDE 版本 13）中，確定了必要的實驗總次數。使用 0–10 wt.% 的水進行初步實驗，結果表明，5 wt.% 的水是最合適的。每當水含量高于 5 wt.% 時，在壓塊過程中多余的水就會從模具中擠出。因此，出于 DOE 的目的，混合物中的水分含量在 0 - 5 wt.%之間變化，壓實壓力在 50 - 200 kN 之間變化，粘合劑含量在 0 - 2 wt.% 之間變化。表 4 為確定最大抗壓強度和劈裂強度的最佳條件而制作的所有配方的組成。
表 4. 將要制作的代表性配方
| 配料編號 | 球團細粉wt.% | CB6, wt.% | Kempel, wt.% | 水玻璃wt.% | 水分wt.% | 壓實壓力wt.% |
| N1 | 100 | 0 | 0 | 0 | 0 | 50 |
| N2 | 98 | 2 | 0 | 0 | 0 | 50 |
| N3 | 98 | 0 | 2 | 0 | 0 | 50 |
| N4 | 96 | 2 | 2 | 0 | 0 | 50 |
| N5 | 98 | 0 | 0 | 2 | 0 | 50 |
| N6 | 96 | 2 | 0 | 2 | 0 | 50 |
| N7 | 96 | 0 | 2 | 2 | 0 | 50 |
| N8 | 94 | 2 | 2 | 2 | 0 | 50 |
| N9 | 95 | 0 | 0 | 0 | 5 | 50 |
| N10 | 93 | 2 | 0 | 0 | 5 | 50 |
| N11 | 93 | 0 | 2 | 0 | 5 | 50 |
| N12 | 91 | 2 | 2 | 0 | 5 | 50 |
| N13 | 93 | 0 | 0 | 2 | 5 | 50 |
| N14 | 91 | 2 | 0 | 2 | 5 | 50 |
| N15 | 91 | 0 | 2 | 2 | 5 | 50 |
| N16 | 89 | 2 | 2 | 2 | 5 | 50 |
| N17 | 100 | 0 | 0 | 0 | 0 | 200 |
| N18 | 98 | 2 | 0 | 0 | 0 | 200 |
| N19 | 98 | 0 | 2 | 0 | 0 | 200 |
| N20 | 96 | 2 | 2 | 0 | 0 | 200 |
| N21 | 98 | 0 | 0 | 2 | 0 | 200 |
| N22 | 96 | 2 | 0 | 2 | 0 | 200 |
| N23 | 96 | 0 | 2 | 2 | 0 | 200 |
| N24 | 94 | 2 | 2 | 2 | 0 | 200 |
| N25 | 95 | 0 | 0 | 0 | 5 | 200 |
| N26 | 93 | 2 | 0 | 0 | 5 | 200 |
| N27 | 93 | 0 | 2 | 0 | 5 | 200 |
| N28 | 91 | 2 | 2 | 0 | 5 | 200 |
| N29 | 93 | 0 | 0 | 2 | 5 | 200 |
| N30 | 91 | 2 | 0 | 2 | 5 | 200 |
| N31 | 91 | 0 | 2 | 2 | 5 | 200 |
| N32 | 89 | 2 | 2 | 2 | 5 | 200 |
| N33 | 94.5 | 1 | 1 | 1 | 2.5 | 125 |
| N34 | 94.5 | 1 | 1 | 1 | 2.5 | 125 |
| N35 | 94.5 | 1 | 1 | 1 | 2.5 | 125 |
使用液壓壓縮測試測量每個配方的三個球團的機械強度，并將結果制成表格。使球團具有最高干燥強度的最佳粘合劑材料是配方 R5（硅酸鈉），無法承受還原過程中球團的開裂和崩解。因此，將有機粘合劑（Kempel 或 CB6）與無機粘合劑（如硅酸鈉）一起添加。最后三個配方（N33、N34 和 N35）是也是在類似條件下生產的，以檢查實驗的復現性。在比較配方 N1–N8 和 N9–N16 時，配方中添加 5 wt.% 的水使配方強度更大。壓實壓力（50 kN 或 200 kN）的影響可以通過分別比較配方 N1–N16 和 N17–N32 來推斷?？梢源_認配方的 CCS 和 STS 受壓實壓力變化的影響最小。最后，從強度圖結果（圖 4 和圖 5）可以確認，配方 N14/N30（CB6 + 硅酸鈉）和 N15/N31（Kempel + 硅酸鈉）是最好的粘合劑組合，在所有配方中具有最高的 CCS 和 STS。需要進行最佳點分析，確定每個配方中壓實壓力、水分百分比和粘合劑重量百分比的綜合影響。此外，最佳點將確定生產具有最高抗壓強度和劈裂抗拉強度的球團的最佳條件。
圖 4. 配方的 CCS 變化
圖 5. 配方的 STS 變化
要檢查模型的有效性，并檢查從 MODDE 分析中獲得的結果的可信度，必須評估擬合圖的結果。構建了所有預期響應的擬合圖結果（圖 6），觀察到每個單獨的響應參數都滿足先決條件，這證實了所獲得的結果是可信的，可進一步分析。R2（必要條件，R2 > 0.5）表示模型是否很好地擬合數據，Q2（必要條件，Q2 > 0.5）指定了預測能力的程度，模型有效性（必要條件，模型有效性> 0.25）考察了模型誤差是否小于實驗誤差，復現性說明了實驗誤差小。
圖 6. 所有預期反應的模型擬合結果
為了優化所有單獨的響應并獲得最高的壓縮和分裂拉伸強度，必須在每個參數變化時分析最佳點的出現。所有響應（GCS、GSS、DCS、DSS、ACS 和 ASS）的最小值、最大值和目標值都輸入到 MODDE 軟件（第 13 版）中，并檢查了最佳點圖。圖 7 和圖 8 說明了當 CB6 + S.S（硅酸鈉）和 Kempel + S.S 分別用作粘合劑時，出現的最佳點。獲得最佳點需要滿足的六個必要標準如表 5 所示。這些標準是根據以前進行的關于氧化鐵皮壓塊的研究工作[21]選擇的。
圖 7. 將 CB6 和硅酸鈉 (S.S) 用作粘合劑材料時的最佳點圖：(a) 0% 水分，50 kN 壓力 (b) 0% 水分，125 kN 壓力 (c) 0% 水分，200 kN 壓力 (d) 2.5% 水分，50 kN 壓力 (e) 2.5% 水分，125 kN 壓力 (f) 2.5% 水分，200 kN 壓力 (g) 5% 水分，50 kN 壓力 (h) 5% 水分，125 kN 壓力 (i) 5% 水分，200 kN 壓力。
圖 8. 將 Kempel 和硅酸鈉 (S.S.) 用作粘合劑材料時的最佳點圖：(a) 0% 水分，50 kN 壓力 (b) 0% 水分，125 kN 壓力 (c) 0% 水分，200 kN 壓力 (d) 2.5% 水分，50 kN 壓力 (e) 2.5% 水分，125 kN 壓力 (f) 2.5% 水分，200 kN 壓力 (g) 5% 水分，50 kN 壓力 (h) 5% 水分，125 kN 壓力 (i) 5% 水分，200 kN 壓力。
表 5. 獲得甜蜜點需要滿足的標準
| 材料 | 配料序號 | |||||||
| R0 | R1 | R2 | R3 | R4 | R5 | R6 | R7 | |
| 球團細粉 | 100 | 99 | 99 | 99 | 99 | 99 | 99 | 99 |
| CB6 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| FE14 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Kempel | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 淀粉 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 硅酸鈉 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 木質素 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 木質素磺酸鹽 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
壓實壓力的影響可以從圖 7a、b、c（同樣，圖 7d、e、f 和圖 7g、h、i）和圖 8a、b、c（同樣，圖 8d、e、f 和圖 8g、h、i）推斷出來。從圖 7 中可以看出，在壓力上升的過程中，有更多的標準得到滿足，這證實了壓實壓力的上升對優質球團是有利的。同樣，水分含量的影響可以從圖 7a、d、g（同樣圖 7b、e、h 和圖 7c、f、i）和圖 8a、d、g（同樣圖 8b、e ,h 和圖 8c,f,i)推斷出來?？梢钥闯?，隨著水分含量的增加，更多的標準得到滿足。隨著水分含量從 0% 增加到 5%，符合標準的數量增加并最終達到最佳點，在一定的粘合劑組合物下，所有的標準都得到滿足。影響球團強度的最關鍵參數是水分含量，因為含水量為0或2.5%時不可能獲得最佳點，只有 5%時可以，而在壓實壓力方面，即使為較低的壓實壓力50KN，含水量為5%時也能獲得最佳點。從圖 7 和圖 8 中還可以確定，與 Kempel 相比，CB6 即使在 50 kN 的較低壓實壓力下也能達到所需的球團強度。
因此，從最佳點圖中可以看出，在這兩種情況下，可以確定實現預期強度的條件是生產水分含量為 5% 的球團，并根據壓實壓力選擇盡可能低的粘合劑含量。為了對兩種情況下生產的煤球進行很好的比較，選擇了125KN的壓實壓力，在混合物中加入1.5重量％的有機粘合劑（CB6或Kempel）和0.5重量％的無機粘合劑進行壓制。在混合物中添加少量無機粘合劑以達到主要的熱強度，因為大多數有機粘合劑在高溫下會分解。
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