2.6　球团粘结剂

粘结剂能改善物料的成球性能、生球干燥和焙烧球团的性能，最主要的一种粘结剂就是水。

2.6.1　无机粘结剂

球团生产中使用的无机粘结剂有膨润土（也叫皂土）、消石灰、水泥等，现代化球团生产中常用的粘结剂主要有膨润土和消石灰两种，普遍使用的是膨润土，是一种含水铝硅酸盐，如图2-7。

作为粘结剂的物质必须具备以下性质。

①亲水性强、比表面积大、遇水后能高度分散。因此，它能改善球团混合物料的亲水性和提高混合料的比表面积。

②粘结性好，而且由于它的加入能很好地改善成球物料的粘结性，也就是说它的这种粘结性还能在别的物料颗粒之间起到传递作用。因而，它的极小加入量就能有效地改善成球物料的粘结性。

③由于它的加入不至于影响造球以后工序（如生球干燥、焙烧、球团矿质量及环境保护等）的顺利进行。

④货源容易解决，加工处理方便，价格便宜。

常用无机粘结剂主要是含钙、铝和硅等元素的粘结剂，包括膨润土、水玻璃、消石灰、石灰石、水泥和白云石。我国的无机粘结剂主要为膨润土。

膨润土的主要矿物成分蒙脱石[Al2（Si4O10）（OH）2·nH2O]具有层状结构、阳离子吸附交换能力和很强的水化能力，其晶格结构分层排列见图2-7。蒙脱石晶层间能够吸收大量水分，吸水后晶层间距明显增大，膨润土剧烈膨胀。膨润土又称含水铝硅酸盐，理论化学成分是SiO2占66.7%、Al2O3占28.3%，属于羟基组分的结构水（H2O）占5%。根据层间阳离子的不同，膨润土主要分为钙基膨润土和钠基膨润土。用于球团粘结剂的优质膨润土，蒙脱石含量应在80%以上。

自然界中膨润土主要以钙基膨润土的形式存在，一般来说钙基膨润土膨胀能力差，而且在水溶液中黏度也较小，而钠基膨润土则具有更好的粘结性能，因此常对钙基膨润土进行人工钠化处理。通常利用原土中的Ca2+和Mg2+可被Na+置换的离子交换特性，采用碳酸钠等将钙基膨润土进行钠化。活化后的钠基膨润土膨胀率加大，根据活化程度不同，膨胀率可以达到600%～900%，而天然钙基膨润土的膨胀率仅有200%～300%。我国部分地区膨润土的化学全量分析见表2-3。

膨润土的物理化学性能：

①吸湿性强：膨润土具有较强的吸湿性，能吸附8～15倍于自己体积的水量；

②膨胀系数大：膨润土吸水后膨胀，能膨胀数倍至30倍于自己的体积；

③高分散性，比表面积大：分散后的膨润土具有巨大比表面积，理论值可达600～900m2/g；

④具有较强的可塑性和较好的粘结性；

⑤有较强的阳离子交换能力；

⑥有较强的吸附能力：膨润土对气体、液体、有机物质等具有一定的吸附能力，最大吸附量可达5倍于它的质量。

膨润土的粘结性能指标见表2-4。

2.6.1.1　膨润土物理性能指标

球团用膨润土物理性能指标见表2-5。

（1）吸蓝量　膨润土在水溶液中吸附亚甲基蓝（分子量310）的能力为吸蓝量。它以100g膨润土吸附亚甲基蓝的克数表示。操作步骤：

①取试样0.2g（准确至0.001g），置于已加入50mL蒸馏水的锥形瓶中。再加20mL 1%的焦磷酸钠水溶液，摇匀后在电炉上加热5min，再自然冷却至室温。

②滴定管加入0.2%亚甲基蓝水溶液约为预计量的2/3，以后每加0.5mL要摇动30s。用玻璃棒蘸一滴溶液在中性滤纸上，观察在深蓝色斑四周有无出现淡蓝色晕环。若未出现，继续滴加亚甲基蓝水溶液，直到出现明显的淡蓝色晕环为止。

计算公式：

式中　M——吸蓝量，g/100g膨润土；

c——亚甲基蓝溶液浓度，g/mL；

G——试样质量，g；

V——滴定时用去亚甲基蓝溶液体积，mL。

（2）蒙脱石含量　蒙脱石含量高，阳离子交换量高，膨胀倍数大，吸水率高。

测定蒙脱石含量常用的方法是利用亚甲基蓝的吸附作用进行间接的测定。根据X射线衍射物相分析，100g蒙脱石含量为100%的人工提纯的钙基蒙脱石，吸附亚甲蓝量为44.2g，所以试样中蒙脱石的相对含量可通过测定亚甲基蓝含量（g/100g）计算：

蒙胶石含量=（M/44.2）×100%

式中　M——吸蓝量，g/100g土。

（3）吸水率　反映膨润土质量的最重要的指标，一般以2h膨润土单位质量吸水质量来计算。

吸水率是参考美国一些球团厂膨润土质量检测法，采用简易方法测定的。具体操作步骤如下：

①将铁盆装满水，然后将多孔砖浸泡水中，使多孔砖吸足水；

②保持铁盆内水面低于多孔砖上表面5mm，在测定过程中始终保持此水位；

③在1/1000g天平上称出称样瓶质量m1；

④将滤纸放在吸足水的多孔砖上，让它也吸足水后，放在称样瓶内并盖好盖子，防止在称重过程中水分挥发，称出湿滤纸和称样瓶的质量m2；

⑤将滤纸放回多孔砖上，称2g已烘干的膨润土，均匀地撒在滤纸上，在室温下静放2h，取出滤纸和试样，放在称样瓶内称出总质量m3，则膨润土吸水质量为m4=m3-m2-2。

计算方法：

η=100×（m4/G）

式中　η——吸水率，%；

m4——吸水质量，g：

G——已烘干的膨润土质量，g。

（4）膨胀容　膨润土的膨胀性能以膨胀容表示，膨润土在稀盐酸溶液中膨胀后的容积称为膨胀容，以毫升/克样表示。钠基膨润土比钙基、酸性膨润土的膨胀容高；同一属型的膨润土，含蒙脱石愈多，膨胀容愈高。膨胀容是鉴定膨润土矿石属型和估价膨润土质量的技术指标之一，单位为mL/g。

测定方法：称烘干后的试样1g倒入容量为100mL、直径为25mm的带塞量筒中，然后加蒸馏水接近75mL和浓度为1moL/L的HCl溶液25mL，而后再小心滴入蒸馏水至100mL，摇晃2～3min后，静放24h（使其沉淀），读出沉淀界面的刻度值，即为膨胀倍数。

（5）胶质价　膨润土与水按比例混合后，加适量氧化镁，使其凝聚形成的凝胶体的体积，称为胶质价。

以15g样形成凝胶的体积的毫升数表示。胶质价显示试样颗粒分散与水化程度，是分散性、亲水性和膨胀性的综合表现，它的大小与膨润土矿的属型和蒙脱石含量密切相关，钠基比钙基、酸性膨润土的胶质价高，同一属型的膨润土，含蒙脱石愈多，胶质价愈高。所以，胶质价是鉴定膨润土矿石属型和估价膨润土质量的技术指标之一，单位：mL/15g。

胶质价是膨润土和一定比例的水混合所形成的凝胶层占整个体积的百分数。表明膨润土中含有多少蒙脱石的参数，也是膨润土膨胀性能的间接标志。

测量方法：

①主要仪器与试剂　带塞量筒（100mL，直径约25mm）；氧化镁（轻质、盒装，化学原料）。

②操作步骤　a.称取15.00g试样于已加入50～60mL水的100mL的带塞量筒内，再加水至90mL左右。b.盖紧塞子，摇晃5min左右，使试样充分散开与水混匀，在光亮处肉眼观察，无明显颗粒团块即可。如未分散好，继续摇至全部散开为止。c.打开塞子，加入1.00g氧化镁，加水至100mL处，再盖上塞子，摇晃3min。d.将量筒放置于不受振动的台面上，静置24h，读出凝胶体界面的刻度值，即为胶质价，以mL/15g土表示。

③讨论　a.氧化镁于空气中，容易吸收二氧化碳而变质，故应保存于密闭瓶或干燥器内。b.摇动是为了使试样充分散开，与水混匀。不论采用手工或其他操作，均应使试样在水中充分散开甚是关键。c.某些高胶体性能的膨润土，3g土样（加氧化镁0.2g）即可达到接近100mL，这类土样的胶质价为3g土样的量筒刻度读数×5。

（6）膨润土的分类　目前常按晶层间吸附阳离子Na+和Ca2+数量的不同来划分膨润土类型，即吸附Na+为主时称钠基膨润土，吸附Ca2+为主时称钙基膨润土，当H+占优势时，称氢基膨润土（见表2-6）。

ΣNa+/ΣCa2+>1.2称钠基膨润土；

ΣNa+/ΣCa2+<1称钙基膨润土；

介于之间称为Na～Ca基或Ca～Na基膨润土。

2.6.1.2　膨润土的活化（钠化）

作为球团生产的粘结剂，最有效的是钠基膨润土。

所谓活化就是将非钠基膨润土经加入所谓的活化剂，处理后变成钠基膨润土（因此膨润土的活化又称为膨润土的改型），如图2-8所示。其原理就是利用膨润土吸附阳离子的交换性能，即一种交换性阳离子能被另一种变换性阳离子所置换。

钠化使用的活化剂为工业Na2CO3（苏打、纯碱），其反应为：

Ca2++Na2CO3 CaCO3↓+2Na+

Ca2++2NaOHCa（OH）2↓+2Na+

Mg2++2NaOHMg（OH）2↓+2Na+

Na+便吸附在膨润土的晶层和颗粒的边缘，变成了钠型膨润土。活化后的膨润土与天然的钠型膨润土的性能相近。钠质膨润土与钙质膨润性能比较见表2-6。

2.6.1.3　膨润土在球团生产中的作用

①由于膨润土的分散性能好（钠基膨润土的胶质价一般在90%以上，钙基膨润土一般为50%），比表面积大，亲水性很强，故它的成球性能好。在膨润土、消石灰、黏土、高岭土、石灰等几种常见的添加剂中，以膨润土的成球性能最强。

②由于膨润土是极细颗粒的集合体，在造球过程中易于吸水膨胀并分解成片状组分，加之它还具有良好的粘结性，因此有助于使母球形成稳定的结构，提高了母球强度和降低了球团长大速度。因而提高了生球强度（抗压强度和落下强度）。

③加入膨润土后，球团的气孔率和平均粒度降低，球团中矿粒之间的致密程度增加。因此在湿球干燥后，由于矿粒之间的分子引力增加，提高了干球的强度。

④由于膨润土粉末在毛细压力的作用下能限制水从球团内逸出，加之膨润土的片状结构表面带有大量负电荷，对周围的水具有一定的引力，因而能降低球团矿的脱水速率。脱水速率的降低意味着能使球团在干燥时可以经受较大的温度波动，特别是高温的冲击。不致在生球干燥时形成过湿层而降低生球强度，也不会因水分过快逸出造成过大的内压力而使球团爆裂。

⑤膨润土的加入，为球团的干燥、预热和焙烧创造了良好的条件，因而能促使球团充分固结，提高成品球质量。

2.6.2　有机粘结剂

有机粘结剂来源广泛，包括沥青类物质，如煤焦油或沥青，植物类产品，如从各种植物中提取的淀粉，或者是加工处理后的最终产品，如糖浆或木质磺酸盐类。由于膨润土的添加会造成球团铁品位的下降，寻找新型粘结剂代替膨润土，以提高铁矿球团的含铁品位，早已成为国内外瞩目的研究课题。

有机粘结剂比传统的无机粘结剂具有用量小、带入有害杂质少、环境污染小、添加方便等优点。

①羧甲基纤维素钠（又称CMC）/佩利多（Peridur）。

②海藻酸钠（又称褐藻酸钠）。

③聚丙烯酰胺及其共聚物。

④KLP球团粘结剂。

⑤WKD系列粘结剂。