通过使用优化的粘合剂系统，将蓝色粉尘细粒通过复合造粒工艺进行利用

《Powder Technology》：Utilization of blue dust fines through composite pelletization using an optimized binder system

制备高炉级复合球团过程中，通过添加有机粘合剂部分替代 bentonite 优化粘合剂系统，解决了蓝粉（BD）因超细颗粒（<100μm）、脆性高、疏水性导致的成球困难问题，最终实现冷压强度≥250kg/球且孔隙率≡26%的合格球团。

　　

Kashinath Barik|Pallishree Prusti|Nikhil Ranjan Dash|Ipsita D. Behera

印度奥里萨邦Sarang 759146，英迪拉·甘地理工学院化学工程系

摘要

由于蓝尘（BD）颗粒的粒度极细（<100微米）、粒径分布不均匀、脆性高且具有疏水性，通过造粒技术将其利用是一项具有挑战性的任务。本研究尝试使用适量的焦粉、膨润土/有机粘合剂系统以及石灰石，从BD铁矿石粉中制备高炉（BF）级复合颗粒。在造粒过程中，部分替代了膨润土，使用了有机粘合剂（OB）。通过对比实验验证了有机粘合剂的性能。将铁矿石与BD粉按70:30的重量比混合，制备了铁矿石颗粒原料（含61.43%的铁、3.52%的二氧化硅、2.8%的三氧化二铝和3.36%的挥发分）。通过落球试验、热震测试和抗压强度测量，评估了粘合剂系统及添加剂对生颗粒和烧结颗粒的化学及物理性质的影响。研究发现，通过添加100克/吨的有机粘合剂，可以将所需的膨润土用量从15克/吨降低到5克/吨，从而在不影响颗粒必要性能的前提下，减少二氧化硅和氧化铝的比例。多种矿物学分析方法（包括FTIR、TG-DTA、XRD和SEM-EDS）以及冶金性能测试（如Si、RI和RDI）有助于实现标准的高炉级烧结颗粒。

引言

为应对全球钢铁需求的增长，钢铁行业正在探索除高品位矿石之外的替代铁矿石资源。蓝尘（BD）粉是一种可行的选择，其中含有高品位的软质赤铁矿粉，其成分检测结果显示Fe₂O₃含量超过90%，SiO₂含量为1.5–3.0%，Al₂O₃含量为0.5–1.5% [1]，[2]。蓝尘通常以不同尺寸的团块形式存在，厚度可达25米，主要分布在条带状铁矿（BIF）的围岩中 [3]，[4]，[5]。这种颗粒富含铁，呈钢蓝色，具有闪亮的金属光泽和结晶表面，但由于运输问题，通常被作为废弃物丢弃在矿场。尽管铁含量高，但由于其平均粒度仅为100–150微米，且粒径分布不均匀、片状结构、高度脆性和疏水性，直接用于钢铁生产存在困难。因此，需要通过烧结和造粒工艺对其进行团聚处理，可使用合适的粘合剂，单独使用或与高品位铁矿石结合使用。已有研究利用蓝尘粉作为颗粒原料进行造粒：Pal等人（2016年）通过70:25:5的比例混合蓝尘、易碎矿石和硬质矿石制备出了高炉级颗粒 [1]；Pal等人（2018年）还建议在造粒过程中加入赤铁矿粉以改善颗粒的结合性能 [6]；Sahoo等人（2025年）使用印度奥里萨邦某矿区的蓝尘粉和膨润土（0.25–1%），在1300℃的固化温度下制备了粒径分布较窄的颗粒 [5]。研究表明，要获得足够的冷抗压强度（≥250公斤/颗粒）和适当的孔隙率（约26%），必须减少膨润土的用量。

引言（续）

为满足不断增长的钢铁需求，钢铁行业正在探索替代铁矿石资源。蓝尘粉是一种含有高品位赤铁矿粉的替代品，其Fe₂O₃含量超过90%，SiO₂含量为1.5–3.0%，Al₂O₃含量为0.5–1.5% [1]，[2]。蓝尘通常以不同尺寸的团块形式存在，厚度可达25米，主要分布在条带状铁矿（BIF）的围岩中 [3]，[4]，[5]。这种颗粒富含铁，呈钢蓝色，具有金属光泽和结晶表面，但由于粒度细小、粒径分布不均匀、易碎且疏水性强，通常被作为废弃物处理。由于其粒度特性和较差的团聚性，直接用于钢铁生产存在困难。因此，需要通过烧结和造粒工艺对其进行团聚处理，可使用合适的粘合剂，单独使用或与高品位铁矿石结合使用。已有研究利用蓝尘粉作为颗粒原料进行造粒：Pal等人（2016年）通过70:25:5的比例混合蓝尘、易碎矿石和硬质矿石制备出了高炉级颗粒 [1]；Pal等人（2018年）还建议在造粒过程中加入赤铁矿粉以改善颗粒的结合性能 [6]；Sahoo等人（2025年）使用印度奥里萨邦某矿区的蓝尘粉和膨润土（0.25–1%），在1300℃的固化温度下制备了粒径分布较窄的颗粒 [5]。研究表明，要有效利用蓝尘粉，需要特别关注其与其他铁矿石的混合比例，并需要大量外部粘合剂来获得符合高炉级要求的颗粒性能。

铁矿颗粒造粒过程

铁矿颗粒造粒分为两个阶段：生颗粒制备和烧结。许多研究人员研究了生颗粒的制备机制和方法 [7]，[8]，[9]，[10]。生颗粒制备是通过合适的粘合剂在造粒机中生产粒度范围狭窄（8–12毫米，大于85%）的颗粒，使其具有球形、适当的表面水分（≤10%）及其他理想的性能 [11]，[12]，[13]，[14]，[15]。然而，过量添加粘合剂可能导致颗粒变小 [15]，[16]。生颗粒必须具备足够的强度以承受搬运、运输和热处理过程中的变形。颗粒的烧结过程根据原料的矿物组成提供所需的强度 [16]，[17]。这种造粒方法能够保持颗粒尺寸的一致性，具有优异的冶金性能和较高的物理强度 [18]，[19]。

文献报道，在铁矿颗粒制备过程中使用了各种有机或无机粘合剂，或它们的组合。常用的无机粘合剂包括膨润土、硅酸钠、石灰和消石灰等，有机粘合剂包括淀粉、沥青、糊精和葡萄糖等 [12]，[14]，[20]。几十年来，膨润土作为传统粘合剂被广泛使用，它与蒙脱石形成的水合铝硅酸盐层结合使用。膨润土的亲水胶体性质使其能够吸收水分，在氧化铁颗粒间扩散并形成粘合剂。它在颗粒形成的各个阶段提供足够的强度，价格低廉且易于获取。然而，过量使用膨润土可能会影响颗粒的形成速度，并因增加不必要的二氧化硅和氧化铝含量而降低铁的价值。二氧化硅会在1050–1200℃范围内形成玻璃状硅酸盐层，阻碍铁晶须的生长 [21]；氧化铝的存在会妨碍烧结过程中的渣体形成，导致赤铁矿颗粒的抗压强度降低 [22]。钢铁生产过程中需要去除硅酸盐杂质，因此再次使用二氧化硅作为粘合剂效果不佳 [15]，[23]，[24]，[25]，[26]，从而影响高炉的整体性能。因此，除非寻找替代品，否则优化膨润土的用量至关重要。一些文章探讨了减少膨润土用量的方法 [27]，[28]，[29]。另一方面，有机粘合剂由于用量低、杂质少，并能在颗粒形成的各个阶段与铁矿石颗粒形成强粘合，可作为替代品。由于有机粘合剂对氧化铁表面的亲和力高于二氧化硅，将其与膨润土结合使用可以提高颗粒的强度，从而减少膨润土的用量。文献指出，使用有机粘合剂进行铁矿团聚比使用含高量二氧化硅和氧化铝的传统粘合剂更有效 [29]，[30]，[31]，[32]。有机粘合剂通常不含SiO₂和CaO等无机成分。一些天然有机粘合剂被用于团聚过程，例如Peridur?、Ciba?、Alcotac?、CMC（羧甲基纤维素）、淀粉（玉米淀粉、马铃薯淀粉、小麦粉）、糊精和胶水等 [27]，[33]。为了提高铁含量并减少非铁化合物，人们尝试用有机聚丙烯酰胺基粘合剂替代膨润土 [30]。Sivrikaya和Arol（2010年）研究了使用糊精（2%）和dextrin（2.5%）以及膨润土（1%）或水泥（4%）来制备铁矿颗粒 [34]；Sivrikaya和Arol（2011年）再次证明，将有机粘合剂与硼酸盐结合使用可以改善磁铁矿颗粒的性能 [35]。Villanueva等人（2012年）开发并申请了Alcotac? CS专利，这是一种具有独特粘度特性的丙烯酸类三元聚合物，可显著提升聚合物-膨润土组合的性能 [36]。Ammasi和Pal（2016年）研究了钠木质素磺酸盐（Na-LS）和铜冶炼渣（Cu-SS）的复合粘合剂，用于替代膨润土以改善赤铁矿颗粒的性能 [37]。Pal等人（2022年）证明，使用来自纸浆工业的钙和钠木质素磺酸盐（Ca-LS和Na-LS）基有机粘合剂可以提高赤铁矿颗粒的强度 [38]。Navaei等人（2025年）的综述指出，通过有机粘合剂与无机粘合剂的组合，可以改善铁矿颗粒的粘结性能、降低孔隙率并提高抗压强度；然而，未经实验室规模验证的复合造粒技术在商业规模上实现高炉级颗粒存在技术挑战 [39]。由于蓝尘粉的粒度细小和团聚性差，其生颗粒和干颗粒的性能较低，这对工业化应用构成挑战。使用有机粘合剂或膨润土-有机粘合剂复合系统可以减少生颗粒和干颗粒的热裂纹；但这需要优化矿石的矿物组成、粘合剂表面化学性质和原料成分。尽管如此，由于配方复杂和材料成本较高，选择复合粘合剂系统在工业化应用中仍是一个关键问题。

现有文献报道了多种利用蓝尘粉与其他铁矿石资源和工业废弃物混合造粒的方法。鉴于蓝尘粉的丰富性和高铁含量，充分利用这些颗粒至关重要，这需要创新的工艺和技术。需要一种可持续的粘合剂系统，既能克服蓝尘粉在造粒和干燥过程中的疏水性，又不会因单独使用膨润土而降低颗粒的铁含量。本研究采用膨润土和有机粘合剂组合系统来造粒蓝尘粉，并研究了这种粘合剂系统在颗粒制备不同阶段的化学、物理、矿物学和冶金性能方面的协同效应。实验结果通过多种分析技术得到验证，包括热重分析（TGA）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM-EDS）。优化后的粘合剂系统能够利用蓝尘粉制备出高炉级烧结颗粒。

材料

铁矿粉（I）和蓝尘粉（BD）来自印度恰蒂斯加尔邦Jagdalpur的矿区。样品分别在工业球磨机中处理，将其粒度降至<150微米。表1显示了通过经典湿化学方法和高温马弗炉测得的样品（I和BD粉）的化学成分（铁、三氧化二铝和二氧化硅）以及挥发分（LOI）。蓝尘粉与铁矿粉按20%、30%的比例混合。

结果与讨论

利用蓝尘粉制备生颗粒是本研究的关键步骤。同时，颗粒原料的粒径分布对生颗粒的形成有显著影响。如Sahoo等人（2025年）所述，当颗粒粒度保持在较窄范围内（?150±75微米）时，颗粒存在因收缩而碎裂的风险 [5]。

结论

本研究深入探讨了利用改进的粘合剂系统制备高炉级颗粒的最佳方法。最多可使用30%的蓝尘粉与铁矿石混合。研究结论如下：

• •
  使用由膨润土和有机粘合剂（100克/吨）组成的粘合剂系统，制备出了质量良好的生颗粒和干颗粒。

作者贡献声明

Kashinath Barik：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法验证、数据整理、概念构思。Pallishree Prusti：初稿撰写、项目管理、数据整理、概念构思。Nikhil Ranjan Dash：方法研究、实验设计。Ipsita D. Behera：资源获取、数据分析。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。