鄭 萬，溫正勇，李光強(qiáng) ， 吳勝利 ，姚增遠(yuǎn)

(1.武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430081；2.攀枝花鋼城集團(tuán)有限公司冶金輔料分公司，四川 攀枝花，617023)

空心球狀顆粒保護(hù)渣具有良好的流動性和保溫性，各冶金輔料廠已普遍采用噴霧成型工藝進(jìn)行生產(chǎn)。保護(hù)渣在運(yùn)輸和使用過程中不可避免受到外力作用，保護(hù)渣顆粒應(yīng)具有一定抗壓能力，避免或減少顆粒破碎而影響其使用性能[1-2],因此，研究噴霧成型顆粒保護(hù)渣強(qiáng)度的影響因素并對其進(jìn)行改善具有實(shí)用意義。噴霧干燥成型所制保護(hù)渣顆粒強(qiáng)度與原料粒度、黏結(jié)劑、保護(hù)渣粒度及形貌等因素有關(guān)。丁湘等[3]研究發(fā)現(xiàn)噴霧造粒成型工藝生產(chǎn)的小顆粒ZrO2比其大顆粒容易破碎，Stephan等[4]和鐘余發(fā)等[5]指出保護(hù)渣顆粒形貌與噴霧干燥出口溫度有關(guān)，賀征等[6]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，球形度好的鋁顆粒受到阻力最小，Liu等[7]對鎢粉顆粒度調(diào)節(jié)發(fā)現(xiàn)較為致密的堆積結(jié)構(gòu)，程齊軍等[8]研究不同粒徑銅粉燒結(jié)顆粒發(fā)現(xiàn)，粒徑越大，Cu基熱管芯孔隙度越大且強(qiáng)度越小，劉體鋒等[9]發(fā)現(xiàn)顆粒孔隙度大及鏤空現(xiàn)象會降低顆粒強(qiáng)度，吳自敏等[10]通過修補(bǔ)空心球表面裂紋和斷面空洞的方法來提高空心球的強(qiáng)度，陳許玲等[11]改進(jìn)細(xì)磨及潤磨工藝，通過減小原料粒度、增加接觸幾率、增強(qiáng)反應(yīng)的方法來減小預(yù)熱團(tuán)塊孔隙率，增加顆?？箟簭?qiáng)度。

由于噴霧干燥成型顆粒保護(hù)渣的強(qiáng)度形成機(jī)制不同于固相或液相燒結(jié)，有關(guān)此類保護(hù)渣強(qiáng)度影響機(jī)理研究較少，為此，本文設(shè)計(jì)3組不同保護(hù)渣原料配比及球磨時間方案，試制出不同粒徑及粒度分布的保護(hù)渣顆粒，研究保護(hù)渣顆粒強(qiáng)度的影響因素并探討其機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 不同粒度保護(hù)渣設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)3組保護(hù)渣泥漿，通過對保護(hù)渣原料配水比、黏結(jié)劑含量、分散劑含量及球磨時間的調(diào)節(jié)，試制出不同粒徑及粒度分布的保護(hù)渣顆粒。保護(hù)渣原料配比及球磨時間設(shè)計(jì)方案如表1所示。表1中，設(shè)3#組保護(hù)渣中黏結(jié)劑含量、分散劑含量及球磨時間指數(shù)為1，其他組各項(xiàng)指數(shù)均為其與3#組中對應(yīng)項(xiàng)指標(biāo)含量的比值。

表1保護(hù)渣原料配比及球磨時間設(shè)計(jì)方案

Table1Maincompositionsandmillingtimeofexperimentalmouldfluxes

/%()()()1#40.51.6522#40.51.441.43#42.5111

1.2 檢測分析

1.2.1 保護(hù)渣顆粒粒度分布

稱取100 g保護(hù)渣試樣，經(jīng)多篩層(20、30、50、70目)篩選，稱量計(jì)算保護(hù)渣顆粒粒度分布。記粒徑為0.2～0.3、0.3～0.6 、0.6～0.8 mm的保護(hù)渣分別為小顆粒、中顆粒和大顆粒保護(hù)渣。

1.2.2 保護(hù)渣顆粒強(qiáng)度

1.2.3 SEM分析

取中顆粒保護(hù)渣部分試樣，用特殊方法進(jìn)行人工破碎，篩選出各粒度范圍下限的破碎試樣，對破碎和未破碎試樣用XL30掃描電鏡檢測。

2 結(jié)果與討論

2.1 原料配比對保護(hù)渣顆粒粒度分布的影響

保護(hù)渣粒度分布如圖1所示。從圖1中可看出，中等顆粒分布比率約占總量60%，1#保護(hù)渣中大顆粒比率約占總量40%，1#保護(hù)渣顆粒平均粒度較大。如表1所示，1#、2#和3#保護(hù)渣中黏結(jié)劑和分散劑的加入比例依次減少，3#保護(hù)渣中加水比例較高。加入適當(dāng)黏結(jié)劑和分散劑可使原料懸浮在液相中互不接觸，從而增加流動性，過多的黏結(jié)劑和分散劑可使泥漿黏度增加[13]。1#保護(hù)渣中黏結(jié)劑和分散劑加入最多，原料間黏結(jié)較緊密，噴霧形成的霧滴較大，成型后保護(hù)渣顆粒總體粒度偏大。因此，加入適中的黏結(jié)劑和分散劑，有利于減小原料間的黏滯力和霧滴粒徑，使噴霧成型后的保護(hù)渣顆?？傮w粒度趨小。

圖1 保護(hù)渣粒度分布

2.2 保護(hù)渣顆粒粒度對其強(qiáng)度的影響

不同保護(hù)渣粒度分布下的破碎率如圖2所示。0.3～0.6 mm和0.6～0.8 mm顆粒保護(hù)渣的平均破碎率和綜合破碎率如表2所示。從圖2中可看出，中顆粒保護(hù)渣破碎率為大顆粒保護(hù)渣破碎率的1/2左右，這表明中等顆粒保護(hù)渣強(qiáng)度較大。中顆粒中，1#和2#保護(hù)渣顆粒破碎率為3#保護(hù)渣顆粒破碎率的2/3左右。從表2中可見，從綜合破碎率看，1#保護(hù)渣強(qiáng)度>2#保護(hù)渣強(qiáng)度>3#保護(hù)渣強(qiáng)度；從平均破碎率看，2#保護(hù)渣強(qiáng)度較1#和3#保護(hù)渣強(qiáng)度大。上述結(jié)果表明，增加中等顆粒比率可有效提高保護(hù)渣顆粒總體強(qiáng)度。

圖2 不同粒度分布下保護(hù)渣的破碎率

Table2Comprehensiveandaveragebreakageratesofthemouldfluxes

/%/%1#6.47.3382#4.67.8943#6.510

2.3 保護(hù)渣顆粒形貌對其強(qiáng)度的影響

1#保護(hù)渣顆粒形貌如圖3所示。從圖3中可看出，大顆粒保護(hù)渣表面孔洞較大，凹陷較多；中顆粒保護(hù)渣表面孔洞較小，凹陷較少。經(jīng)掃描電鏡分析可知，大顆粒保護(hù)渣孔洞尺寸是小顆粒保護(hù)渣孔洞尺寸的2～4倍。保護(hù)渣表面孔洞的形式可結(jié)合其成型過程(見圖4)予以解釋，保護(hù)渣霧滴進(jìn)入降速蒸發(fā)階段，其表面已結(jié)殼而形成相對封閉空間，當(dāng)內(nèi)壓大于外壓時形成表面孔洞[14]；霧滴處在降速蒸發(fā)階段，液滴表面干燥速率不小于內(nèi)部液體的擴(kuò)散與對流傳遞速率時，其表面雖已結(jié)殼，但殼內(nèi)仍含有液滴，由于內(nèi)壓趨近外壓，使已成型的顆粒外層不至破裂；成型后，其內(nèi)部水分繼續(xù)蒸發(fā)，原本水分殘留的空間形成空心，顆粒因內(nèi)外壓差收縮形成凹陷[15]。兩類粒度保護(hù)渣顆粒受力狀況如圖5所示。從圖5中可看出，大顆粒保護(hù)渣顆?？锥摧^大，其所受剪切力較大，從孔洞對稱處斷裂的可能性大；小粒徑保護(hù)渣顆粒表面孔洞小且球形度好，所受剪切力較小，因而其抗壓能力較大。這是由于保護(hù)渣表面凹陷斷面處較少有或無顆粒填充，使得保護(hù)渣顆粒受壓時易從凹陷處先破碎，然后從該處對稱面先破碎。因此，大顆粒保護(hù)渣強(qiáng)度比中顆粒保護(hù)渣強(qiáng)度低的主要原因是大顆粒保護(hù)渣表面存在受力狀態(tài)差的大孔洞和凹陷。

(a)0.6～0.8 mm 顆粒

(b) 0.3～0.6 mm顆粒

圖4 保護(hù)渣成型過程示意圖

(a) 0.6～0.8 mm 顆粒

(b) 0.3～0.6 mm顆粒

Fig.5Mechanicalanalysisofmouldfluxwithdifferentparticlesizes

2.4 保護(hù)渣顆粒斷面致密度對其強(qiáng)度的影響

0.3～0.6 mm保護(hù)渣顆粒斷面如圖6所示。由圖6中可看出，顆粒斷面致密度由大到小排序?yàn)椋?1#保護(hù)渣、2#保護(hù)渣、3#保護(hù)；3#保護(hù)渣顆粒斷面大孔隙周圍有17 μm×31 μm似長方形大顆粒存在，其周圍無細(xì)小顆粒填充，該處斷面形成以29 μm×31 μm似長方形為底的矩形空間(圖6(c))，這使得顆粒受壓時易從該處破碎，而后從該孔洞對稱面破碎?？梢?，0.3～0.6 mm保護(hù)渣顆粒斷面致密度是其強(qiáng)度的主要影響因素。

(a) 1#保護(hù)渣

(b)2#保護(hù)渣

(c)3#保護(hù)渣

Fig.6Sectionalviewofmouldfluxeswithparticlesizeat0.3～0.6mm

2.4.1 黏結(jié)劑、分散劑和水分含量對顆粒斷面空洞尺寸的影響

保護(hù)渣顆粒斷面空洞尺寸與黏結(jié)劑、分散劑和水分含量有關(guān)。霧滴在恒速蒸發(fā)階段，其黏結(jié)劑、分散劑和水分含量較多，其水分蒸發(fā)為原料顆粒移動提供較大動力，使原料顆粒外移摩擦阻力減小，較小的原料易優(yōu)先移動到外表面，熔融冷卻后形成外殼；霧滴進(jìn)入降速蒸發(fā)階段，黏結(jié)劑、分散劑和水分減少，內(nèi)部原料的懸浮效果減弱，水分蒸發(fā)提供的動力減小，內(nèi)部大顆粒物料較多，小顆粒物料外移空間狹小，阻力增大，結(jié)果導(dǎo)致內(nèi)部物料不易填充密實(shí)，增大了顆粒斷面空洞尺寸。因此，加入適中的黏結(jié)劑、分散劑和水分，可使原料懸浮在液相中，減小其向外遷移的阻力，同時水分蒸發(fā)還為物料提供了外移動力，減小了顆粒斷面空洞尺寸。

2.4.2 球磨時間對顆粒斷面空洞尺寸的影響

原料球磨時，隨球磨時間延長，物料與磨球之間的碰撞幾率增大，從而增大小粒度物料的比率[16]。小粒度物料體積小，所需外移動力小，易通過間隙不斷外移(如圖7所示)，填充已成型顆粒斷面的空間，起減小顆粒斷面空洞尺寸的作用。因此，延長球磨時間，可增大小粒度物料比率，減小顆粒斷面空洞尺寸。

圖7 在保護(hù)渣霧滴中不同粒度顆粒移動示意圖Fig.7 Motion diagram of raw material with different particle sizes in mould flux droplets

3 結(jié)論

(1)0.3～0.6 mm保護(hù)渣顆粒比率是影響其總體強(qiáng)度的主要因素，加入適中的黏結(jié)劑和分散劑，可增大0.3～0.6 mm保護(hù)渣顆粒的比率，改善其致密度，從而增大保護(hù)渣顆?？傮w強(qiáng)度。

(2)大顆粒保護(hù)渣強(qiáng)度較中顆粒保護(hù)渣強(qiáng)度低，其原因是大顆粒保護(hù)渣表面存在受力狀態(tài)差的大孔洞和凹陷。

(3)延長球磨時間，可增大小粒度物料比率，減小顆粒斷面空洞尺寸，從而提高保護(hù)渣顆粒強(qiáng)度。

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