《Powder Technology》：Utilization of blue dust fines through composite pelletization using an optimized binder system
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制備高爐級復合球團過程中，通過添加有機粘合劑部分替代 bentonite 優化粘合劑系統，解決了藍粉（BD）因超細顆粒（<100μm）、脆性高、疏水性導致的成球困難問題，最終實現冷壓強度≥250kg/球且孔隙率≡26%的合格球團。
Kashinath Barik|Pallishree Prusti|Nikhil Ranjan Dash|Ipsita D. Behera
印度奧里薩邦Sarang 759146，英迪拉·甘地理工學院化學工程系
摘要
由于藍塵（BD）顆粒的粒度極細（<100微米）、粒徑分布不均勻、脆性高且具有疏水性，通過造粒技術將其利用是一項具有挑戰性的任務。本研究嘗試使用適量的焦粉、膨潤土/有機粘合劑系統以及石灰石，從BD鐵礦石粉中制備高爐（BF）級復合顆粒。在造粒過程中，部分替代了膨潤土，使用了有機粘合劑（OB）。通過對比實驗驗證了有機粘合劑的性能。將鐵礦石與BD粉按70:30的重量比混合，制備了鐵礦石顆粒原料（含61.43%的鐵、3.52%的二氧化硅、2.8%的三氧化二鋁和3.36%的揮發分）。通過落球試驗、熱震測試和抗壓強度測量，評估了粘合劑系統及添加劑對生顆粒和燒結顆粒的化學及物理性質的影響。研究發現，通過添加100克/噸的有機粘合劑，可以將所需的膨潤土用量從15克/噸降低到5克/噸，從而在不影響顆粒必要性能的前提下，減少二氧化硅和氧化鋁的比例。多種礦物學分析方法（包括FTIR、TG-DTA、XRD和SEM-EDS）以及冶金性能測試（如Si、RI和RDI）有助于實現標準的高爐級燒結顆粒。
引言
為應對全球鋼鐵需求的增長，鋼鐵行業正在探索除高品位礦石之外的替代鐵礦石資源。藍塵（BD）粉是一種可行的選擇，其中含有高品位的軟質赤鐵礦粉，其成分檢測結果顯示Fe2O3含量超過90%，SiO2含量為1.5–3.0%，Al2O3含量為0.5–1.5% [1]，[2]。藍塵通常以不同尺寸的團塊形式存在，厚度可達25米，主要分布在條帶狀鐵礦（BIF）的圍巖中 [3]，[4]，[5]。這種顆粒富含鐵，呈鋼藍色，具有閃亮的金屬光澤和結晶表面，但由于運輸問題，通常被作為廢棄物丟棄在礦場。盡管鐵含量高，但由于其平均粒度僅為100–150微米，且粒徑分布不均勻、片狀結構、高度脆性和疏水性，直接用于鋼鐵生產存在困難。因此，需要通過燒結和造粒工藝對其進行團聚處理，可使用合適的粘合劑，單獨使用或與高品位鐵礦石結合使用。已有研究利用藍塵粉作為顆粒原料進行造粒：Pal等人（2016年）通過70:25:5的比例混合藍塵、易碎礦石和硬質礦石制備出了高爐級顆粒 [1]；Pal等人（2018年）還建議在造粒過程中加入赤鐵礦粉以改善顆粒的結合性能 [6]；Sahoo等人（2025年）使用印度奧里薩邦某礦區的藍塵粉和膨潤土（0.25–1%），在1300℃的固化溫度下制備了粒徑分布較窄的顆粒 [5]。研究表明，要獲得足夠的冷抗壓強度（≥250公斤/顆粒）和適當的孔隙率（約26%），必須減少膨潤土的用量。
引言（續）
為滿足不斷增長的鋼鐵需求，鋼鐵行業正在探索替代鐵礦石資源。藍塵粉是一種含有高品位赤鐵礦粉的替代品，其Fe2O3含量超過90%，SiO2含量為1.5–3.0%，Al2O3含量為0.5–1.5% [1]，[2]。藍塵通常以不同尺寸的團塊形式存在，厚度可達25米，主要分布在條帶狀鐵礦（BIF）的圍巖中 [3]，[4]，[5]。這種顆粒富含鐵，呈鋼藍色，具有金屬光澤和結晶表面，但由于粒度細小、粒徑分布不均勻、易碎且疏水性強，通常被作為廢棄物處理。由于其粒度特性和較差的團聚性，直接用于鋼鐵生產存在困難。因此，需要通過燒結和造粒工藝對其進行團聚處理，可使用合適的粘合劑，單獨使用或與高品位鐵礦石結合使用。已有研究利用藍塵粉作為顆粒原料進行造粒：Pal等人（2016年）通過70:25:5的比例混合藍塵、易碎礦石和硬質礦石制備出了高爐級顆粒 [1]；Pal等人（2018年）還建議在造粒過程中加入赤鐵礦粉以改善顆粒的結合性能 [6]；Sahoo等人（2025年）使用印度奧里薩邦某礦區的藍塵粉和膨潤土（0.25–1%），在1300℃的固化溫度下制備了粒徑分布較窄的顆粒 [5]。研究表明，要有效利用藍塵粉，需要特別關注其與其他鐵礦石的混合比例，并需要大量外部粘合劑來獲得符合高爐級要求的顆粒性能。
鐵礦顆粒造粒過程
鐵礦顆粒造粒分為兩個階段：生顆粒制備和燒結。許多研究人員研究了生顆粒的制備機制和方法 [7]，[8]，[9]，[10]。生顆粒制備是通過合適的粘合劑在造粒機中生產粒度范圍狹窄（8–12毫米，大于85%）的顆粒，使其具有球形、適當的表面水分（≤10%）及其他理想的性能 [11]，[12]，[13]，[14]，[15]。然而，過量添加粘合劑可能導致顆粒變小 [15]，[16]。生顆粒必須具備足夠的強度以承受搬運、運輸和熱處理過程中的變形。顆粒的燒結過程根據原料的礦物組成提供所需的強度 [16]，[17]。這種造粒方法能夠保持顆粒尺寸的一致性，具有優異的冶金性能和較高的物理強度 [18]，[19]。
文獻報道，在鐵礦顆粒制備過程中使用了各種有機或無機粘合劑，或它們的組合。常用的無機粘合劑包括膨潤土、硅酸鈉、石灰和消石灰等，有機粘合劑包括淀粉、瀝青、糊精和葡萄糖等 [12]，[14]，[20]。幾十年來，膨潤土作為傳統粘合劑被廣泛使用，它與蒙脫石形成的水合鋁硅酸鹽層結合使用。膨潤土的親水膠體性質使其能夠吸收水分，在氧化鐵顆粒間擴散并形成粘合劑。它在顆粒形成的各個階段提供足夠的強度，價格低廉且易于獲取。然而，過量使用膨潤土可能會影響顆粒的形成速度，并因增加不必要的二氧化硅和氧化鋁含量而降低鐵的價值。二氧化硅會在1050–1200℃范圍內形成玻璃狀硅酸鹽層，阻礙鐵晶須的生長 [21]；氧化鋁的存在會妨礙燒結過程中的渣體形成，導致赤鐵礦顆粒的抗壓強度降低 [22]。鋼鐵生產過程中需要去除硅酸鹽雜質，因此再次使用二氧化硅作為粘合劑效果不佳 [15]，[23]，[24]，[25]，[26]，從而影響高爐的整體性能。因此，除非尋找替代品，否則優化膨潤土的用量至關重要。一些文章探討了減少膨潤土用量的方法 [27]，[28]，[29]。另一方面，有機粘合劑由于用量低、雜質少，并能在顆粒形成的各個階段與鐵礦石顆粒形成強粘合，可作為替代品。由于有機粘合劑對氧化鐵表面的親和力高于二氧化硅，將其與膨潤土結合使用可以提高顆粒的強度，從而減少膨潤土的用量。文獻指出，使用有機粘合劑進行鐵礦團聚比使用含高量二氧化硅和氧化鋁的傳統粘合劑更有效 [29]，[30]，[31]，[32]。有機粘合劑通常不含SiO2和CaO等無機成分。一些天然有機粘合劑被用于團聚過程，例如Peridur?、Ciba?、Alcotac?、CMC（羧甲基纖維素）、淀粉（玉米淀粉、馬鈴薯淀粉、小麥粉）、糊精和膠水等 [27]，[33]。為了提高鐵含量并減少非鐵化合物，人們嘗試用有機聚丙烯酰胺基粘合劑替代膨潤土 [30]。Sivrikaya和Arol（2010年）研究了使用糊精（2%）和dextrin（2.5%）以及膨潤土（1%）或水泥（4%）來制備鐵礦顆粒 [34]；Sivrikaya和Arol（2011年）再次證明，將有機粘合劑與硼酸鹽結合使用可以改善磁鐵礦顆粒的性能 [35]。Villanueva等人（2012年）開發并申請了Alcotac? CS專利，這是一種具有獨特粘度特性的丙烯酸類三元聚合物，可顯著提升聚合物-膨潤土組合的性能 [36]。Ammasi和Pal（2016年）研究了鈉木質素磺酸鹽（Na-LS）和銅冶煉渣（Cu-SS）的復合粘合劑，用于替代膨潤土以改善赤鐵礦顆粒的性能 [37]。Pal等人（2022年）證明，使用來自紙漿工業的鈣和鈉木質素磺酸鹽（Ca-LS和Na-LS）基有機粘合劑可以提高赤鐵礦顆粒的強度 [38]。Navaei等人（2025年）的綜述指出，通過有機粘合劑與無機粘合劑的組合，可以改善鐵礦顆粒的粘結性能、降低孔隙率并提高抗壓強度；然而，未經實驗室規模驗證的復合造粒技術在商業規模上實現高爐級顆粒存在技術挑戰 [39]。由于藍塵粉的粒度細小和團聚性差，其生顆粒和干顆粒的性能較低，這對工業化應用構成挑戰。使用有機粘合劑或膨潤土-有機粘合劑復合系統可以減少生顆粒和干顆粒的熱裂紋；但這需要優化礦石的礦物組成、粘合劑表面化學性質和原料成分。盡管如此，由于配方復雜和材料成本較高，選擇復合粘合劑系統在工業化應用中仍是一個關鍵問題。
現有文獻報道了多種利用藍塵粉與其他鐵礦石資源和工業廢棄物混合造粒的方法。鑒于藍塵粉的豐富性和高鐵含量，充分利用這些顆粒至關重要，這需要創新的工藝和技術。需要一種可持續的粘合劑系統，既能克服藍塵粉在造粒和干燥過程中的疏水性，又不會因單獨使用膨潤土而降低顆粒的鐵含量。本研究采用膨潤土和有機粘合劑組合系統來造粒藍塵粉，并研究了這種粘合劑系統在顆粒制備不同階段的化學、物理、礦物學和冶金性能方面的協同效應。實驗結果通過多種分析技術得到驗證，包括熱重分析（TGA）、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）、X射線衍射（XRD）、光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM-EDS）。優化后的粘合劑系統能夠利用藍塵粉制備出高爐級燒結顆粒。
材料
鐵礦粉（I）和藍塵粉（BD）來自印度恰蒂斯加爾邦Jagdalpur的礦區。樣品分別在工業球磨機中處理，將其粒度降至<150微米。表1顯示了通過經典濕化學方法和高溫馬弗爐測得的樣品（I和BD粉）的化學成分（鐵、三氧化二鋁和二氧化硅）以及揮發分（LOI）。藍塵粉與鐵礦粉按20%、30%的比例混合。
結果與討論
利用藍塵粉制備生顆粒是本研究的關鍵步驟。同時，顆粒原料的粒徑分布對生顆粒的形成有顯著影響。如Sahoo等人（2025年）所述，當顆粒粒度保持在較窄范圍內（?150±75微米）時，顆粒存在因收縮而碎裂的風險 [5]。
結論
本研究深入探討了利用改進的粘合劑系統制備高爐級顆粒的最佳方法。最多可使用30%的藍塵粉與鐵礦石混合。研究結論如下：
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使用由膨潤土和有機粘合劑（100克/噸）組成的粘合劑系統，制備出了質量良好的生顆粒和干顆粒。
作者貢獻聲明
Kashinath Barik：撰寫 – 審稿與編輯、初稿撰寫、方法驗證、數據整理、概念構思。Pallishree Prusti：初稿撰寫、項目管理、數據整理、概念構思。Nikhil Ranjan Dash：方法研究、實驗設計。Ipsita D. Behera：資源獲取、數據分析。
利益沖突聲明
作者聲明不存在可能影響本文研究的已知財務利益或個人關系。
