（采矿工程专业论文）法库天然硅灰石的超细粉碎与物性研究.pdf

辽宁= 程技术大学硕十学位论文 摘要 法库天然硅灰石的储量大、质量好，全县现有硅灰石企业1 2 家。 长期以来大部分矿山只能用雷蒙磨生产3 2 5 目普通粉或直接以人工手选 精块矿作为商品矿石出售，生产产品单一，缺乏市场竞争能力，因此企 业必须走产品深加工的道路，而深加一 最主要的途径是对硅灰石原矿或 粗矿进行超细粉碎。本文对法库天然硅灰石的超细粉碎进行初步研究工 作，用雷蒙磨、行星式球磨机和搅拌球磨机等超细粉碎设备，采用不同 的工艺参数进行粉碎试验，对比这几种设备的粉碎效果和不同的工艺参 数对产品粒度和长径比的影响。总结出雷蒙磨粉磨的硅灰石产品长径比 高，但是粒度大。行星式球磨机和搅拌球磨机制得的硅灰石粉可达到超 细要求，但是长径比低，搅拌球磨机在粉磨效果上好于行星式球磨机。 同时对法库天然硅灰石原矿和制得粉体的物性以及综合特性进行测试 分析，为企业生产实践和产品开发提供科学依据。 关键词：硅灰石：超细粉碎；物性测定；综合特性测定 辽宁工程技术大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e r v ei sr i c ha n dt h eq u a l i t yi s v e r yg o o df r o m f a k uo f n a t u r a w o l l a s t o n i t e t h e r ea r et w e l v e e n t e r p r is e s f o r p r o d u c t i o n w o l l a s t o n i t ei nt h e c o u n t y f o ral o n gt i m e ，m o s to fm i n e so n l ys o l dc o m m o np o w d e rm a d eb yr e y m o n d m i l la n dt h em a t u r a lw o r kf i n ec h o o s e nm i n e sa st h ec o m m e r i c a lo r e s t h ep r o d u c ti s s i m p l e a n d p o o r f o rm a r k e t c o m p e t i t i o n s o t h e e n t e r p e r i s e s m u s t d e v e l o p t h e m s e l v e sb yd e e pp r o c e s s ，t h em a i np a t ho fd e e pp r o c e s si st ou l t r a g r i n dt h e o r i g i n a la n dc o a r s eo r e so fw o l l a s t o n i t e i nt h i sp a p e r ，t h ep r i m a r yr e s e a r c hi sa b o u t t h e u l t r a g r i n d i n g o ff a k un a t u r a lw o l l a s t o n i t e p r o d u c t t h eu l t r a g r i n d i n g e q u i p m e n t si n c l u d et h er e y m o n dm i l l ，p l a n e tb a l l m i l l ，s t i r e dm i l l ，t h eg r i n d i n gw o r k c a r r i e do nt h eg r i n d i n ge x p e r i m e n tb yd i f f e r e n tc a r f tp a r a m e t e r s b yc o n t r a s t i n gt h e g r i n de f f e c t i o na n dd i f f e r e n tc r a f tp a r a m e t e r sf o rs e v e r a le q u i p m e n t s ，w ec a ng e tt h e a f f e c t i o no nt h e p a t i c l e s i z ea n dt h e l e n g t h d i a m e t e r r a t i o c o n c l u d et h e l e n g t h - d i a m e t e rr a t i oo ft h er e y m o n dm i | 1w o l i a s t o n i t ep r o d u c t i o ni sh i g h e r ，b u tt h e p a t i c l es i z ei sb i g 。t h ew o l l a s t o n i t eu l t r a f i n ep o w d e rm a d eb yp l a n e tb a l l m i l la n d s t i r e dm i l lc a na c h i e v ei t ，b u tt h ei e n g t h - d i a m e t e rr a t i oi sl o w e r ，s t i r e dm i l li sb e t t e r t h a np l a n e tb a l l m i l lo ng r i n de f f e c t a n dt h ep h y s i c a lp r o p e r t i e sa n dc o m p r e h e n s i v e p r o p e r t i e so ff a k un a t u r a lw o l l a s t o n i t eo r i g i n a lo r ea n dm a d ep o w d e ra r et e s t e da n d a n a l y s e d ，w h i c hp r o v i d es c i e n t i f i cp r o o ff o rt h ep r o d u c t i o np r a c t i c ea n dp r o d u c t e x p l o i t e d k e yw o r d s ：w o l l a s t o n i t e ；u l t r a g r i n dm i l l i n g ；p h y s i c a lp r o p e r t i e sm e a s u r e m e n t c o m d r e h e n s i v ep r o p e r t i e sm e a s u r e m e n t 辽。j 。下程技术大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究的背景 1 1 1 问题的提出 法库县为沈阳市所辖县，位于辽宁省北部，县境东邻昌图、开原、 铁岭县和铁法市，南接新城子区和新民市，西毗彰武县，北靠康平县， 距沈阳市中心距离3 5 公里。全县区域面积2 3 2 0 平方公里，总人口4 4 5 万人。法库县是国家一类矿产资源大县，非金属矿产资源种类繁多，品 位上乘，已探明非金属矿种3 0 多种，占沈阳市已知矿种的7 0 以上， 占辽宁省的2 0 以上，瓷土、硅灰石、方解石、珍珠岩、沸石、石灰石、 长石储量丰富，并有大量的膨润土、高岭石、硅石等，矿产资源开发利 用| j 景可观。截止2 0 0 5 年，各类矿山企业己发展到9 l 家，从业人员1 万多人，年产值1 5 亿元，( 其中砖厂2 7 家，建筑石场3 0 家，硅灰石 矿12 家、水泥厂1 家、珍珠岩矿7 家、瓷土矿5 家、煤矿2 家、沸石 矿4 家、矿泉水厂3 家) ，产值约占全县工业总产值1o 以上，因此矿 业已成为该县发展经济的支柱产业。在法库县众多的非金属矿种中，硅 灰石的储量之大、质量之好在世界屈指可数，目前全县现有的硅灰石矿 山，年生产硅灰石一缴品1 万吨，二级品1 5 万吨，部分矿山用雷蒙磨 生产3 2 5 目普通粉或直接以人工手选精块矿作为商品矿石出售，主要销 往国内和美国、日本、韩国等国家。硅灰石产业对法库经济发展的重要 性可见一斑。本论文在这一历史背景下对法库硅灰石的开发做了部分研 究工作，得到一些数据和结果，相信会为法库硅灰石产业的发展作出贡 献，加快法库工业前进的步伐。 硅灰石是一种钙的偏硅酸盐矿物，化学分子式为c a s i 0 3 。天然硅灰 石常呈白至灰白色，玻璃光泽到珍珠光泽，密度2 7 8 2 9 1g c m 3 ，硬度 4 5 5 0 。通常为针状、放射状、纤维状集合体，甚至微小颗粒仍保持 纤维结构。因其有许多与其物理和化学性质有关的工艺特性，所以自从 它被开发利用以来，其在工业领域的应用范围一直在迅速扩大，产量不 断增长，价格不断上升。 辽宁工程技术人学硕十学位论文 2 硅灰石的重要特性之一是其所具有的针状和纤维状的晶体形态，甚 至在很微细的硅灰石颗粒中，这种晶体习性仍然能够保持不变。正因如 此，它在陶瓷工业、涂料工业和绝缘材料工业中有着极重要的用途。硅 灰石的另一重要特性是它的助熔性能，它能在较低的温度下( 1 0 6 0 1 14 9 ) 即可与氧化硅、氧化铝等相熔，从而起到降低混合物熔融温度 的作用，是一种良好的助熔剂。此外，纯的硅灰石呈白色或亮白色，纯 度在9 9 、粒度达到小于3 2 5 目的硅灰石，其反射率可达9 2 9 6 ， 具有很高的白度和亮度。它的这些优点是在高级陶瓷产品和优质白色油 漆与发亮涂料的生产中具有非常重要价值的工艺特性瞳3 。 对于硅灰石来说矿石加工过程中粉碎是相当重要的环节，因为粉体 的纯度、细度、形态往往决定其最佳的应用领域和应用价值。因此，加 工工艺的研究和合理选择对硅灰石的粉碎十分关键口+ “。在某些应用领域， 如陶瓷、微品玻璃、冶金保护渣等只对粒度有要求，对颗粒的长径比没 有明确或具体的要求。但对于石棉代用品、造纸纸浆代用品、塑料和橡 胶的增强填料以及部分涂料、填料等，则不仅对其粒度大小和粒度分布 有要求，而且还对其纤维状颗粒的长径比有要求。法库部分硅灰石矿利 用不同的粉碎机械可加工8 0 8 0 0 目的硅灰石矿粉。但在超细粉碎过程 中，采用的粉碎方式不同，粉碎的机制也有差异，对矿物的粒度和原有 的长径比有很大的影响“。因此，本研究论文是在利用多种超细粉碎设 备对法库硅灰石进行超细粉碎试验基础上，系统的研究了法库硅灰石超 细粉碎机理，不同粉碎设备对法库硅灰石的粉碎效果，各种工艺参数和 粉体粒度以及长径比的关系，粉体的物理特性和综合特性等，为法库硅 灰石生产提供科学依据。 1 1 2 国内外硅灰石开发与利用现状 硅灰石作为一种天然矿物原料在工业上应用始于本世纪3 0 年代， 到6 0 年代硅灰石才较大规模的被丌发利用。目前，世界上已有2 0 多个 国家发现了硅灰石矿，探明总储量1 6 7 亿吨，地质储量4 15 亿吨，主 要分卸在美国、前苏联、印度、墨西哥、芬兰、中国等国。世界硅灰石 产量逐年增长，1 9 8 8 年为1 8 万吨，1 9 9 0 年已达2 7 5 万吨。硅灰石的 辽宁工程技术人学硕士学位论文 3 主要生产国有美国、中国、印度、芬兰、加拿大、智利、墨西哥、土耳 其、巴基斯坦等。 美国是世界上最早开发应用硅灰石的国家，也是当今世界上硅灰石 开发利用水平最高的国家，几十年来，美国的硅灰石在世界上占有控制 地位。7 0 年代以前，世界硅灰石的8 5 产自美国。美国有二家硅灰石 公司，n y c o 矿物有限公司是民营中最大的硅灰石生产商，目前其在美 国本土的产量为1 5 万吨年。1 9 9 4 年公司投资l 亿美元在墨西哥建设硅 灰石分公司，1 9 9 8 年项目投产，总能力2 4 万吨年，这也世界上单矿能 力最大的生产厂家。n y c o 公司在纽约的生产厂主要生产高长径比、高 附加值的硅灰石产品，其产品质量在世界上是最好的。而墨西哥分厂主 要生产陶瓷、涂料、水泥、冶金、板材等矿物原料。美国的另一家公司 是r t v a n d e r b i l t 公司，也位于纽约州，矿床质量较好，硅灰石与滑石 共生，年产量3 6 2 8 0 吨，用于油漆、陶瓷、塑料等领域。随着硅灰石多 种用途的开发，世界各国兴起了硅灰石开发热潮，使美国一统天下的格 局被打破，8 0 年代中期，中国、印度等新兴硅灰石生产国发展十分迅速， 产量大幅增长，这使美国硅灰石产量占世界总产量的比例下降为5 0 左 右。到了9 0 年代术期，因美国在墨西哥建设的硅灰石项目投产，使其 在世界上所占的统治地位又得以恢复o 。 印度主要生产商为w o l k e n 有限公司。1 9 9 7 年产量为8 万吨，产品 为磨细粉和高长径比硅灰石。公司的国内消费市场是陶瓷业、摩擦材料、 冶金工业。而在欧洲、美国等国外市场上主要用于摩擦材料和建筑材料。 大量欧洲国家尤其是地中海国家都进口印度硅灰石。主要产品有：针状 粉( a 一6 0 ，d 一1 ) ，用于石棉代用品，如墙板和摩擦材料，在塑料中也开 始使用；磨细粉，s 1 ( 15 0t l1 1 1 粉) ，s - 2 ( 7 5ui n 粉) ，s 一3 ( 5 0i j m 粉) ，s - 4 ( 4 0 0um 粉) ，用于陶瓷、冶会，少量用于涂料。 芬兰主要生产商为p a r t e k 工业矿物公司，是欧洲目前唯一的商业性 硅灰石生产商。该公司的产品为粉磨硅灰石粉，供应欧洲的陶瓷企业。 由于受到来自中国、印度的低价产品的冲击，公司已逐渐失去了其在欧 洲市场上的主导地位。1 9 9 7 年产量约2 3 万吨。产品消费结构是：陶瓷 辽宁工程技术大学硕十学位论文 4 釉料6 0 ，塑料15 ，陶瓷坯体、冶金助熔剂2 5 。为丌拓市场，该公 司1 9 9 3 年建设一表面改性硅灰石生产厂，生产高附加值的表面改性硅 灰石产品，能力约8 0 0 0 吨年，主要品种有：w i c 4 0 ，粒度4 0ur n ，用于 聚丙烯塑料：w i c l 0 ，粒度10um ，用于聚酰胺、聚丙烯、聚氨脂塑料。 我国有关硅灰石矿地质勘查工作开展较晚，但发展迅速，截止到 1 9 9 7 年底的资料统计，在中国的15 个省市3 3 个矿区的地质工作己探明 的硅灰石储量13 8 9 5 8 万吨，推测远景储量2 0 0 0 0 万吨以上，根据己公 布的世界各国硅灰石储量比较，中国己探明的硅狄石储量居世界前列”1 。 从1 9 7 5 年湖北大冶小箕铺首先发现硅灰石矿床以来，相继在吉林、湖 南、江西、福建、青海、河北、浙江、辽宁等省陆续发现了一批大、中 型硅灰石矿床，并于1 9 7 5 年试制硅灰石低损耗瓷获得成功，同年景德 镇陶瓷厂试制一次低温快速烧成砖获成功，19 7 9 年进行低温快速烧成釉 面砖试验，效果显著，从而进入硅灰石矿产资源开发利用的迅速发展时 期e g 。 近几年，随着硅灰石新用途的丌拓，对硅灰石产品的要求不仅仅是 一般的粉状和块状的要求，而更注重于硅灰石深加工产品，诸如超细级 硅灰石、高长径比硅灰石、表面化学改性硅灰石等产品c lo 。为此，许多 硅灰石主要产地如美国、芬兰等十分重视发展硅灰石深加工技术，积极 开拓深加工产品。 当静硅灰石深加工技术主要涉及超细粉碎技术和化学改性技术。超 细粉碎技术要求所加工的硅灰石的粒度细，且保持其针状形态，还要达 到最大的长径比“。如通过特殊粉碎机械及分离方法，可使4 5um 以 下及3 8um 以下的矿粉，长径比达( 8 12 ) ：1 ，部分达15 ：1 ；1 3 1 0un l 矿粉长径比达( 1 2 1 5 ) ：1 ，部分达2 0 ：1 ；61 1i l l 以下，长径 比仍能保持( 1 0 12 ) ：1 。美国、芬兰、印度等几个主要硅灰石生产国 都十分重视生产微粉级针状硅灰石及高长径比硅灰石产品。如芬兰近年 已开发出一系列微粉级针状硅灰石( 10l am ，2 0 l zm ，4 01 1m ，6 3um ) “。 表面化学改性技术是为了满足塑料、橡胶工业对硅灰石填料日益增 长的各种不同的需求而发展起来的。通过改性处理后的硅灰石，扩大了 辽宁工程技术大学硕士学位论文 5 其作为填料利用的范围。天然硅灰石具有明显亲水性、疏油性，故它在 树脂和橡胶中的分散性差，作为填料利用受到限制。如经处理，使其疏 水亲油，且在p h = 6 8 水相中1 0 0 小时可保持9 9 悬浮率；同时，硅灰 石改性处理后，能增加填料添加量，改性硅灰石在工程塑料中添加量可 达3 5 5 0 ( 未改性硅灰石的添加量仅1 5 2 5 ) ，而且制品各项物 性指标不变，甚至还有所提高口7 圳。 根据用途划分，硅灰石产品可分为两大类：一类是高长径比的硅狄 石产品，主要利用其针状性能，用于填料方面作为增强剂，尤其在塑料、 橡胶、油漆、涂料等方面，硅灰石可增加硬度、抗弯强度、抗冲击性， 改善塑料的电学特性，提高材料的热稳定性和尺寸稳定性。另一类是细 磨硅灰石粉，主要利用其矿物化学性质，用于陶瓷和冶金工业，硅灰石 中的c a o 、s i 0 2 成分提供了低的热膨胀性和抗冲击性e l3 。进入二十一 世纪，硅灰石工业发展迅速，随着粉体技术、合成技术和表面改性技术 的发展，硅灰石的应用领域正在不断地扩大和深入。对硅灰石产品，尤 其是超细级硅灰石、高长径比硅灰石和表面化学改性硅灰石日益受到生 产厂家的重视和消费者的青睐“。目前硅灰石的应用领域主要集中在以 下几个方面： ( 1 ) 在陶瓷工业中，硅灰石可以降低陶瓷的烧成温度和缩短点火 时间，能减少热膨胀，同时高长径比的硅灰石可使坯体具有较高的强度 和较好的压型质量，有助于形成快速排除气体的通道和提高坯体表面的 声学效应，大大减少在快速焙烧过程中产生翘曲、分层和开裂现象，这 不仅大幅度降低了能耗和增加了产量，而且能大大地改善陶瓷制品的机 械性能，提高了产品的质量。因此，在陶瓷工业中被广泛地用于生产建 筑陶瓷、日用陶瓷、美术工艺陶瓷、多孔过滤陶瓷、低介电陶瓷、精密 铸造陶瓷模具、火花塞、生物活性陶等等“5 ”1 。 ( 2 ) 硅灰石具有吸油率低，吸湿性低，绝缘性高和耐高温好等特 性，特别适用于涂料。它能使白色涂料具有明亮的色调，并能长时间保 持，其针状的晶体形态使它成为涂料的良好平光剂，并改善涂层的流平 性。硅灰石粉的粒子形状，是涂料的良好的悬浮剂，沉淀物柔软易分散。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 6 由于它的吸油量低，有很高的填充量，所以涂料成本可以降低。 ( 3 ) 在橡塑工业中主要是利用硅灰石的针状结晶所产生的类似纤 维的增强作用，以代替价格较贵的玻璃纤维、碳纤维以及危害人体健康 的石棉等增强材料f 1 73 。而且高长径比的硅灰石经表面改性后作为填料充 填在塑料、橡胶和聚合物中，可以增强其机械强度和表面光滑度、减少 收缩、增强阻污力、允许填充较多的填充剂、减少颜料的用量、增强电 绝缘性、增强耐磨性等。从而可以降低制品的生产成本，提高制品的力 学性能，并赋予塑料、橡胶和聚合物自身所没有的特殊功能。 ( 4 ) 硅灰石具有低温助熔特性，广泛用于冶金工业。尤其在连铸 方面，硅灰石的优越性能更加明显。硅灰石用作冶金保护渣基料，具有 减少配料种类、热稳定性好、化学成分稳定、铸件表面光洁、低a 1 2 0 3 、 低碳等优点。用硅灰石作电焊条药皮配料，可减少焊接的火花，使焊缝 成型整洁美观，增加机械强度“。 ( 5 ) 高长径比的针状硅灰石粉以其无毒、无味、无放射性等优点， 逐渐取代了石棉和玻璃纤维，成为优质的环保建材的新原料o ”。由于硅 灰石在被粉碎到很细的情况下仍能保持其独特的针状结构，使得添加了 硅灰石针状粉的硅钙板、防火板等材料的抗冲击性、抗弯折强度、耐磨 强度均大大提高。在建筑材料领域，硅灰石将被更广泛的应用。 ( 6 ) 硅灰石还可作为造纸的充填剂，可代替2 5 3 5 的木浆。 在环保方面可利用硅灰石颗粒的表面性质除去水溶液中的有害杂质离 子，以达到净化水质的目的。如可利用硅狄石取代价格昂贵的活性炭作 为吸附剂来分别除去废水溶液中的c a 2 + 、f e 2 + 和n i 2 + 等有害杂质离子和 其它有害物质等”。 由此可见，随着现代工业发展及硅灰石深加工技术的进步，硅灰石 应用范围日益拓宽，尤其是非陶瓷业的用途增多，乃是当前硅灰石开发 的明显趋向。从国外硅灰石应用技术专利文献中也可看出这一点。陶瓷 方面的应用比例同益减少，而水泥、冶金、耐火、绝热材料方面应用比 例增加，此外还出现了一系列新用途，诸如磨料、塑料( 工程塑料) 、防 水材料、防腐保护涂料、晶形玻璃、酸性废水处理、纤维增强无机产品、 辽宁丁程技术大学硕士学位论文 表面处理剂等。 我国硅灰石开发近几年来有了迅猛的发展。据统计，目前全国己拥 有国有矿山8 家，乡镇及其以下矿山1 7 0 余家，主要分布在吉林、辽宁、 浙江、江西、云南、湖北、河北、广东、广西、福建等省、自治区。1 9 9 4 年全国硅灰石总产量约3 5 万吨。其中国有矿山产量约9 万吨，乡镇及 其以下矿山生产约2 6 万吨，上述数字表明，我国已成为世界最大的硅 灰石生产国之一。就硅灰石产品市场占有率而言，1 9 9 3 年我国硅灰石产 品在国际市场占有率达3 3 ，仅次于美国( 3 4 ) 。另据有关资析，1 9 9 4 年，我国硅灰石产品出口量达1 0 万吨以上，国际市场占有率已居榜首n “。 虽然发展速度很快，但我国硅灰石工业起步较晚，深加工技术与国 外相比差距很大，出口产品的结构很不合理，主要出口产品仍是以精块 矿等初级产品为主，深加工产品如1 2 5 0 目以上超细粉，高长径比针状 粉出口量很小n “。要改变这种局面，发展和改进硅灰石深加工技术，提 高出口产品的附加值是我们急需解决的重要问题。 1 2 论文主要研究内容 本论文主要是以法库天然硅灰石的概况为出发点，借鉴国内外有关 硅灰石超细粉碎的先进方法和加工经验，采用现场调研和实验室试验相 结合的方法进行研究。论文研究内容分为法库天然硅灰石综合概况研 究、硅灰石的超细粉碎试验研究、粉碎后产品的物理特性及粉体综合特 性的试验研究三个部分。 ( 1 )对法库天然硅扶石的地质成因、赋存状况、矿体特点、物理 性质等几方面进行分析研究。 ( 2 ) 利用实验室的超细粉碎设备进行试验，进一步查明采用不同 粉碎方式和不同的工艺参数对法库天然硅灰石的粉碎效果。 ( 3 ) 对超细粉碎后所得产品的物理特性及综合特性进行实验和分 析，研究粉碎后不同粒度的硅灰石粉各项指标的变化。 1 3 论文研究意义 硅次石是我国近年开发利用的一种新型的工业矿物原料，它的开发 辽宁t 程技术大学硕_ 学位论文 表面处理剂等o 。 我国硅灰石开发近几年来有了迅猛的发展。据统计，目前全国已拥 有国有矿山8 家，乡镇及其以下矿山1 7 0 余家，主要分布在吉林、辽宁、 浙江、江西、云南、湖北、河北、广东、广西、福建等省、自治区。1 9 9 4 年全国硅灰石总产量约3 5 万吨。其中国有矿山产量约9 万吨，乡镇及 其以下矿山生产约2 6 万吨，上述数字表明，我国已成为世界最大的硅 灰石生产国之一。就硅灰石产品市场占有率而言，1 9 9 3 年我国硅灰石产 品在国际市场占有率达3 3 ，仅次于美国( 3 4 ) 。另据有关资析。1 9 9 4 年，我国硅灰石产品出口量达1 0 万吨以上，国际市场占有率已居榜首“。 虽然发展速度很快，但我国硅灰石工业起步较晚，深加工技术与国 外相比差距很大，出口产品的结构很不合理，主要出口产品仍是以精块 矿等初级产品为主，深加工产品如1 2 5 0 目以上超细粉，高长径比针状 粉出口量很小e 2 ：1 j o 要改变这种局面，发展和改进硅灰石深加工技术，提 高出i j 产品的附加值是我们急需解决的重要问题。 l ，2 论文主要研究内容 本沦文主要是以法库天然硅灰石的概况为出发点，借鉴国内外有关 硅灰石超细粉碎的先进方法和加工经验，采用现场调研和实验室试验相 结合的方法进行研究。论文研究内容分为法库天然硅灰石综台概况研 究、硅灰石的超细粉碎试验研究、粉碎后产品的物理特性及粉体综合特 性的试验研究三个部分。 ( 1 ) 对法库天然硅灰石的地质成因、赋存状况、矿体特点、物理 性质等几方面进行分析研究。 ( 2 ) 利用实验室的超细粉碎设备进行试验，进一步查明采用不同 粉碎方式和不同的工艺参数对法库天然硅灰石的粉碎效果。 ( 3 ) 对超细粉碎后所得产品的物理特性及综合特性进行实验和分 析，研究粉碎后不同粒度的硅灰石粉各项指标的变化。 1 3 论文研究意义 硅灰石是我国近年开发利用的一种新型的工业矿物原料，它的开发 硅灰石是我国近年开发利用的一种新型的工业矿物原料，它的开发 辽。j 。工撑技术大学硕十学位论文 8 利用仅有3 0 年的历史，但是近年来发展迅速。由于其独特的物化性能 和矿物学特征，其应用领域越来越广泛。对于法库的硅灰石矿山来说， 如何提高产品附加值，增加经济效益，关键在于合理的选择超细粉碎设 备以及适宜的工艺参数。 本研究对法库天然硅灰石的概况及法库硅灰石产业的发展现状进 行了深入分析，利用实验室先进的仪器设备，研究制备超细硅灰石粉的 工艺方法和相应的工艺条件，对于粉碎后不同粒级粉体的各项指标进行 测试分析，为企业生产实践提供可靠的参考，为法库硅灰石产业的发展 做出贡献。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 2 法库天然硅灰石概况 2 1 法库天然硅灰石的地质成因 法库硅灰石矿区地处吉黑地槽的南缘，东为开原一昌图断裂，西为 柳河断裂，硅灰石矿床( 点) 均分布在槽区边缘的古隆起带中。本区属天 山一兴安地层区，主要有古生界变质岩，中生界侏罗系、白垩系及新生 界第四系。硅灰石矿赋存在下古生界富拉堡子岩组中。 富拉堡子岩组主要分布在富拉堡子和榆树底一带，原岩是一套浅海 相含粘土质碎屑岩一碳酸盐岩沉积，为十问房花岗岩和高力沟闪长岩中 捕虏体。岩性为硅灰石化大理岩、方解石大理岩、角闪二长变粒岩、黑 云变粒岩、黑云二长浅粒岩夹二云片岩等。 该区岩浆活动强烈而频繁，从二叠纪到侏罗世都有中酸性岩体侵 入。与硅灰石成矿关系密切的岩体为三叠世早、中两期闪长岩和花岗岩， 分别呈带状和岩床侵入于富拉堡子岩组中。辉绿岩脉的出现结束了本区 岩浆活动。 区内构造较复杂，大规模的褶皱变动使富拉堡子岩组地层形成北东 向复式背斜，其轴向总体呈北东5 0 1 0 0 ，核部由十间房超单元二长花 岗岩组成，东翼地层出露较完整，西翼则由于受同方向断裂破坏和岩体 侵位而显得支离破碎，形成调兵山背斜。断裂构造以北东向逆断层为主， 其次为北西向和近东西向平移断层，北东向断裂控制着区域岩体的展布 方向及范围。 硅灰石可在不同条件下形成，在各种火成岩侵入体( 酸性、碱性和 中基性) 接触带附近都可有硅灰石生成。在区域变质作用中，岩浆结晶 作用和火山喷发作用中也常有硅灰石生成。 法库硅灰石矿体主要赋存于富拉堡子岩组中的硅灰石化大理岩内。 矿体多沿原地层中富硅灰岩层位分布，产状与地层一致。矿石中矿物成 分简单，成矿作用中基本没有外来物质加入，受含矿层位控制明显。岩 浆活动是主要控矿因素。矿区先后经历了三叠世早、中两期闽长岩和花 岗岩侵入，重复供热导致富硅灰岩发生两次接触交代作用，使捕虏地层 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 0 普遍遭受热变质作用，并在接触带局部地段形成矽卡岩。硅灰石矿体的 发育只局限在围岩大理岩内，反映矿化与岩体对围岩的交代作用无关， 岩体只供给成矿时所需的热量。 成矿原岩形成于地槽发展早期阶段，经历了加里东期区域变质作 用，地层发生了轻微的变质和褶皱变形。接着受印支一海西期构造影响， 北东向断裂发生了强烈的升降运动，褶皱进一步挤压形成一系列北东向 背向斜，并在轴部产生虚脱空间，为三叠世岩体侵位提供了场所。由于 控矿地层多为岩体中捕虏体，大理岩中裂隙、晶洞较发育，在成矿过程 中己形成的这种处于半开放系统十分有利于c 0 2 逸出，故对硅驮石成矿 有利。综上所述，法库城子山一带硅灰石矿床成因类型应属层控接触变 质型。 硅灰石的形成主要是方解石( c a c 0 3 ) 和石英( s i 0 2 ) 在一定温度、 压力下反应的结果叫“。其反应式如下： c a c 0 3 + s i 0 2 = c a s i 0 3 + c 0 2 2 2 法库天然硅灰石的赋存状况 法库天然硅灰石主要分布在冯贝堡乡城子山、工夫屯、务名屯、富 拉堡子、十间房乡、上碳窑、榆树底、红五月乡老虎洞沟等地。经辽宁 省地矿局阜新地质队于1 9 8 7 年对冯贝堡乡城子山硅灰石矿床进行详查 地质工作探明c + d 矿石量3 6 2 0 3 万吨，远景储量2 0 0 0 万吨；经辽宁 省地矿局第九地质大队于19 9 3 年对十间房乡上碳窑小馒头山矿区进行 详查地质工作探明c + d 级矿石量6 1 万吨，矿床平均品位4 1 9 9 。 2 3 法库天然硅灰石矿体特点 法库硅灰石在区域上有务名屯一调兵沟和钱家沟一老虎洞沟东、西两 条含矿带。而这两个矿带又以富拉堡子( 泉眼沟) 和上炭窑矿床最具代表 性。 1 富拉堡子矿段。己圈出4 个矿体，i 号矿体为全区规模最大的 主矿体，沿走向延长12 0 0 m ，倾向延伸大于1 1 0 m ，矿体厚度5 3 0 7 3 0 m ，平均为6 2 0 m ，厚度变化系数为0 1 8 7 3 ，含矿系数为5 6 6 1 ， 辽宁工程技术大学硕士学位论文 含矿变化系数为0 1 0 17 ，硅灰石矿物含量为8 4 8 1 1 0 0 ，局部见分 枝复合和膨缩现象。 2 上炭窑矿段。圈出5 条矿体，其中i 号矿体规模较大，矿体长 2 9 8 m ，平均宽4 3 1 m ，控制延深2 0 3 5 m ，含矿系数为5 3 ，含矿变化 系数0 1 2 3 8 ，硅灰石矿物含量8 6 4 4 。 矿石主要由硅狄石、方解石、石英组成，矿石在矿体中呈条带状或 团块，一般厚度数厘米到4 7 c m ，常具细粒花岗变晶结构、纤维变晶结 构，块状或条带状构造。硅灰石呈纤维状、板柱状、放射状或扇形集合 体，个别呈细粒块状及星散状分布矿石中口“。矿石中主要矿物含量和化 学成分见表2 1 。 表2 1 矿石主要矿物和化学组成( ) 2 4 硅灰石的晶体结构 硅灰石是一种钙的偏硅酸盐矿物，化学分子式为c a s i 0 3 ，理论组 成：c a 0 4 8 3 ，s i 0 2 5 1 7 ，具有较好的化学稳定性能，在2 5 的中性 水中溶解度为0 0 0 9 5 9 1 0 0 m l ，一般情况下耐酸、耐碱、耐化学腐蚀， 但在浓盐酸中发生分解，形成絮状物在焙烧条件下，可与高岭石、叶蜡 石、伊利石、滑石等矿物发生固相反应。硅灰石中的钙易被铁、锰、 镁、钛、锶等杂质替代而形成类质同象体，所以纯净的硅灰石很少见睇1 。 硅灰石主要有三种同质多象变体：两种低温象变体，即三斜晶系硅 灰石和单斜晶系副硅灰石；一种高温象变体，通称假硅灰石。自然界常 见的硅灰石主要是低温三斜硅灰石，其他两种象变体很少见口“。 硅灰石在晶体结构上属于链状硅酸盐，硅氧四面体链是由一个双四 面体e s i 2 0 3 和一个单四面体 s i 0 4 平行b 轴交替排列而成，其中一个硅 辽宁上程技术人学硕士学位论文 1 2 氧四面体 s i o 。 的棱平行链的方向，如图21 。 - 占 图2 1 硅灰石的晶体结构 硅灰石晶体呈沿b 轴延长的板状或片状极为罕见，多呈针状、纤维 状、放射状和块状集合体，细小颗粒也是纤维状的，一般长0 1 1 o m m ， 长者2 0 4 0 m m ，最长达7 0 m m ，一般长度和直径的比率为7 8 瞳。 2 5 法库硅灰石开发与利用现状 法库硅灰石主要分布在法库县东南部，年开采量3 万吨。矿场见图 2 2 。主要用作冶炼钢铁保护渣、油漆、涂料、电焊条药皮、石棉代用 品、磨料、粘结剂、玻璃配料、冶金、橡胶、塑料、绝缘材料、纸张等 产品生产中的填料，还有一部分硅灰石被直接用做建筑、饰面材料。 图2 2 法库硅灰石矿矿区 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 3 目前硅灰石矿山主要以生产原矿石为主，经过手选后出售。同时， 根据用户需要可加工8 0 8 0 0 目矿粉，其中的部分矿山只能用雷蒙磨生 产3 2 5 目普通粉或直接以人工手选精块矿作为商品矿石出售。生产产品 单一，产品附加值低。 法库县目前有硅灰石矿山企业12 家，其中规模较大的有冯贝堡乡 的金岗硅灰石矿业有限公司、十间房乡的十环矿业有限公司等几家公 司。矿区交通便利，矿场临近铁路沿线、公路干线( 新梨线、明沈线) ， 出口货物可直接通过沈大高速公路，运抵大连港和营口鲅鱼圈港；也可 通过新城子站、大青站、铁岭站、沈阳站等多处附近铁路运输站点送至 全国各个省区。 辽j 。t 程技术大学硕士学何论文 3 硅灰石的超细粉碎试验 3 1 试验原材料 本论文研究所选用的是辽宁省法库县冯贝堡乡的硅灰石原矿，其主 要化学成分( ) 见表3 一l 。 表31 硅灰石原矿主要化学成分( ) 利用实验室的破碎设备对硅灰石原矿进行逐级破碎，粗碎设备采用 x p c i 0 0 x15 0 型颚式破碎机，中碎设备采用p e x 6 0 10 0 型颚式破碎机， 细碎设备采用a x p 0 2 0 0 b 型圆盘粉碎机，细碎后采用m 2 0 0 标准筛筛 分出 l m m 的试样，再对这部分试样进一步筛分，其中 0 3 m m 的试样用于行星式球磨机。具体的试样制各流 程见图3 1 。 0 3 m m 原矿5 0 1 0 0 r a m 搅拌磨试样行星磨试样 图3 1 试样制备流程图 要 辽宁= 程技术大学硕士学位论文 3 2 试验材料x 射线衍射分析 对法库天然硅灰石进行x 射线衍射分析。测试是在d x 一2 型x 射 线衍射仪上完成的，工作条件为：管压3 5 k v ，管流3 5 m a ，c u 靶。衍 射图见图3 2 。 图3 - 2 法库天然硅灰石衍射图 硅灰石结构为针状、纤维状和放射状聚合体。所选用样品结晶程度 好，属于t c 型硅灰石，三斜晶系。图3 2 表明，原矿主要成分为硅灰石， 另外含有方解石和少量石英。 3 3 试验方法及所用设备 3 3 1 试验方法 ( 1 ) 采用生产现场的雷蒙磨对试样进行粉磨试验，研究雷蒙磨粉 碎硅灰石的效果。 ( 2 ) 根据试样制备流程对法库天然硅灰石原矿进行逐级破碎、分 辽宁工程技术大学硕十学位论文 1 6 级，为行星式球磨机、搅拌球磨机进行超细粉碎准备试样。 ( 3 ) 对行星式球磨机、搅拌球磨机采用正交试验考察各工艺参数 中对产物粒度及长径比影响最显著的因素。 ( 4 ) 选用行星式球磨机、搅拌球磨机为硅灰石粉制备设备，考察 不同粉碎方式、不同工艺参数对粉碎产物粒度及长径比的影响。 ( 5 ) 根据非金属矿物化性能测试和成分分析方法，对法库天然 硅灰石的各项指标进行测试分析，同时利用粉体综合特性测定仪对粉碎 后产品的综合特性进行测试分析。 3 3 2 试验设备 3 4 硅灰石的超细粉碎试验 随着现代工程技术的发展，许多基础工业对粉末物料的粒度、粒度 分布、粒形及纯度等提出了更细、更均一的要求。因为粉末物料的这些 特性不但决定了物料的比表面积、化学反应速率、烧结性能、吸附性、 补强性、扩散性，在液体介质中的悬浮性、溶解性以及光、电、磁性等 性能，而且还影响物料的应用范围和应用效果。在许多场合如：颜料、 医药、催化剂、精细陶瓷、磨料、磁性材料、固体润滑剂、金属粉末等 诸多方面都需要超细粉。因此，近年来超细粉碎已成为重要的加工技术， 受到各行各业的重视而快速发展起来心“”1 。 辽。j 。1 ：程技术大学硕士学位论文 硅灰石通常为针状、放射状、纤维状集合体，甚至微小颗粒仍保持 纤维状结构，由于其无毒、低吸油性、低吸水性、高的热稳定性和化学 稳定性、良好的介电性能、白度高等物化性质，被广泛应用于建筑陶瓷、 涂料、塑料、机械、电子、橡胶、化工、冶金和耐火材料等工业部门口“。 纤维晶体结构的硅灰石，经特殊的粉体加工工艺而成的针状粉可应用于 工程塑料和摩擦材料”。 针对硅灰石所具有的这些重要特性，同时为了提高产品的附加值， 必须在超细粉碎这一重要环节上充分重视。1 9 9 4 年批准实施的中华人民 共和国建材行业硅灰石标准( j c t 5 3 5 9 4 ) 将硅灰石产品按粒径分为五 类，见表3 - 2 。各类硅灰石又按产品质量分为优等品、一级品、二级品、 合格品四级，其技术指标详见表3 3 。 表3 - 2 硅灰石产品按粒径分类 检测项目 硅灰石含量( ) 二氧化硅含量( ) 氧化钙含量( ) 三烈 二二献蝴 烧： 置( ) 白度 吸油量 水萃液碱度 1 0 5 ( 2 挥发物含量 细块状，普通粉筛余量 度细粉，超细粉大丁粒径含量 技术要求 优等品 一级品 _ 二级品 9 0 8 0 7 0 4 8 5 2 4 6 5 4 4 4 5 6 4 5 4 8 4 2 5 0 4 0 5 0 0 20 4 0 8 2 54 06 o 9 08 5 7 5 1 8 3 0 ( 粒径小于5um ，1 8 3 5 ) 4 6 0 5 0 5 1 0 0 桃 咱 哪 枷 创 。 卅 纷 ， o 辽。j 。下程技术大学硕士学位论文 1 8 3 4 1 雷蒙磨粉碎硅灰石试验 法库县的硅灰石企业在对硅灰石的粉碎加工中，雷蒙磨的应用比较 广泛，粉磨后产品粒度为8 0 3 2 5 目。雷蒙磨属于无磨介运动式磨机， 又称悬辊式磨机，其主要构成部分是固定不动的底盘和做旋转运动的磨 辊。在底盘的边缘上装有磨环。磨辊绕垂直轴旋转时由于离心力作用紧 压在磨环上，与磨辊一起旋转的刮板( 又称铲刀) 将底盘上的物料撒到 磨辊与磨环之间，物料在磨辊与磨环之间由于受到挤压和研磨作用而被 粉碎。 本试验采用现场试验的办法，利用4 r 雷蒙磨粉磨法库天然硅灰石， 在进料粒度 3 0 m m ，空气分级机转速分别为6 0 0 r m i n ，7 0 0 r m i n ， 8 0 0 r m i n ，9 0 0 r m i n 情况下，制得硅灰石粉1 ，2 ，3 ，4 ，其粒度和长径比见 表3 4 。 表3 - 4 雷蒙磨分级机转速与产品粒度和长径比关系 雷蒙磨在粉磨过程中，产品的粒度通过改变空气分级机转速的办法 来调节。分级机转速增大，上升气流及其中的物料颗粒的旋转速度随之 增大，颗粒沿半径方向的离心沉降速度加快，如此可使气流中的物料颗 粒在通过分级机前后更多的沉降至气流速度较小的罩筒附近，并随之落 回到底盘上，只有尺寸更小的颗粒才能随气流离开磨机成为产品，因此 产品的粒度变细。反之，分级机转速减小，物料颗粒的径向沉降速度变 慢，大多数颗粒都能通过分级机作为产品卸出，故产品的粒度变粗。表 3 4 结果表明，随着空气分级机转速的增大，所得硅灰石产品粒度变细， 长径比减小。 用雷蒙磨粉磨后的硅灰石产品，长径比高是一大优点，但是产品只 是单一的粗粉，粒度大，无法达到超细目标，因此雷蒙磨只适合作为硅 灰石粗粉的生产设备，其不能满足硅灰石市场对硅灰石粉越来越高的要 求，不利于企业经济效益的提高。 辽宁工程技术人学硕十学位论文 1 9 3 4 2 行星式球磨机制备硅灰石超细粉试验 行星式球磨机是在普通球磨机的基础上发展变化而来的一种新型 粉磨机。它源于普通球磨机，与普通球磨机有许多相似之处。但它又优 于普通球磨机，粉碎性能为普通球磨机所远远不及。行星式球磨机是一 种借助特殊装置，使球磨简体既产生公转又产生自转来带动磨腔内的球 磨介质，以产生强烈冲击、研磨作用而使介质之问的物料被粉碎和超细 化的设备。分为立式、卧式两种。其特点是公转和自转相互作用使磨介 运动速度大幅度增加，从而提高了细磨效率。由于筒体安装在连接杆上 且个数较多，因此筒体体积不能太大：筒体绕传动轴公转，不能连续出 料，所以生产能力小，宜粉碎粒度更细的、价格高的粉体产品f 3 3 3 。 由于硅灰石在采用行星式球磨机干法粉磨一段时间后，试料易附着 在罐壁上，导致试料在下，磨球在上，造成空磨现象的发生，而且粉磨 时间越长，试料粒度越细，这种现象越严重。 所以本试验中行星式球磨机采用湿法磨矿的加工方式，考虑磨球配 比、充填率、自转转速、磨矿时间等条件对制粉效果的影响，采用正交 设计安排试验，采用圆盘粉碎机粉碎后经过筛分的硅灰石试样， d 。= 1 o m m ，l d = 4 5 2 ，设备见图3 3 ，试验条件安排见表3 5 ，试 验结果分析见表3 6 。 图3 - 3q m 一2 s p o 型行星式球磨机 辽宁t 程技术大学硕士学位论文 表3 5 行星磨试验因素与水平取值 abcd 磨球配比充填率为 自转转速r m i n磨矿时间m i n l1 ：42 03 0 03 0 21 ：63 04 0 06 0 31 ：84 05 0 09 0 注：上表中磨球采用氧化铝球，其配比为中6 m m ：中4 r a m 表3 6 行星磨超细粉碎正交试验结果表 磨球充填自转磨矿 粒度d 9 0 长径比( l d 】 序号 配比 窒 转速时间，um abcd试验结果试验结果 1ll1 1 x l = 2 0 7 5y l = 6 - 4 3 21222 x 2 = 1 3 4 3 y 2 = 5 - 1 5 31333x f6 9 2 y 3 = 5 叭 421 23 x 4 = 8 3 9 y 4 = 4 6 0 5223 lx ；= 1 2 7 9 y 5 = 5 1 2 623l2 x 6 = 2 0 7 3 y 6 = 4 9 2 73l32轴= 8 7 2 y 7 = 5 - 0 7 832 13 x 8 = 1 3 7 4y s = 5 6 8 933 2l x 9 = 1 4 9 5 y 9 = 4 9 9 k i j 4 1 1 03 7 8 65 5 2 2