原料的选择及加工处理

1、第四章 原料的选择及加工处理本章内容及要求1. 本章共两节，教授课时 2 学时，通过本章学习，要掌握无机非金属材料生产过 程中原料的种类于加工处理方法。4.1 原料的选择4.2 原料的加工处理2. 重点：各种原料的性能特点；原料的改型和改性3. 要求： 掌握粘土的成因、分类与组成； 掌握粘土的工艺特性； 了解石英和长石原料的特点； 了解原料初级加工的方法与任务； 了解原料深加工处理的方法和用途； 掌握原料的改型和改性处理方法。第一节 原料的选择一、原料的种类无机非金属材料的原料种类繁多，但根据来源可分为天然矿物原料、人工合成 原料和工业固体废料三种。天然矿物原料： 天然矿物原料（特别是非金属矿

2、物原料）在无机非金属材料生产中占有十分重 要的地位，目前应用较广泛的有：金刚石、石墨、刚玉、石英、金红石、水镁石、 橄榄石、锆石、石榴子石、 红柱石、蓝晶石、夕线石、 硅灰石、 石棉、粘土矿物（高 岭石、蒙脱石、海泡石、累脱石、角闪石、叶蜡石、云母、蛭石、长石、沸石、方 解石、菱镁矿、白云石、重晶石、萤石、石膏、珍珠岩等矿物岩石材料。（一）粘土类原料粘土是自然界中硅酸盐岩石（主要是长石）经过长期风化作用而形成的一种疏 松的或呈胶状致密的土状或致密块状矿物，是一种或多种含水铝硅酸盐矿物的混合 体。1、粘土的成因和分类（1）粘土的成因 各种富含硅酸盐矿物的岩石经风化、水解、热液蚀等作用都可以变成粘

3、土。(2) 粘土的分类 按成因分类一次粘土： 又称残留粘土或原生粘土，即母岩经风化崩碎后就地残留下来的粘土。 特 点：质地较纯，耐火度较高，但颗粒较粗，可塑性较差。二次粘土： 又称沉积粘土或次生粘土，是由风化而成的一次粘土经雨水、河川的漂 流及风力作用，而迁移在低洼的地方沉积形成的粘土层。特点：颗粒细小，可塑性 强，耐火度较低，常因混入呈色杂质而带各种颜色。 按耐火度分类耐火粘土：耐火度在1580C以上。难熔粘土 ：耐火度在13501580 C之间。易熔粘土：耐火度在1350 C以下。 按可塑性分类高塑性粘土： 颗粒较细，水中易分散，可塑性好，呈疏松状。如：膨润土、 木 节土。低塑性粘土： 水

4、中不易分散，较坚硬，可塑性较小，呈致密块状。如：叶腊石、 瓷石2、粘土的组成(1) 粘土的化学组成：主要成分是 SiO2, AI2O3和结晶水，同时含有少量碱金属 氧化物(K2O, NO)；碱土金属氧化物(CaO, MgO)；着色氧化物(Fe2O3，TiO2)等。(2) 粘土的矿物组成高岭石类(AI2O3 2SiO2 2H2O):最常见的粘土矿物，由其作为主要成分的纯 净粘土称为高岭土。吸附能力小，可塑性和结合性较差，杂质少，白度高，耐火度 高。蒙脱石类(AI2O3 4SiO2 nH2O,n2)：遇水体积膨胀形成胶状物，具有很强的吸 附力和阳离子交换能力，以蒙脱石为主要矿物的粘土称为膨润土，其

5、颗粒细小，可 塑性极强，能提高坯料可塑性和干坯强度，但杂质较多、收缩大、烧结温度低，坯 料中膨润土的用量一般为 5%以下。伊利石类(K2O 3AI2O3 6SiO2 2H2O -nH2O)：又称水云母，一般可塑性低，干 燥后强度小，干燥收缩小，烧结温度较低，一般在 800C左右开始烧结，完全烧结 温度在10001150C。(3) 粘土的颗粒组成 粘土的颗粒组成是指粘土中含有不同大小颗粒的百分含量。粘土矿物颗粒较 细，一般直径在2叩以下。蒙脱石、伊利石类粘土的颗粒比高岭石类粘土细小。粘 土颗粒越细，可塑性越强，干坯强度、干燥收缩也越大。3、粘土的工艺性能（1）可塑性： 是指粘土与适量水混练后形成

6、的泥团，在外力作用下，可塑造成 各种形状而不开裂，当外力除去以后仍能保持该形状不变的性能。可塑性指数：粘土的液性限度（由塑性态进入流动态的最高含水量）与塑性限 度（由固体态进入塑性态的最低含水量）之间的差值。可塑性指标： 指在工作水分下， 泥料受外力作用最初出现裂纹时应力与应变的 乘积。强塑性粘土：指数 15指标 3.6中塑性粘土：指数 715 指标 2.53.6弱塑性粘土：指数 17指标 2.5非塑性粘土：指数 900C)。微斜长石：解理交角呈89o40,含Na2O,含量超过K2O时称钠微斜长石或歪长石。 斜长石亚族：钙、钠长石的连续类质同相系列。解理面交角 86o化学组成为(100-n)N

7、aAISi 3O8卜nCaAI 2Si2O8，其中n = 0100。此外,往往有钾长石以类质同 相混入物存在。钡长石亚族： 是钾、钡长石类质同相系列，解理面交角近90o。2、长石的性质钾长石：具有很宽的熔融范围(1150C 1530C),熔化转变成白榴石 (K2O-Al2O3 4SiO2)和氧化硅。高温下钾长石熔体的粘度很大，且随温度的增高降 低得很慢。钠长石：钠长石的熔化温度较低，约 1120C，熔化时无新相产生，液相的组成 与晶相相同，粘度较低。在烧成过程中易引起坯体变形，但有利釉面的平整度。与 钾长石相比较，能迅速烧结和熔融，并能大量溶解石英和粘土。钙长石：钙长石的熔点较高（1550C

8、），熔融温度范围窄，高温下熔体不透明，粘 度也小，故斜长石在陶瓷生产中多不采用。钡长石：钡长石的熔点更高（1710C ），熔融温度范围不宽，普通瓷制品不选用。 但其电学性能好，特别是介电损耗低，是无线电陶瓷的主要原料。人工合成原料应用较广泛的有氧化铝、氧化锆、莫来石、碳化硅、氮化硅、碳化硼、塞龙（Sialon） 材料等。塞龙材料是以组成这种材料的四种元素（Si, Al，O, N）的符号首字母来命名 的，化学式为Si6-nAnlOnN8-n，当n=4.2时可得到一种单相固溶体 一B相赛龙，B 赛龙可由细分散的SiN粉、Al粉和刚玉粉的混合物在18001900摄氏度，100 300MPa下热压产生

9、。赛龙材料高温时强度高，耐氧化、热膨胀性小、导热性中等， 有较好的稳定性和耐磨性而成为一种新型的高温结构材料。 人工合成新原料正在不断出现，在许多无机非金属新材料中得到了广泛的应用。 工业固体废料 工业固体废料主要有粉煤灰、炉渣、矿渣、煤矸石、尾矿及其它工业固体废料，在 新型建筑材料特别是墙体材料中得得到广泛应用。结合剂原料和添加剂原料 分无机粘结剂、有机粘结剂、复合粘结剂三种，各类添加剂原料种类更多，将在后 续章节中分别介绍。二、原料选择的依据大多数无机非金属材料是由上述多种原料制成的。为了在选用原料时做到主次分 明，也可以把原料大致分为主要原料（基本原料） 、辅助原料和结合剂（粘结剂） 及

10、添加剂。主要原料是形成材料产品使用性能的基础，辅助原料用于协助主料达到 或改善材料产品的使用性能，并在工艺过程中发挥调节作用。结合剂一般用于改善 材料的成型条件，使坯体或制品形成一定的形状。添加剂主要用于对制品性能和外 观特征进行局部性调整（如着色等） 。无机非金属材料的结合剂和添加剂可以是无 机的，可以是有机的，也可以是金属的。原料选择的依据是：6（1）原料的选用既要考虑其化学组成和结构特性，还必须充分考虑或利用物相 在制造和使用过成中的晶形、体积变化和与介质的化学反应。很多天然原料，如二 氧化硅、氧化铝、氧化锆、蓝晶石、蛭石等在加热或冷却过程中伴随有晶形变化和 体积变化。ZrO2在室温下的

11、稳定晶形为单斜晶体，但在 1000C以上转变为四方晶 形，伴随有很大的体积变化。石英在不同的温度下具有多种晶形变化和体积变化， 这种变化对材料性能都会产生一定的影响。故要注意各种原料在生产过程中的相变 和体积变化及对材料性能的影响。（2）原料品质（成分、粒度、杂质）波动范围小。（3）尽量选用成分、结构、物理化学性能与所设计材料产品性能相适应的原料。（4）原料特点要适应加工工艺技术条件的要求。（5）原料来源丰富、价格低廉，在生产过程中没有环境污染或环境污染性很小。第二节原料的加工处理一、原料的初加工1 初加工概念初加工是指传统的矿物、岩石原料的机械加工，包括矿物、岩石原料的破碎、筛分、 磨矿、分

12、级等粒级加工，以及提高有用矿物原料品位为主要目的的选矿加工。破碎：（1）定义：是指在外力作用下，固体物料克服质点间的内聚力，使大块物料变成 细小颗粒的总过程。（2）方法与分类表粉碎作业分类股数培料粒度/mtn产乱竝度/mm粗砰【第一段砸辟）鶴大矿I590-100Q 井下开采600*防&250-12520*126中碎第二段破碎25(12550-25細碎第三戦碓碎）S(K25磨粗磨1皿5M.5中A2-0.5-200 S占70咛嗨中醫产品一(20032&) 0 ?T90V95ft圳曙产品5(1011期擢粉禅遨粉碎产品5jim徹细 VI l|im超细 Al2Si2+H2O有时局部出现Al2（SiO）3

13、等复盐的反应过程。复盐受热后又分解产生aM2O3、 BM2O3的同质多相体，他们在随后的酸洗过程中，与热盐酸反应，生成可溶性盐 而被除掉，从而使硅藻土得到提纯。C 滑石煅烧提纯在某些类型的滑石矿中，有时伴生滑石石墨片岩。由于富含杂质，使得滑石呈 深灰色甚至黑色，这将严重影响其应用。提纯这种滑石的一般方法是，将矿石在 120013000C下煅烧，然后进行筛分和磁选处理。例如某些滑石矿采用这种方法处 理，使滑石中成分 MgO从23.21%降至22.13%，SiO2含量从64.76%提高到68.52%, AI2O3含量从 1.50%提高到 6.85%，CaO 从 0.35%降至 0.30%，FQ 由

14、 1.20%降至 0.25%, TiO2由0.48%降至0.05%。栖霞滑石矿占总矿量20%的三级黑滑石，经煅烧 后除去石墨，得到的高级产品用于出口。D 高岭土煅烧提纯在煤系高岭土中，由于其中含有碳及有机质，高岭土常呈灰黑色，对于次生堆 积-变质型高岭土，也常受到其他显色有机物的污染。采用化学氧化法，虽然能漂白， 但最简单、最有效而且无废水污染的方法则是对其进行煅烧处理。煅烧不但能除掉 有机污染，提高其纯度和白度，而且作为一项专门处理工艺，煅烧还起到改善高岭 土性能的作用。在普通地层粘土及土壤中，有机质只有一小部分以游离状态存在，而绝大部分是与 土壤中矿物质相互结合。这些有机质主要是腐殖酸，其

15、中含有各种官能团，如羟基（-COOH）、酚羟基（酚-OH）、醇羟基（醇-OH）甲氧基（-OCH）、醛基（-CHO）、 羰基（C=O）、醌基等。其中羰基、醛基、醌基是显色基因，因此，含有机质的高 岭土的颜色主要与炭质及上述显色基团有关。当高岭土受到煅烧时，这些有机质被 分解氧化而挥发掉，高岭土白度回显著提高。苏州某次生堆积 -变质型高岭土，其自然白度仅为 71%。将其按特级瓷土的机选生 产工艺加工处理后，其自然白度提高到近 80%，其化学成分： SiO2 43.70%、 Al2O3 36.68%、 Fe2O3 0.36%、总有机质 0.48%。将其在不同温度下煅烧的结果见表 3-13。随着温度的

16、升高，有机质含量逐渐下降，虽然 Fe2O3含量略有上升，但白度却大幅 度的提高。非金属矿物原料焙烧和煅烧设备分为连续式焙烧和间歇式焙烧两种。前者有隧 道窑、回转窑、旋转立窑等。后者有倒焰窑、梭式窑等。就焙烧过程中物料在窑炉 中运动状态而言，可分为三种：固定床静态间接加热焙烧窑（遂道窑、梭式窑、 倒焰窑），这种窑型物料均放在匣钵中静态间接加热焙烧。半固定床状态焙烧窑， 如回转窑、旋转立窑等，与物料接触部分旋转运动，其它部分固定，物料可旋转翻 动。流化床动态窑，物料在焙烧过程中处于流化状态，有利于传热和均匀焙烧。（二）超细粉碎及精细分级：在非金属矿物原料加工中，一般将 d 10im的粉体物料称为超

17、细粉体”超细 粉体由于粒度细、质量均匀、缺陷少，因而具有一系列特殊的应用性能。如比表面 积大、表面活性高、化学反应速度快、溶解度大、烧结温度低且烧结体强度高、作 为复合材料补强材料性能好以及独特的电性、磁性、光学性能和流变性等等。 超细粉体的应用始于本世纪第二次世界大战之后，尤其是近二十年来，随着以信息 技术、微电子技术、新材料、新能源技术、航空航天技术、生物技术、环保技术等 为特征的现代高技术产业的崛起以及对超细粉体特殊性质的认识和超细粉体加工 制备技术的发展，非金属矿物超细粉体在现代工业和高技术新材料的相关领域得到 了广泛的应用。超细粉碎的主要方法有机械式超细粉碎、气流式超细粉碎和精细分级

18、等深加工 方法。超细粉碎是非金属矿深加工的最重要技术之一。随着科学技术的发展，现代 高技术陶瓷原料，新型涂料、油漆、橡胶、塑料、造纸等的填料，以及微电子材料、 航空航天密封材料、高级耐火材料及保温隔热材料、精细磨料及摩擦材料、化学复 合材料等对非金属矿超细粉料的要求迅速增长。许多工业部门要求非金属矿固体粉末应具有较细的颗粒、严格的粒度分布、规整的颗粒外形和极低的污染程度。例如 石墨、滑石、高岭土、硅辉石、云母、重晶石、碳酸钙、膨润土、硅藻土等的非金 属矿超细粉末，有的粒度要求很细，平均粒径仅数微米，甚至 1um 以下；有的要求 粒度分布狭窄，产品中的粗大颗粒里含量极低，甚至完全没有；有的要求颗

19、粒表面 光滑，没有棱角、凸起或凹陷，颗粒形状应接近于球形、圆形、方锤形、针形或其 他规整形状；有的要求有较高的纯度，杂质允许含量常以百万分（ppm ）计。许多白色粉体，尤其不能被带色的金属（铁、锰、铬、钒、铜等）氧化物杂质所污染。 所有这些要求，都要通过微粉碎、超微粉碎以及精细分级来实现。由于超细粉碎过程中的物料细度达微米级，与粗粒粉体相比，具有显著不同特 点：首先，微米级产品的比表面积和表面能很大，因此在粉碎过程中，颗粒与颗粒 间的相互作用力大大增加，相互吸附、粘结的趋势增大，在一定程度上，颗粒处于 粉碎与聚结的可逆动态过程；其次，随着矿物粒度减小，矿物成矿过程中形成的晶 体缺陷减少，抵抗外

20、力的强度相对增大。因此，在超细粉碎过程中，一般需要同时 设置精细分级设备，以便及时分级合格微细粒，避免微细颗粒的再聚集。另外，通 过填加粉碎助剂（助磨剂） ，可以降低微细矿粒的强度，改善磨矿和环境，提高超 细粉碎的效率。超细粉碎工艺的关键是超细粉碎设备，包括各种机械式和气流式粉碎机。除此 之外，还有精细分级机，产品输送、介质分离、除尘、检测等设备，与主机共同构 成超细粉碎系统。超细粉碎设备包括微粉碎机和超微粉碎机。目前对超细粉碎设备的分类虽然还 不太一致，但从产品粒度要求看，大体可分为球磨机、辊式转动磨机、介质搅拌磨 机和气流分碎机等。为了开发非金属矿的深加工及制品，近年来许多国家都大力研究微

21、粉碎和超微 粉碎技术设备，主要包括机械式和气流冲击式粉碎机两大类。机械式粉碎机包括震 动磨机、悬辊式粉碎机、搅拌磨机、塔式粉碎机、胶体磨机、离心磨机、挤压磨机、 高速粉碎机等。它们大都属于微粉碎设备，虽然对于硬度较低的脆性物料，也能起 某种程度的超微粉碎作用，或对某些聚集体或凝聚体形态存在的物料，也能起某种 程度的超微解磨作用，但用这些设备生产的产品细度、粒度分布、产品纯度等，往 往难以达到工业应用部门的要求。而作为超微粉碎设备的气流粉碎机，其产品在细 度、粒度分布、纯度等方面则显示出优良性能。从 60 年代到 70 年代，发达国家的气流粉碎机技术迅猛发展。到 80 年代，气 流粉碎技术进入稳

22、定成熟期。我国曾于 60 年代开始研制小型扁平式和等截面循环 管式气流粉碎机，近年来又引进、消化吸收研制了一些新机型，并在石墨、滑石、 高岭土、硅灰石、硅藻土、云母、重晶石、膨润土等非金属矿产品的深加工中得到 应用。但是，我国气流粉碎机的设计、制造水平与发达国家相比还有一定差距，机 械式粉碎机还仍是粉体加工的主要设备之一。 机械式超细粉碎设备及工艺 机械式超细粉碎设备是依靠高速旋转的各种粉碎体，如回转齿盘上的齿柱、旋转的 粉碎锤头和粉碎叶轮上的叶片等，来碰撞因离心力而分散在粉碎室内壁处的粗颗 粒，或者赋于这些矿粒以线速度，使颗粒之间发生冲击碰撞。这类粉碎机包括悬辊 式粉碎机（图 4-5）、振动磨机、搅拌磨机（图 4-6、4-7）、塔式粉碎机、胶体磨机、 离心磨机、挤压磨机、高速粉碎机等。 气流式超细粉碎设备及工艺 气流粉碎机是利用高压气流使物料之间相互受到冲击（碰撞） 、摩擦及剪切作用而 达到粉碎目的，是一种应用广泛、高效的超微粉碎设备。常用的主要有扁平式（图 4-8）、循