原料的选择及加工处理

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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（特别是非金属矿物原料）在无机非金属材

2、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土。1（2）粘土的分类按成因分类一次粘

3、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 1580以上。难熔粘土 ：耐火度在 13501580 之间。易熔粘土： 耐火度在 1350 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： 水中不易分散，较坚硬，可塑性较小，呈致密块状。如：叶

4、腊石、瓷石2、粘土的组成（ 1）粘土的化学组成：主要成分是 SiO2，Al 2O3 和结晶水，同时含有少量碱金属氧化物 (K 2O，Na2O)；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（Al 2O32SiO22H2O） ：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（Al 2O34SiO2nH2O,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，其颗粒细小，可塑性极强，能提高坯料可塑性和干坯强度，

5、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 （K 2O3Al 2O36SiO22H2OnH2O）：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800左右开始烧结，完全烧结温度在 10001150。（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2细，一般直径在 2m 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

6、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 900)。微斜长石：解理交角呈 89o40，含 Na2O,含量超过 K 2O 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)NaAlSi 3O8nCaAl 2Si2O8 ，其中 n0100。此外

7、,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（1150 1530），熔化转变成白榴石(K 2OAl 2O34SiO2)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。5钠长石：钠长石的熔化温度较低，约 1120，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 (1550 )，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：

8、钡长石的熔点更高(1710 )，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-nA nlOnN8-n ，当 n=4.2 时可得到一种单相固溶体 相赛龙， 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， 100300MPa 下热压产生。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

9、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

10、，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 在室温下的稳定晶形为单斜晶体，但在1000oC 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

11、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

12、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筛分：（1）定义：筛分是一种应用较广泛的分级作业，将散状物料置于具有一定尺寸筛孔的筛面上，通过筛面和物料间的相对运动，即可使物料以筛孔尺寸为标准划分为筛上料和筛下料。（2）作用：使原料颗粒适合于下一制造工序的需要；在粉碎过程中及时筛去符合细度的颗粒，使粗颗粒得以充分粉碎，提高设备粉碎效率。选矿：（1）定义： 选矿是利用不同矿物的物理、化学性质的差异，将矿物集合体的原矿粉碎，分离出不同矿物并加以富集的操作。（2）方法：按照颗粒的 粒度来进行选矿：主要用于松散的小颗粒的或土状的岩石，如砂、粘土等，可采用水淘洗或空气

13、分离器来进行选矿。按照颗粒的 形状进行选矿：主要用于具有片状或针状的结晶矿物(如云母、石棉等)。按照密度来进行选矿：密度相差很大而颗粒大小相同的矿物所构成的松散物料，经淘洗或空气分离器，密度大的矿物降落在近处，而密度小的则落在较远处。浮选法：是利用颗粒被液体润湿的程度的差别，即表面润湿性质的差异来进行选矿的。磁选：是基于不同的矿物有不同的导磁系数，在磁选机中进行分选的方法。化学选矿：目前制备高纯原料的重要手段。它是利用一系列化学及物理化学、生物化学反应，将物料中有用成分提取出来的方法。原料的热处理：帮助碎化原料：大块的石英岩质地坚硬，粉碎困难。利用石英 573晶型转变所发生的体积效应， 将石英

14、在粉碎前预烧， 然后急冷， 使之产生内应力， 原料变脆，可以大大提高粉碎效率。改变结构形态： 特殊结构原料 （层、片状）成型时易造成分层和颗粒定向排列，引起产品变形和开裂。大量使用时应进行预烧，使其发生转变，破坏原有的片、层状结构。8减小收缩：可塑性很强的粘土，用量较多时，易使坯体在干燥和烧成过程中产生较大的收缩，导致制品开裂报废。为减少这类损失，有时将一部分粘土预烧成熟料，以降低坯体的收缩。稳定晶型： SiO2、Al 2O3、ZrO2、TiO2 等都有几种同质多晶体，加热过程中都有晶型转变并伴有体积效应。同时，各个结晶形态的性能也不一样。对于这类原料在使用之前一定要进行预烧，使其发生晶型转变

15、，得到所要求的晶型。2初加工的任务初加工的任务是为无机非金属材料工业部门提供矿物（岩石）单体颗粒粒级尺寸及有用矿物品位均合格的原料矿物，要求尽量保持及发挥目的矿物固有的技术物理性能和化学性能。二、原料的深加工深加工概念深加工是指经过初加工（破碎、筛分、磨矿、分级等粒级加工以及提高有用矿物品位为主要目的的选矿加工）后的矿物或岩石产品，再进一步进行深度的精细加工，使之在主要技术物理及界面化学性能上能符合高档次高性能产品的要求。深加工的主要方法（一）精细提纯1. 碱溶法提纯：如石墨的加工提纯；经过浮选后的石墨精矿中，杂质主要是极细粒浸染在石墨鳞片中的硅酸盐矿物和钾、钠、钙、镁、铁等的化合物，除去这些

16、杂质最有效的办法是采用 “碱溶 水浸 酸洗 ”的处理办法。其基本原理是在 500高温下石墨中的杂质与氢氧化钠起反应，一部分生成溶于水的反应产物，被水浸出除去。而铁的氧化物在碱溶后用盐酸中和，生成溶于水的氯化铁，通过洗涤而除去。主要加工设备是锚式搅拌机、 熔融炉、 V 型洗涤槽、 WG800 刮刀离心机、回转圆筒干燥机等。如图 4-1 所示。92. 酸溶法提纯：在许多原料的提纯作业中，最有害的杂质是各种含铁物质。用酸溶（浸）法往往获得较好的效果。该方法的基本原理是各种含铁的杂质可以与各种酸起化学反应，生成可溶于水的化合物，在固液分离中随溶液去掉。石英砂、硅藻土、石墨等矿物原料的提纯均可用此方法。

17、提纯设备有机械搅拌浸出槽、高压釜浸出器等，见图4-2，4-3。103. 氧化 还原漂白提纯：非金属矿物原料中有害的着色杂质主要是有机质 （包括碳、石墨等）和铁、钛、锰等矿物，如黄铁矿、褐铁矿等。由于有机质通过煅烧等方法容易除去，因此上述金属氧化物成为提高矿物白度的主要处理对象。采用强酸溶解的方法，固然能将上述铁、钛化合物大部分除掉，但是，强酸（如盐酸、硫酸等）在溶解氧化铁、氧化钛的同时，也会溶解氧化铝，从而有可能破坏高岭土等类矿物的晶格结构。因此，氧化 -还原漂白法在非金属矿物漂白提纯中占有重要的地位。目前常用的漂白方法包括氧化法、还原法、氧化-还原联合法等三种，其中还原法应用得最广泛。A氧化

18、漂白法高岭土等粘土类矿物中含有黄铁矿、有机物时，常使矿物呈灰色。这些物质用酸洗和还原漂白均难除去。氧化漂白法是采用强氧化剂，在水介质中将处于还原状态的黄铁矿等氧化成可溶于水的亚铁。同时，将深色有机质氧化，使其成为能被洗去的无色氧化物。所用的强氧化剂包括次氯酸钠、过氧化氢、高锰酸钾、氯气、臭氧等。以黄铁矿被次氯酸钠氧化的反应为例，其反应公式如下：2+2-FeS2+8NaClO Fe +8Na +2SO4 +8Cl在较强的酸性介质中，亚铁离子是稳定的。但当PH 值较高时，亚铁则可能变成难溶的三价铁，失去其可溶性。除了 PH 值的影响外，氧化漂白还受到矿石特性、11温度、药剂用量、矿浆能度、漂白时间

19、等因素影响。图4-4 是高岭土氧化漂白生产流程。B还原漂白法连二亚硫酸盐漂白法：对粘土类矿物进行还原漂白时最常用的连二亚硫酸盐是连二亚硫酸钠，又称低压硫酸钠，工业上又称为保险粉，分子式是 Na2S2O4 。工业上可利用锌粉还原亚硫酸来制得。 保险粉是一种强还原剂， 碘、碘化钾、过氧化氢、亚硝酸等都能被它还原。粘土类矿物中存在的三价铁的氧化物，不溶于水，在稀酸中溶解度也较低。但若矿浆中加入保险粉，氧化铁中三价铁可能被还原为二价铁。由于二价铁易溶于水，经过滤洗涤即可除去。其主要反应为：12Fe2O3+Na2S2O4+H2SO4=Na2SO4+2FeSO3+H2O影响这一还原反应过程的因素很多，但主

20、要是矿浆酸度、温度、药剂用量和反应时间、加入添加剂等。C氧化 还原联合漂白工艺：将高岭土进行煅烧氧化，再与水调制成30%的矿浆浓度，放入搅拌器中搅拌，加入连二亚硫酸钠再次漂白，然后过滤干燥，可得到高纯度的高岭土原料。4. 高温煅烧提纯高温煅烧作为一种提纯手段，主要是将非金属矿物中比较容易挥发的杂质（如碳质、有机质等，以及特别耐高温的矿物中耐火度较低的矿物通过煅烧而挥发掉。对于许多矿物，煅烧处理同时具有提纯和改性两种功能，这里只涉及提纯，改性的内容，将在后面有关章节中介绍。A石墨煅烧提纯石墨的这种提纯方法又叫热力精练法，其基本原理是利用石墨能耐高温的性质，把石墨置于特别的电炉中隔绝空气加到 25

21、00时，石墨中的灰分杂质被蒸发出去，而石墨则再结晶，从而使石墨的纯度大大提高。石墨的高温提纯是在特别的纯化炉中进行的。这种炉用耐火砖砌成，两端插入石墨电极，通入 4570V 低压交流电。电流大小随炉子的规格尺寸而定，一般都在 4000A以上，由单相电炉变压器供给。炉内温度开始时直线上升，达到2500时，保持72 小时。石墨在纯化过程中需要严格保温、绝缘并与空气隔绝， 多用粒度小于 200 目的炭黑作为保温绝热材料，也有用石英和焦碳混合物（粒度 510mm）作为覆盖层。这种高温提纯能使石墨提纯到 99.9%。如果在纯化炉内通入氯气和氟气，最后通人氮气，可使杂质更容易挥发，可将石墨纯度提高到 99

22、.9999.999%,而且可使纯化温度适当缩短。采用高温法提纯石墨，虽可得到光谱纯的石墨产品，但该法耗费大量电能，而且纯化所需时间较长，一般需要延续几昼夜。同时还需使用较多的含碳材料作为充填材料，在石墨纯化过程中，这些材料有一部分被烧透。从国外对高温纯化石墨的研究资料表明，石墨杂质的析出速度取决于纯化炉的构造，而与纯化时间无关。石墨经纯化后，其灰分总量在 10-3%（以重量计）以下，其中 Fe、Al 、B、Mn 、Cu、Mg 含量小于或等于（ 13）x10-5%(重量计 )，Si 及 Ca 含量低于 10-4%（重量计）。对石墨纯化过程中杂质分离的动力学研究表明，在氯或氟的气氛中升温至2000

23、2200时，大多数杂质含量降低 2 个数量级，所需时间为 1030 分钟。因此13认为，石墨纯化时间不应超过几十分钟。B硅藻土煅烧提纯由于硅藻土是一种生物硅质沉积岩矿物，因此原矿中不可避免地伴生有大量的有机质和粘土类矿物。由于硅藻土的特殊孔隙结构，赋存于空隙内的杂质很难用常规选矿方法除去。虽然酸浸法能提高硅藻土品位，除去其中许多有害杂质，但由于硅藻土吸附能力极强，适得酸溶液中的某些杂质又会进入硅藻；同时酸洗的成本较高，又容易造成严重的环境污染，因而并非硅藻土提纯的最佳方法。煅烧法是提纯硅藻土的有效方法之一，尤其是对于除去其中的有害杂质具有良好的效果。例如对腾冲产硅藻土进行煅烧，使温度升高到 8

24、000C（保持 2 小时）时，其 SiO2 品位从 89.07%提高到 94.31%，再升高温度 SiO2 含量变化不大。这说明，在8009000C 温度下，硅藻土中的有机质及挥发性物质已基本除尽。相反，过高的温度会破坏硅藻结构。还原络合处理后， 高温煅烧除了烧掉残存的有机质以外， 当加温到 5906000 C 时，其中夹杂的高岭土等粘土矿物发生吸热反应，发生分解并失水：2O3（OH）4600 C222OAlSiAlSi +H有时局部出现 Al 2(SiO)3 等复盐的反应过程。复盐受热后又分解产生 Al 2O3 、 Al 2O3 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

25、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01200 1300 C 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%, Al 2O3 含量从 1.50%提高到 6.85%，CaO 从 0.35%降至 0.30%， Fe2O3 由 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

26、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。14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（ -OC

27、H）、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%、 Al 2O336.68%、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

28、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 d10m 的粉体物料称为 “超细粉体 ”。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

29、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

30、、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15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

31、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

32、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

33、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、16高岭土、硅灰石、硅藻土、云母、重晶石、膨

34、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

35、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）、循环管式、特罗斯特型及流态化床式（沸腾床式）气流粉碎机等。气流粉碎机是最常用的原料超细粉磨设备之一， 其产品粒度一般可达 1 5um。经过预先磨矿，降低入磨粒度， 这种磨机可得到平均粒度小于 1um 的产品。除了产品粒度细外，气流粉碎产品还具有粒度分布较窄、颗粒表面光滑、形状完整、纯度高、活性大、分散性高等特点。因此，气流粉碎机作为先进的超细粉碎设备，广泛应用于非金属矿和化工原料的超细粉碎加工。17181920（三）矿物改型和改性非金属矿物原料的改型和改性，也是非金属矿物深加工的主要方式之一。它可以随着科学

36、技术的发展水平和工业应用的需要，选择适当地处理方法，有目的地改变矿物或其表面的物理化学性能，以提高其使用价值和开拓新的应用领域。改型和改性的定义：改性：凡是能改变非金属矿物的离子交换种类和可交换性，改变矿物结构内部孔隙率和膨胀性，改善矿物的吸附性，表面亲油（亲水）性及其他各种物理化学性能的技术，均可认为是对非金属矿物的改性。改型可以认为是改性的一种特殊型式，专指膨润土等矿物通过化学处理而使可交换性阳离子种类发生变化的深加工工艺技术。改性的方式1、化学处理改性通过矿物与酸、碱、盐等化合物作用，改变或改善矿物的理化性能。通过化学处理改性，可以改变矿物结构内部的可交换阳离子种类，甚至可在矿物结构内部

37、生成特殊的化合物，从而使矿物的物理化学性能有极大改变。化学处理的原则是 :用酸浸出原料中的金属盐和碱 (土)金属物质，用碱浸出非金属氧化物。如鳞片石墨在酸和氧化剂作用下，层片结构内形成一种特殊的层间化合物从而成为具有特殊性能的可膨胀石墨。粘土类矿物经过酸等处理后，其吸附性能、离子交换性能、和其它性能均得到明显改善。活性白土制备,人工钠化土 ,合成沸石 ,天然沸石改型,各类吸附催化剂、化学漂白 ,各类粘土或非粘土矿物的吸附、脱色 ,催化剂与载体功能材料的加工制备等都可通过因此，化学处理法已成为对非金属矿物进行改性的最广泛的方法之一。活性白土制备 ,人工钠化土 ,合成沸石 ,天然沸石改型 ,各类吸

38、附催化剂、化学漂白 ,各类粘土或非粘土矿物的吸附、 脱色 ,催化剂与载体功能材料的加工制备等都可通过化学处理改性方法而获得。其中有些改性产物实际上已改变了原有矿物成分、晶体结构与元素组分 ,变成了新的一类人造矿物。如果能在非金属矿物提纯或活化 (酸,碱等浸出 )中获得金属、金属氧化物及其盐的副产品 ,这将是今后非金属矿产及其尾矿综合利用的发展方向。与非金属矿产不同 ,金属矿产的化学处理 ,主要是实现化学选矿与湿法冶金。其主要目的是处理低品位、细嵌布、难选的贫矿 ,浸出有用元素 ,最终获得化学精矿或单独产品 (金属或金属化合物 )。在金属矿产的化学处理中 ,被浸去21融入溶剂的是有用元素 ,它是

39、以离子形式存在的 ,须要经过一系列化学反应手段回收处理 ,包括离子交换 ,溶剂萃取 ,离子沉淀及置换沉淀等工艺获得化学精矿。如进一步采用电解等方法 (可溶性阳极或不溶性阳极电解等方法 ),可直接制取金属产品 .目前较为成熟的化学处理改性工艺有：膨润土的化学处理改性（钙基膨润土的钠化，活性白土的制备，膨润土凝胶，有机膨润土制备)、石墨的化学处理改性（石墨层间化合物、膨胀石墨、氟化石墨）、沸石的化学处理改性、海泡石和凹凸棒石的化学处理改性等。举例：膨润土的化学处理改性（改型）（1）膨润土改性的基本原理（2）常见的膨润土改性钙基膨润土的钠（或锂）化向钙基膨润土中加入一些钠盐或锂盐（碳酸钠或碳酸锂）用

40、Na+（或 Li +）置换蒙脱石层间的 Ca2+、Mg 2+，从而转化为钠（锂）基膨润土。膨润土的酸化在强酸性溶液中， 蒙脱石层间可交换的阳离子Mg2+、Al 3+等被 H+部分或全部22置换，得到酸性白土，又称活性白土、漂白土等。膨润土的有机化为了使膨润土的膨胀、吸附、粘结、触变等优良件能在非极性或弱极性溶剂中显示出来而对膨润土进行的有机化处理。膨润土的有机化改型，就是用有机阳离子(有机胺盐类 )，置换蒙脱石晶片中可交换的阳离子(如 Na+等 )，使其覆盖于蒙脱石表面，从而堵塞了水的吸附中心，使其失去吸附水的作用，从而生成一种疏水亲油的有机膨润土络合物。2、表面处理改性所谓表面改性，通过矿物

41、与有机偶联剂等改性剂作用，改善其表面化学性能，或与其它涂敷材料作用，改善其表面物理或机械性能。利用矿物或岩石表面的界面化学性能及其在介质 (水 )或电介质溶液中的行为 , 使用某些药剂进行处理 ,以达到所要求的新的界面特性 ,这就是界面化学改性。改变矿物润湿性与电性的药剂一般为表面活性剂。 改变矿物导电性的药剂 ,通常是各种电介质。偶联剂是另一类表面活性剂，它主要用以改变矿物与聚合物复合时的界面化学处理胳性粘结性能。其他材料如有机硅化合物高分子化合物，中性油及有机聚合物等也常被利用。举例：偶联剂对橡胶、塑料填料的表面改性偶联剂：是一种具有两性结构的物质，分子中一部分基团可与无机矿物填料表面的各

42、种化学基团反应形成强有力的化学键合，另一部分基团则具有亲有机物的性质，可与有机高分子发生化学反应或形成物理缠绕，在无机矿物与有机高分子之间形成特殊功能的 “分子桥 ”，从而把两种性质差异很大的材料牢固结合起来。233、热处理或高温处理改性通过加热的方法或高温煅烧的方法，使矿物的物理或化学性能得到改变或改善。按矿物经处理后在形态、组成、结构等方面的变化，矿物热处理分为：（1）改性热处理指经热处理后，矿物除了表面自由水、内部吸附水或结构水发生分解外，其它化学成分变化不大的热处理方法。举例：高岭土的热处理改性改性机理：（2）高温膨胀煅烧矿物经热处理后，结构上急剧膨胀，物理性质（主要是密度）发生巨大变

43、化。举例：珍珠岩的煅烧膨胀珍珠岩是火山喷发的酸性熔岩（ SiO2 含量在 70左右）经急速冷却而成的玻璃质岩石。膨胀机理：这种岩石从火山内部喷发出来时内于粒度很大、存在于岩浆中的水蒸气因急速冷凝来不及逸散、便形成每立方毫米内约有十几万个以上的极其微小的水泡，均匀分布在岩石中。当这些岩石突然受高温作用时，小水泡迅速汽化，体积增大，最后冲破阻力爆发出来， 在玻璃质岩体中留下空洞 从而实现岩石的膨胀。（3）高温分解煅烧矿物经热处理后，在主要化学成分上发生重大变化。主要指 碳酸盐矿物 。举例：石灰石的煅烧及轻质碳酸钙的加工石灰石的煅烧24轻质碳酸钙的加工轻质碳酸钙通常是指用 Ca(OH)2 吸收 CO

44、2，经沉淀、脱水、 干燥后产出的白色粉末状物品。煅烧工艺消化工艺碳化工艺（4）高温熔融煅烧固体矿物或岩石在达到熔点的温度下转变为液相高温流的工艺过程。包括单一成分的熔融及复合成分的熔融。深加工矿物材料中其矿物基本结构与化学成分一般不发生本质的改变且依然保持着矿物的单一材料性与固体分散相特征，但其所被利用的主要技术物理性能和化学性能（界面性能）则发生了质的飞跃，其产品附加值将几倍几十倍地提高，如有机膨润土、高性能石墨乳、无菌超细滑石粉等。矿物材料深加工既是科学，也是技术，其发展水平是一个国家科学技术水平先进性的标志之一。思考题1、粘土的成因，一次粘土和二次粘土的性能比较。2、名词解释：粘土的可塑性、触变性、离子交换性、烧结性能。3、什么是非金属矿物的改型和改性，改性方式主要有哪几种，各举一例加以说明。25