資源型礦物簡介、高嶺土

十二、高嶺土東北大學(xué)礦物材料與粉體技術(shù)研究中心高鵬第三章、非金屬礦物分述12.1、高嶺土基本特征高嶺土：又稱為“高嶺石粘土”，俗稱為“瓷土”。高嶺土是一種以高嶺石為主要成分可塑性很強(qiáng)的粘土。是在濕熱條件下，由富含鋁酸鹽礦物的巖石風(fēng)化而來，也可由熱液蝕變或表生沉積作用形成。高嶺土原礦外觀呈白、淺灰等色，含雜質(zhì)時呈黃、灰或玫瑰等色；致密塊狀或疏松土狀，質(zhì)軟，有滑膩感，硬度?。幻芏葹?.4~2.6g/cm3；耐火度高，可達(dá)1700~1790℃；具良好的絕緣性和化學(xué)穩(wěn)定性。純凈的高嶺土煅燒后顏色潔白，白度可達(dá)80%~90%。高嶺石：礦物名。

化學(xué)式為：Al4[Si4O10](OH)8、Al2Si2O5(OH)4、Al2O3·2SiO2·2H2O。理論化學(xué)成分為SiO246.54%，Al2O339.50%，H2O13.96%。高嶺土中的高嶺石一般為無色或白色的細(xì)小鱗片，單晶體呈六方板狀或書冊狀，平行連生的集合體往往呈蠕蟲狀或手風(fēng)琴狀，粒徑以0.5~2μm者為多，個別蠕蟲晶體可達(dá)數(shù)毫米。高嶺土的礦物組成風(fēng)化型高嶺土礦是以砂質(zhì)高嶺土為主，有用礦物以高嶺石為主，次為埃洛石。其它礦物有石英、長石、云母、褐鐵礦等。石英、長石、白云母可綜合回收、利用。熱液蝕變型高嶺土礦，主要礦物有高嶺石、地開石、埃洛石。其它礦物有黃鐵礦、明礬石、石英、云母、葉蠟石、蒙脫石等。其中黃鐵礦、明礬石、石英可綜合回收利用。沉積型高嶺土礦，主要礦物為高嶺石。少量的有機(jī)質(zhì)、水鋁石、勃姆石、石英、云母、蒙脫石、赤鐵礦、金紅石等。其他礦物為雜質(zhì)，沒有回收價值。12.2、高嶺土的工藝特性1．白度和亮度白度是高嶺土工藝性能的主要參數(shù)之一，純度高的高嶺土為白色。白度可用白度計測定。白度計是測量對3800—7000?波長光的反射率的裝置。在白度計中，將待測樣與標(biāo)準(zhǔn)樣(如BaSO4、MgO等)的反射率進(jìn)行對比，即白度值(如白度90即表示相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)樣反射率的90%)。2．粒度分布高嶺土的粒度分布特征對礦石的可選性及工藝應(yīng)用具有重要意義，其顆粒大小，對其可塑性、泥漿粘度、離子交換量、成型性能、干燥性能、燒成性能均有很大影響。高嶺土礦都需要進(jìn)行技術(shù)加工處理，是否易于加工到工藝所要求的細(xì)度，已成為評價礦石質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)之一。各工業(yè)部門對不同用途的高嶺土都有具體的粒度和細(xì)度要求。如美國對用作涂料的高嶺土要求小于2μm的含量占90～95%，造紙?zhí)盍闲∮?μm的占78～80%。3．可塑性高嶺土與水結(jié)合形成的泥料，在外力作用下能夠變形，外力除去后，仍能保持這種形變的性質(zhì)即為可塑性。可塑性是高嶺土在陶瓷坯體中成型工藝的基礎(chǔ)，也是主要的工藝技術(shù)指標(biāo)。可塑性指標(biāo)代表高嶺土泥料的成型性能，用可塑儀直接測定泥球受壓破碎時的荷重及變形大小可得，以kg·cm表示，往往可塑性指標(biāo)越高，其成型性能越好。4．結(jié)合性結(jié)合性指高嶺土與非塑性原料相結(jié)合形成可塑性泥團(tuán)并具有一定干燥強(qiáng)度的性能。結(jié)合能力的測定，是在高嶺土中加入標(biāo)準(zhǔn)石英砂(其質(zhì)量組成0.25—0.15粒級占70%，0.15—0.09mm粒級占30%)。以其仍能保持可塑泥團(tuán)時的最高含砂量及干燥后的抗折強(qiáng)度來判斷其高低，摻入的砂越多，則說明這種高嶺土結(jié)合能力就越強(qiáng)。通常凡可塑性強(qiáng)的高嶺土結(jié)合能力也強(qiáng)。5．粘性和觸變性粘性是指流體內(nèi)部由于內(nèi)摩擦作用而阻礙其相對流動的一種特征，以粘度來表示其大小，單位是Pa·s。粘度的測定，一般采用旋轉(zhuǎn)粘度計，以在含70%固含量的高嶺土泥漿中的轉(zhuǎn)速來衡量。在生產(chǎn)工藝中，粘度具有重要意義，它不僅是陶瓷工業(yè)的重要參數(shù)，對造紙工業(yè)影響也很大。據(jù)資料表明，國外用高嶺土作涂料，在低速涂布時要求粘度約0.5Pa·s，高速涂布時要求小于1.5Pa·s。

觸變性指已經(jīng)稠化成凝膠狀不再流動的泥漿受力后變?yōu)榱黧w，靜止后又逐漸稠化成原狀的特性。以厚化系數(shù)表示其大小，采用流出粘度計和毛細(xì)管粘度計測定。6．干燥性能干燥性能指高嶺土泥料在干燥過程中的性能。包括干燥收縮、干燥強(qiáng)度和干燥靈敏度等。干燥收縮指高嶺土泥料在失水干燥后產(chǎn)生的收縮。高嶺土泥料一般在40—60℃至多不超過110℃溫度下就發(fā)生脫水而干燥，因水分排出，顆粒距離縮短，試樣的長度和體積就要發(fā)生收縮。干燥收縮分線收縮和體收縮，以高嶺土泥料干燥至恒重后長度及體積變化的百分?jǐn)?shù)表示。7．燒結(jié)性燒結(jié)性是指將成型的固體粉狀高嶺土坯體加熱至接近其熔點(diǎn)時，物質(zhì)自發(fā)地充填粒間隙而致密化的性能。氣孔率下降到最低值，密度達(dá)到最大值的狀態(tài)，稱為燒結(jié)狀態(tài)，相應(yīng)的溫度稱為燒結(jié)溫度。繼續(xù)加熱時，試樣中的液相不斷增加，試樣開始變形，此時溫度即稱轉(zhuǎn)化溫度。燒結(jié)溫度與轉(zhuǎn)化溫度的間隔稱燒結(jié)范圍。燒結(jié)溫度和燒結(jié)范圍在陶瓷工業(yè)中是決定坯料配方、選擇窯爐類型的重要參數(shù)。試料以燒結(jié)溫度低、燒結(jié)范圍寬(100—150℃)為宜。8．燒成收縮燒成收縮性是指已干燥的高嶺土坯料在燒成過程中，發(fā)生一系列物理化學(xué)變化(脫水作用、分解作用、生成莫來石，易熔雜質(zhì)熔化生成玻璃相充填于質(zhì)點(diǎn)間的空隙等)，而導(dǎo)致制品收縮的性能，也分為線收縮和體收縮兩種。同干燥收縮一樣，燒成收縮太大，容易導(dǎo)致坯體開裂。另外，焙燒時，坯料中若混有大量的石英，它將發(fā)生晶型轉(zhuǎn)化(三方→六方)，使其體積膨脹，也會產(chǎn)生膨脹。9．耐火性耐火性是指高嶺土抵抗高溫不致熔化的能力。在高溫作業(yè)下發(fā)生軟化并開始熔融時溫度稱耐火度。其可采用標(biāo)準(zhǔn)測溫錐或高溫顯微直接測定，也可用M．A．別茲別洛道夫經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計算。耐火度t(℃)=[360+Al2O3-R2O]/0.228式中：Al2O3為SiO2和Al2O3分析結(jié)果之和為100時其中Al2O3所占的質(zhì)量百分比；R2O為SiO2和Al2O3分析結(jié)果之和為100時其它氧化物所占的質(zhì)量百分比。通過此公式計算耐火度的誤差在50℃以內(nèi)。耐火度與高嶺土的化學(xué)組成有關(guān)，純的高嶺土的耐火度一般在1700℃左右，當(dāng)水云母、長石含量多，鉀、鈉、鐵含量高時，耐火度降低，高嶺土的耐火度最低不小于1500℃。工業(yè)部門規(guī)定耐火材料的R2O含量小于1.5—2%，F(xiàn)e2O3小于3%。10．懸浮性和分散性懸浮性和分散性指高嶺土分散于水中難于沉淀的性能。又稱反絮凝性。一般粒度越細(xì)小，懸浮性就越好。用于搪瓷工業(yè)的高嶺土要求有良好的懸浮性。一般據(jù)分散于水中的樣品經(jīng)一定時間的沉降速度來確定其懸浮性能的好壞。11．可選性高嶺土的可選性取決于有害雜質(zhì)的礦物成分、賦存狀態(tài)、顆粒大小等。石英、長石、云母、鐵、鈦礦物等均屬有害雜質(zhì)。高嶺土選礦主要包括除砂、除鐵、除硫等項目。12.3、高嶺土的提純高嶺土原礦的選礦提純工藝取決于原礦的性質(zhì)及產(chǎn)品的最終用途，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的工藝有兩種：干法和濕法工藝，通常硬質(zhì)高嶺土采用干法生產(chǎn)，軟質(zhì)高嶺土采用濕法生產(chǎn)。干法工藝是一種簡單經(jīng)濟(jì)的加工工藝。原礦經(jīng)錘式和籠式破碎機(jī)破碎，利用籠式破碎機(jī)內(nèi)的熱空氣將高嶺土的水分由采出的20%降至10%左右。再經(jīng)配有離心分離機(jī)和旋風(fēng)除塵器的吹氣式雷蒙磨磨細(xì)。該工藝可除去大部分砂石，產(chǎn)品通常用于橡膠、塑料及造紙工業(yè)的低價填料。

濕法工藝包括礦石準(zhǔn)備、選礦加工和產(chǎn)品處理三個階段準(zhǔn)備階段包括配料、破碎和搗漿等作業(yè)。搗漿是將高嶺土原礦與水、分散劑混合在搗漿機(jī)內(nèi)制漿，搗漿作業(yè)可使原礦分散，為選別作業(yè)制備適當(dāng)細(xì)度的高嶺土礦漿，并同時去掉大粒的砂石。選礦階段可能包括水力分級、浮選、選擇性絮凝、磁選、化學(xué)處理(漂白)等作業(yè)。一般來講，不經(jīng)選別的最終產(chǎn)品白度較低，只有在流程中配置磁選、泡沫浮選或選擇性絮凝作業(yè)才能獲得高白度的粘土產(chǎn)品。以下是除去高嶺土中雜質(zhì)鐵，提高其白度的幾種方法。(1)吸附浮選法在細(xì)碎高嶺土(細(xì)度為-43m，含F(xiàn)e2O30.72%)礦漿中加入載體石灰石粉，石灰石粉作為吸附劑，把Fe2O3從礦漿中吸附到石灰石粉載體上，載體既可依靠自身的疏水性，又可靠捕收劑造成的疏水性附著于氣泡，得到含鐵的載體泡沫產(chǎn)品與含高嶺土精礦的槽內(nèi)產(chǎn)品。吸附浮選所用設(shè)備即為常規(guī)的機(jī)械攪拌式浮選機(jī)，所用捕收劑為塔爾油，硫酸銨用于抑制高嶺土，碳酸鈉作pH調(diào)整劑，水玻璃作礦漿分散劑。吸附浮選工藝流程如圖12.1所示。用吸附浮選法可使高嶺土中的Fe2O3由0.72%降至0.5%以下。(2)雙液浮選法將高嶺土礦調(diào)成一定濃度的水溶液礦漿，加入pH調(diào)整劑調(diào)至所需的pH值，攪拌一定時間后加入捕收劑，繼續(xù)調(diào)漿一定時間后，然后加入有機(jī)溶液，再充分?jǐn)嚢韬线m的時間后，靜置分層、分離，得到有機(jī)相產(chǎn)品(含F(xiàn)e2O3)和水相產(chǎn)品(含高嶺土)。本方法所用裝置類似于萃取分離裝置。工藝流程見圖12.2。此法除鐵效果不錯，能使-2m高嶺土Fe2O3的脫除率和高嶺土精礦產(chǎn)品的回收率達(dá)到理想結(jié)果。同時，有機(jī)溶液回收再生，循環(huán)使用效果甚佳。(3)化學(xué)漂白對于一些牢固覆蓋在高嶺土顆粒表面的氧化鐵，采用磁選、浮選方法是很難將其去掉的。采用酸洗的方法可以將一些染色雜質(zhì)除掉，但酸的強(qiáng)度過高會溶解高嶺土中的Al2O3，造成晶格結(jié)構(gòu)的變化。為此出現(xiàn)了漂白工藝：著色漂白化學(xué)漂白：氧化法、還原法等。(4)磁選除鐵法高嶺土中的染色雜質(zhì)(如赤鐵礦等)具有弱磁性，因而可以利用高梯度磁選機(jī)將其除去。超導(dǎo)磁選機(jī)已成功地應(yīng)用于高嶺土分選，不僅能耗減少，而且場強(qiáng)可以大大提高，高嶺土精礦的質(zhì)量也更高。(5)磁種磁選法把細(xì)碎煤系高嶺土(細(xì)度為-20μm)礦漿放入可調(diào)整轉(zhuǎn)速的攪拌器中攪拌，添加定量溶解好的分散劑，調(diào)整礦漿濃度為40%~50%。加入pH調(diào)整劑，調(diào)節(jié)pH值為5.5~7.0，攪拌10min，待攪拌均勻后，添加事先分散調(diào)節(jié)好的磁種(-6μm的磁鐵礦或-1μm的人造鐵氧體微粒)，使磁種選擇性地與鐵、鈦礦物顆粒凝聚，提高這些弱磁性目的礦物的磁性。采用磁種分離工藝，可使原礦含F(xiàn)e2O31.38%、含TiO20.97%的煤系高嶺土的鐵、鈦去除率分別達(dá)52.2%和49.5%。(6)加氯高溫焙燒法。煤系高嶺土中固定碳含量一般為2%左右，碳存在于高嶺石結(jié)晶體間隙中，使煤系高嶺土呈現(xiàn)灰黑或灰白色，這種高嶺土常采用高溫氧化焙燒法除碳來提高高嶺土的白度。高嶺土中的含F(xiàn)e礦物，如黃鐵礦、菱鐵礦及褐鐵礦，在高溫焙燒時均會轉(zhuǎn)變成Fe2O3，造成原料發(fā)黃或呈磚紅色，因此，必須在焙燒前或焙燒過程中采取除鐵、鈦措施，才能將產(chǎn)品白度提至90%以上。采用加氯高溫焙燒法，在除碳的同時，能夠去除鐵、鈦致色因子，達(dá)到高嶺土增白的目的。加氯高溫焙燒高嶺土，在高嶺土中碳的參與下，將鐵鈦的氧化物轉(zhuǎn)化為低熔點(diǎn)高揮發(fā)性的FeCl3(沸點(diǎn)315℃)及TiCl4(沸點(diǎn)136℃)，碳則轉(zhuǎn)化為CO、CO2，從而使C、Fe、Ti與高嶺土分離。其化學(xué)反應(yīng)式如下：蘇州觀山高嶺土選礦廠工藝流程湛江高嶺土選礦廠12.4、高嶺土的超細(xì)碎除了白度、純度等指標(biāo)外，為了滿足銅版紙、涂布紙及紙板以及高檔油漆涂料、塑料和橡膠制品等對高嶺土產(chǎn)品的技術(shù)要求，部分優(yōu)質(zhì)高嶺土、粒度及其分布是至關(guān)重要的指標(biāo)，部分優(yōu)質(zhì)高嶺土，尤其是硬質(zhì)高嶺土還需要進(jìn)行超細(xì)粉碎加工。12.4.1干法超細(xì)碎大多用于硬質(zhì)高嶺土的超細(xì)粉碎，特別是用于直接生產(chǎn)滿足用戶要求的超細(xì)粉，產(chǎn)品細(xì)度一般是d90≤10μm，加工設(shè)備大多采用高速機(jī)械沖擊式的超細(xì)粉磨機(jī)、振動磨、高速離心式自磨機(jī)、氣流磨等。氣流粉碎法。氣流粉碎法的實(shí)質(zhì)是利用流體能量，使粉料受到很大的剪切碰撞、摩擦力等的作用。當(dāng)作用力大于粒子本身的破壞應(yīng)力時，粒子即被粉碎。該法是將粉料連續(xù)給入750m/s或更高的超音速氣流中，使粉體顆粒相互碰撞達(dá)到碾磨，同時使碾碎的顆粒隨同噴射的旋渦氣流進(jìn)入分級室中分級，再通過離心作用，將分級旋流中的粗粒子甩向外邊，通過回路管使之再循環(huán)回到超音速噴嘴，小于一定粒度大小的細(xì)顆粒被排放出來，進(jìn)入捕集器收集。12.4.2濕法超細(xì)碎大多用于軟質(zhì)和砂質(zhì)高嶺土除砂和除雜后的超細(xì)粉碎，特別用于加工d80≤2μm或d90≤2μm的涂料級高嶺土產(chǎn)品，也是工業(yè)上用硬質(zhì)高嶺土或高嶺石加工d80≤2μm或d90≤2μm的涂料級高嶺土產(chǎn)品所必須采用的超細(xì)粉碎方法。由于高嶺石為片狀晶型，因此高嶺土的濕式超細(xì)粉碎又稱為剝片，意即將較厚的疊層狀的高嶺土剝分成較薄的小薄片。剝片的方法有濕法研磨、擠壓和化學(xué)浸泡法。研磨法是借助于研磨介質(zhì)的相對運(yùn)動，對高嶺土顆粒產(chǎn)生剪切、沖擊和磨剝作用，使其沿層間剝離成薄片狀微細(xì)顆粒。常用的設(shè)備是研磨剝片機(jī)、攪拌球磨機(jī)、砂磨機(jī)等。研磨介質(zhì)常用玻璃珠、氧化鋁珠、剛玉珠、氧化鋯珠、天然石英砂等，粒徑0.8~3mm。通過攪拌泥漿和細(xì)研磨介質(zhì)組成的混合物而達(dá)到剝離目的。高嶺土經(jīng)剝分后，晶體結(jié)構(gòu)一般沒被破壞，新生面不污染，能解離釋放出高嶺土中的著色雜質(zhì)，通過沉降或離心分離除去。所以，在細(xì)度大大提高的同時，白度和光澤度也有所提高。擠壓法使用的設(shè)備是高壓均漿機(jī)。工作原理是通過活塞泵使均漿器料筒內(nèi)的高嶺土料漿加壓到20~60MPa，高壓料漿從均漿器的噴嘴(表面經(jīng)過硬化處理的很窄的縫隙)以大于950m/s的線速度噴出。由于壓力急劇降低，從而使料漿內(nèi)高嶺土晶體疊層產(chǎn)生“松動”，高速噴出的料漿射到常壓區(qū)的葉輪上，突然改變運(yùn)動方向，產(chǎn)生很強(qiáng)的穴蝕效應(yīng)。這一壓力的突然降低便產(chǎn)生空穴效應(yīng)，好象爆米花一般，這種強(qiáng)大的沖擊力結(jié)合空穴作用與摩擦剪切力使高嶺土的晶面沿結(jié)合力較弱的氫鍵間層層剝開。用此工藝處理的高嶺土粒度范圍是2—20μm。經(jīng)試驗(yàn)證明，用高壓均漿器一次處理后的料漿中小于2μm的粒級可由原來的18%提高到37%。如福建龍巖高嶺土礦，原礦天然白度很高(75—80)，高嶺石含量為20%—30%，精選后高嶺土為片狀，粒度以2—5μm、5—10μm為主，達(dá)不到涂料級產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，采用高壓擠壓法后，可得小于2μm顆粒占80%以上的涂料級產(chǎn)品，獲得了最大的經(jīng)濟(jì)效益?；瘜W(xué)浸泡法是利用化學(xué)藥劑溶液對高嶺土進(jìn)行浸泡，當(dāng)藥劑浸入到晶體疊層以氫鍵結(jié)合的晶面間時，晶面間的結(jié)合力變?nèi)?，晶體疊層出現(xiàn)松動現(xiàn)象，此時再施以較小的外力，即可使疊層的晶片剝離?；瘜W(xué)浸泡法使用的藥劑有尿素、聯(lián)苯胺、乙酰氨等。12.5、高嶺土的用途1）陶瓷我國陶瓷用高嶺土占高嶺土總產(chǎn)量的50~60%，大部分是原礦與-80目至-325目的水洗產(chǎn)品，相比之下，美國陶瓷用高嶺土僅占總量的2%。以高嶺土為原料的陶瓷有日用瓷、建筑、衛(wèi)生、電瓷、無線電瓷、工