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摘 要：浅析煤系高岭土基本特征、工艺特性、制品的用途、超细粉的加工生产技术以及煅烧工艺。
关键词：煤系高岭土；加工工艺；产品用途；质量关键
中图分类号：P619.23+2文献标识码： A 文章编号：
一、高岭土基本的特征
与煤一起沉积形成的高岭石，有软质与硬质两大类，统称为煤系高岭岩。本矿区主要为硬质高岭土，其矿石一般呈灰、黑色，致密坚硬，断口呈贝壳状，常为块状构造，有的具层理或层面劈理，无吸水膨胀性。碎块很像燧石。镜下见高岭石呈典型蠕虫状晶体。矿石的矿物成分比较简单，主要由高岭石组成，含量可达95％以上，其余为碎石英、云母、微量的铁钛矿物碳质、水铝石等。其中一些矿物不经精选，只经煅烧、超细磨就可以达到造纸涂布级的质量要求。煤系高岭土，铁钛氧化物与高岭石矿物共生密切、脱除较难。
二、工艺特性
煤系高岭土的成岩是与煤一起在温度、压力的作用下形成的，所以矿石中高岭石的有序度，均较风化和近代沉积作用形成的岭石要高，经受了成矿作用，又进一步重结晶有序化，内部结构紧密，颗粒紧密堆积，但结晶空间受限制，因而自形程度较差、破坏结晶构造需要较大的能量，可塑性低，脱羟温度较高。从煤系高岭岩差热分析图谱中可常见，较高的脱羟温度，吸热谷宽且常有复谷出现，就是其有序度高所引起的。因此，针对煤系高岭土的特性，根据煅烧目的，应选用相适应的煅烧工艺参数及加工设备和工艺。生产煤系煅烧高岭土时，一般都是将选好的原矿破碎至325目或800目、1250目等，然后进行煅烧。粒径越小，容易脱碳，即容易烧透。然后根据用途，加工形成系列产品。
三、煅烧高岭土制品的用途
煅烧过程中因煅烧温度不同，煅烧产品的物相、特性也不同，使得应用方向和领域也不同。所以煅烧温度是产生不同产品的关键因素。①在600-1000℃的煅烧温度下（称低温煅烧），产品活性高，用于合成分子筛、铝盐化工及塑料、橡胶的功能性材料。最佳煅烧温度的选择、因原料的成因、粒度、加工方法、用途不同而异。②1000℃-1200℃为中温煅烧，产品白度高、不透明性好、可用于造纸、涂料工业，替代钛白粉作结构性颜料。用于造纸可增加纸涂层孔隙体积和松厚度，减少压光时的亮度和不透明度的损失。选择最佳的煅烧温度，则是在非晶相刚刚转变硅铝尖晶相，此时产生多孔膨体结构，温度为1000-1050℃，这时结晶差的莫耒石相刚出现产品的磨耗值相对较低。③1200℃以上温度的煅烧（称为高温煅烧），产品为莫来石、莹青石，用于生产莫来石粒密铸造型砂、高级耐火材料和特种陶瓷。
完全煅燒高岭土的良好性能对涂布纸（尤其是低定量涂布纸）的生产非常重要，在高档纸板涂料中用量也在扩大。在造纸涂料配方中可加入量为5％-15％；不完全煅烧高岭土可用于造纸填料和涂布，作为非高浓涂布颜料，在低光泽涂布纸和纸板生产中的用量，一般为颜料总量的20％-40％。近几年刮刀涂布已用到20％以上。
四、超细高岭土粉的加工生产
超细粉体工程是当代科学技术发展的重要内容，为此也出现了一些新材料、新产品，有力地推动材料科学。许多价格低廉的矿物原料，经过超细粉碎，竟然身价百倍，成为高附加值的新材料。煤系高岭土就是如此。超细粉碎主要靠设备完成的，对设备和技术的要求（物料纯度、产品粒度单位能耗、耐磨件的使用寿命、维修费、对产品是否造成二次污染以及超细和分级的功能、效率）较高。煤系高岭土的破碎设备，已逐步淘汰了雷蒙机。为降低破碎能耗，一般经过锷式破碎机、锤式破碎机，就可直接进入超细粉磨设备了。超细磨机的料粒径可以在8mm以下，而经过分级的产品一般在10μm以下。其超细设备属于非金属矿加工设备。国内外先后研制了振动磨机、冲击磨机、离心磨机、胶体磨机、气流粉碎机和搅拌磨机，前三种多用于1250目产品加工，后两种多用于粒度更细的微粉体工程。煤系煅烧高岭土多选搅拌磨机生产，因为它具有效率高、能耗低、产品粒度均匀，粒径小(＜1μm)的特点。气流磨虽然可把高岭石破碎至更细，但由于能耗大，产品成本太高。
搅拌磨加工超细高岭土按工艺流程分为间歇式、连续式和循环式、间歇式， 将已磨为325目-1025目的物料经配制成合适浓度后一次加入磨机筒体内一直磨到粒度达到预期要求后全部排出作为磨矿产品。然后再加料进行第二批超细磨矿。该方式机械化、自动化程度高，可实现全工序编程运行。①连续式：多台磨机串联工作，连续给料、连续排料，可根据各级物料径的变化选配不同尺寸的研磨球。该方式在煤系焙烧土的超细磨粉中应用普遍。②循环式：是采用搅拌磨和湿式分级机组成闭路，磨机排料给分级机分级后，已经达到粒度要求的物料，做为最终产品收集起来。而粗粒物料返回磨机再磨，这样可以防止物料的重复粉碎和过粉碎，提高磨矿效率，降低系统能耗。该方式与连续式结合起来，即两台磨或三台磨后分级再串联，可适应生产不同物料、不同产品而效率提高。国产搅拌磨机在生产能力，磨矿细度、单位电耗、设备价格、配件供应等方面都比进口磨机具优势。缺点是材质差，耐用性差、自动化程度低。
五、煅烧工艺
根据原矿的特征和深加工产品的要求，煤系煅烧高岭土可采用多种工艺制度。如生产莫来石就可用块状煤矸石直接人炉煅烧，其他用途的煅烧因受煅烧温度的限制必须采用超细粉人炉。生产造纸涂布级的双90 煅烧高岭土，煅烧工艺具有自身的特殊性，一直被重视。但产品的质量受诸多因素的制约，如原矿性质、煅烧窑炉、燃料种类和质量等。产品质量往往是这些因素相互起作用的结果，且难以明确断定。
煤系高岭土煅烧后的结果如下：①物料入炉时的炉温、升温、保温时间等因素相同的情况下，入料粒度愈细，产品的白度愈高。反之，达到较高的白度，同样的煅烧温度下需延长保温时间。入炉颗粒较大，需延长升温时间，不然妨碍氧气向外扩散，产生黑芯（烧不透）。②在其他条件相同的情况下，800—1050℃的煅烧，随煅烧温度的提高，产物的白度呈线性增高。煅烧温度和保温时对煅烧产品中莫来石的含量有较大影响。③在试验煅烧过程中从红外光谱图可看出，莫来石的生成有一个温度上的突变。1050—1100℃之间其含量变化较大。加热到500℃以上时，会失去结晶不形成晶格松驰的偏高岭石，具有较高的化学反应活性，若温度超过1200℃则完全失去原来的晶体结构而转化为莫来石。这一过程是渐变的，超过900℃即开始转化。不同的高岭石，由于结晶特性、有序度的差异变化区间较大。因此，煅烧不仅考虑要脱碳增白，还要提高化学反应活性。严格控制煅烧温度，避免温度过高导致莫来石的生成。否则，不但活性降低，且硬度增高，作为涂料而言会使磨耗值增大，涂敷性能降低。脱碳过程实质上是高温下碳氧化成二氧化碳而被除掉，也就是一种质交换的过程。总的看，煅烧是一个氧化过程，特别是保温阶段，即在900-1050℃之间采取低温升或恒温调控。加强热气流流量，提高空气过剩系数，从而使碳、有机物、硫化物充分氧化，碳酸盐进一步分解，残余结构水完全排除。这也就是说，保证窑炉内部温差尽可能小，能提高产品质量。
六、结语
①煤系高岭土的加工工艺确定，必须依据矿石特征、性质、市场所需的产品、 规模、以及自身的投资能力等技术经济分析。②超细磨是关键环节，决定产品的档次和附加值，也决定煅烧工艺的科学性、合理性和可靠性。
参考文献：
[1]姚林波,等.高岭石热转变产物29Si、27Al魔角旋转核磁共振研究[J].矿物学报,2001,3(2).
关键词：煤系高岭土；加工工艺；产品用途；质量关键
中图分类号：P619.23+2文献标识码： A 文章编号：
一、高岭土基本的特征
与煤一起沉积形成的高岭石，有软质与硬质两大类，统称为煤系高岭岩。本矿区主要为硬质高岭土，其矿石一般呈灰、黑色，致密坚硬，断口呈贝壳状，常为块状构造，有的具层理或层面劈理，无吸水膨胀性。碎块很像燧石。镜下见高岭石呈典型蠕虫状晶体。矿石的矿物成分比较简单，主要由高岭石组成，含量可达95％以上，其余为碎石英、云母、微量的铁钛矿物碳质、水铝石等。其中一些矿物不经精选，只经煅烧、超细磨就可以达到造纸涂布级的质量要求。煤系高岭土，铁钛氧化物与高岭石矿物共生密切、脱除较难。
二、工艺特性
煤系高岭土的成岩是与煤一起在温度、压力的作用下形成的，所以矿石中高岭石的有序度，均较风化和近代沉积作用形成的岭石要高，经受了成矿作用，又进一步重结晶有序化，内部结构紧密，颗粒紧密堆积，但结晶空间受限制，因而自形程度较差、破坏结晶构造需要较大的能量，可塑性低，脱羟温度较高。从煤系高岭岩差热分析图谱中可常见，较高的脱羟温度，吸热谷宽且常有复谷出现，就是其有序度高所引起的。因此，针对煤系高岭土的特性，根据煅烧目的，应选用相适应的煅烧工艺参数及加工设备和工艺。生产煤系煅烧高岭土时，一般都是将选好的原矿破碎至325目或800目、1250目等，然后进行煅烧。粒径越小，容易脱碳，即容易烧透。然后根据用途，加工形成系列产品。
三、煅烧高岭土制品的用途
煅烧过程中因煅烧温度不同，煅烧产品的物相、特性也不同，使得应用方向和领域也不同。所以煅烧温度是产生不同产品的关键因素。①在600-1000℃的煅烧温度下（称低温煅烧），产品活性高，用于合成分子筛、铝盐化工及塑料、橡胶的功能性材料。最佳煅烧温度的选择、因原料的成因、粒度、加工方法、用途不同而异。②1000℃-1200℃为中温煅烧，产品白度高、不透明性好、可用于造纸、涂料工业，替代钛白粉作结构性颜料。用于造纸可增加纸涂层孔隙体积和松厚度，减少压光时的亮度和不透明度的损失。选择最佳的煅烧温度，则是在非晶相刚刚转变硅铝尖晶相，此时产生多孔膨体结构，温度为1000-1050℃，这时结晶差的莫耒石相刚出现产品的磨耗值相对较低。③1200℃以上温度的煅烧（称为高温煅烧），产品为莫来石、莹青石，用于生产莫来石粒密铸造型砂、高级耐火材料和特种陶瓷。
完全煅燒高岭土的良好性能对涂布纸（尤其是低定量涂布纸）的生产非常重要，在高档纸板涂料中用量也在扩大。在造纸涂料配方中可加入量为5％-15％；不完全煅烧高岭土可用于造纸填料和涂布，作为非高浓涂布颜料，在低光泽涂布纸和纸板生产中的用量，一般为颜料总量的20％-40％。近几年刮刀涂布已用到20％以上。
四、超细高岭土粉的加工生产
超细粉体工程是当代科学技术发展的重要内容，为此也出现了一些新材料、新产品，有力地推动材料科学。许多价格低廉的矿物原料，经过超细粉碎，竟然身价百倍，成为高附加值的新材料。煤系高岭土就是如此。超细粉碎主要靠设备完成的，对设备和技术的要求（物料纯度、产品粒度单位能耗、耐磨件的使用寿命、维修费、对产品是否造成二次污染以及超细和分级的功能、效率）较高。煤系高岭土的破碎设备，已逐步淘汰了雷蒙机。为降低破碎能耗，一般经过锷式破碎机、锤式破碎机，就可直接进入超细粉磨设备了。超细磨机的料粒径可以在8mm以下，而经过分级的产品一般在10μm以下。其超细设备属于非金属矿加工设备。国内外先后研制了振动磨机、冲击磨机、离心磨机、胶体磨机、气流粉碎机和搅拌磨机，前三种多用于1250目产品加工，后两种多用于粒度更细的微粉体工程。煤系煅烧高岭土多选搅拌磨机生产，因为它具有效率高、能耗低、产品粒度均匀，粒径小(＜1μm)的特点。气流磨虽然可把高岭石破碎至更细，但由于能耗大，产品成本太高。
搅拌磨加工超细高岭土按工艺流程分为间歇式、连续式和循环式、间歇式， 将已磨为325目-1025目的物料经配制成合适浓度后一次加入磨机筒体内一直磨到粒度达到预期要求后全部排出作为磨矿产品。然后再加料进行第二批超细磨矿。该方式机械化、自动化程度高，可实现全工序编程运行。①连续式：多台磨机串联工作，连续给料、连续排料，可根据各级物料径的变化选配不同尺寸的研磨球。该方式在煤系焙烧土的超细磨粉中应用普遍。②循环式：是采用搅拌磨和湿式分级机组成闭路，磨机排料给分级机分级后，已经达到粒度要求的物料，做为最终产品收集起来。而粗粒物料返回磨机再磨，这样可以防止物料的重复粉碎和过粉碎，提高磨矿效率，降低系统能耗。该方式与连续式结合起来，即两台磨或三台磨后分级再串联，可适应生产不同物料、不同产品而效率提高。国产搅拌磨机在生产能力，磨矿细度、单位电耗、设备价格、配件供应等方面都比进口磨机具优势。缺点是材质差，耐用性差、自动化程度低。
五、煅烧工艺
根据原矿的特征和深加工产品的要求，煤系煅烧高岭土可采用多种工艺制度。如生产莫来石就可用块状煤矸石直接人炉煅烧，其他用途的煅烧因受煅烧温度的限制必须采用超细粉人炉。生产造纸涂布级的双90 煅烧高岭土，煅烧工艺具有自身的特殊性，一直被重视。但产品的质量受诸多因素的制约，如原矿性质、煅烧窑炉、燃料种类和质量等。产品质量往往是这些因素相互起作用的结果，且难以明确断定。
煤系高岭土煅烧后的结果如下：①物料入炉时的炉温、升温、保温时间等因素相同的情况下，入料粒度愈细，产品的白度愈高。反之，达到较高的白度，同样的煅烧温度下需延长保温时间。入炉颗粒较大，需延长升温时间，不然妨碍氧气向外扩散，产生黑芯（烧不透）。②在其他条件相同的情况下，800—1050℃的煅烧，随煅烧温度的提高，产物的白度呈线性增高。煅烧温度和保温时对煅烧产品中莫来石的含量有较大影响。③在试验煅烧过程中从红外光谱图可看出，莫来石的生成有一个温度上的突变。1050—1100℃之间其含量变化较大。加热到500℃以上时，会失去结晶不形成晶格松驰的偏高岭石，具有较高的化学反应活性，若温度超过1200℃则完全失去原来的晶体结构而转化为莫来石。这一过程是渐变的，超过900℃即开始转化。不同的高岭石，由于结晶特性、有序度的差异变化区间较大。因此，煅烧不仅考虑要脱碳增白，还要提高化学反应活性。严格控制煅烧温度，避免温度过高导致莫来石的生成。否则，不但活性降低，且硬度增高，作为涂料而言会使磨耗值增大，涂敷性能降低。脱碳过程实质上是高温下碳氧化成二氧化碳而被除掉，也就是一种质交换的过程。总的看，煅烧是一个氧化过程，特别是保温阶段，即在900-1050℃之间采取低温升或恒温调控。加强热气流流量，提高空气过剩系数，从而使碳、有机物、硫化物充分氧化，碳酸盐进一步分解，残余结构水完全排除。这也就是说，保证窑炉内部温差尽可能小，能提高产品质量。
六、结语
①煤系高岭土的加工工艺确定，必须依据矿石特征、性质、市场所需的产品、 规模、以及自身的投资能力等技术经济分析。②超细磨是关键环节，决定产品的档次和附加值，也决定煅烧工艺的科学性、合理性和可靠性。
参考文献：
[1]姚林波,等.高岭石热转变产物29Si、27Al魔角旋转核磁共振研究[J].矿物学报,2001,3(2).