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非金属矿物粉体加工技术的现状

一、我国非金属矿物粉体工业现状

一般概念上的非金属矿物粉体产品, 应该说很早以前就有了, 例如用石灰石烧制的生石灰和熟石灰烧制玻璃制品的硅质原料土木工程用的砂石等。但是, 非金属矿物精细粉体和功能性非金属矿物材料则是伴随现代科技革命、产业发展、社会进步、人类生活质量的提高和环保意识的普遍觉悟而发展起来的。我国在该领域的大规模生产和工业应用是从20世纪70年代末或80年代初开始的。经过近20年的发展, 尤其是20世纪90年代以来的发展, 我国非金属矿加工业已形成相当的规模。在普通或大宗产品方面不仅能基本满足国内市场所需, 而且还能大量出口, 在国际非金属矿产品市场占有较重要的地位。

据中国非金属矿工业协会和有关专业协会的不完全统计, 2002年, 我国玻璃用石英粉和石英砂、重质碳酸钙、高岭土、滑石、石墨、萤石、石膏、硅灰石、云母、膨润土、硅藻土、石棉、错英石粉等非金属矿物粉体的产量合计已达3500万t以上(见表1)。此外, 2002年, 我国生产建筑陶瓷220亿㎡, ,卫生陶瓷6000万件据此估算年消费瓷土、长石、石英等非金属矿物粉体1000万t以上。另据中国石灰协会统计, 2002年我国石灰产量达1320万t, 主要用于炼钢厂、烧结厂, 化工行业轻质碳酸钙、电石、纯碱等的生产, 建材、建筑、高等级公路以及废水处理和烟气脱硫等。基于以上不完全统计分析, 2002年我国非金属矿物粉体的产量总计达到1.8亿t以上, 加工能力估计已达2亿t以上。其中超细粉体的加工能力和产量已超过120万t。

应该看到, 我国非金属矿物粉体工业, 虽然规模较大,在国家的经济建设中起到不可或缺的作用, 但是, 它的科技含量和产品档次还不高, 我国仍有一些非金属矿物粉体, 特别是与现代高技术和新材料发展相关的非金属矿物深加工体产品要依赖进口, 例如石墨、膨润土、云母、蓝晶石类、高岭土等, 2002年这些矿物深加工产品的进口量分别较前一年增长67.55%、33.45%、44.92%、114.8%和14.92%。2002年我国优质高岭土的进口量达到万, 平均价格218.91美元每t。特别一提的是我国是目前世界上石墨产量

和出口量最大的国家, 如此高的进口增长速度说明我国石墨深加工或制品不能满足国内市场所需。另外, 高档石英玻璃原料以及用于大规模集成电路封装的球形硅微粉基本上依赖进口。

此外, 由于非金属矿品种多, 粉体加工业布局分散, 企业数量大, 但集约化程度低。

二、我国非金属矿物粉体加工技术现状

在非金属矿物的加工中广泛应用粉体加工技术, 如粉碎、分级、提纯、改性、固液分离、锻烧、造粒、包装等。矿种多、应用领域广、技术指标要求复杂是非金属矿物加工的主要特点之一。由于这一特点, 非金属矿的加工工艺也是千差万别的。有些非金属矿可以直接粉碎加工成商品, 如方解石有些必须要进行提纯, 如石墨有些应用领域只需对非金属矿进行简单的粉碎加工, 如饲料用的石灰石粉, 铸造用的膨润土以及普通的非金属矿物填料有些应用领域则要求进行较深度的加工, 如微电子工业应用的胶体石墨、高纯石英, 造纸工业用的高岭土、重质碳酸钙颜料, 涂料工业用的有机膨润土, 纳米复合材料用的蒙脱石, 新型导电材料用的石墨层间化合物。以下就几个主要粉体加工环节进行简单评述。

(一)选矿提纯

由于非金属矿物成矿的特点及应用的特点, 工业上大多数非金属矿物, 如石灰石、方解石、大理石、白云石、石膏、重晶石、滑石、叶蜡石、绿泥石、膨润土、伊利石、硅灰石、煤系硬质高岭岩、玻璃原料石英岩等只进行简单的拣选和分类进行粉碎、分级、改性活化和深加工。目前工业上进行选矿提纯的非金属矿主要有石棉、石墨、软质高岭土、硅藻土、高纯石英、云母、石榴子石、蓝晶石、夕线石、蛙石、菱镁矿、长石、金红石、错英砂以及萤石、磷灰石、钾盐等。

石棉主要采用风选和筛分分级石墨天然可浮性好, 主要采用浮选, 对要求固定碳含量达到95以上的高纯石墨采用化学选矿强酸、碱处理和高温锻烧软质高岭土主要采用重选水力旋流器和离心分级除砂, 强磁或高梯度磁选机及化学漂白还原和氧化漂白除铁增白硅藻土主要采用擦洗分散、分级除晶质二氧化硅、选择性沉降分离粘土高纯石英主要采用酸浸和纯水洗涤云母则主要根据进行人工或机械拣选及摩擦选矿以及风选和重选除砂石榴子石主要采用摇床分选夕线石和蓝晶石则在去除矿泥的基础上主要采用浮选长石主要采用磁选, 与石英分离时, 主要采用浮选蛙石主要利用其膨胀后与脉石矿物的密度差采用简单的风选和水选菱镁矿主要采用热选, 即控温锻烧后进行分选金红石和错英砂主要采用电选、磁选和重选综合力场选矿工艺萤石主要采用浮选磷矿的选矿工艺比较复杂, 依原矿性质不同有浮选、重选、焙烧等方法。

(二)粉碎分级

目前, 非金属矿物粉体的粉碎加工根据产品的粒度大小大体分为:破碎(产物粒度35-1mm)、磨矿或磨粉(产物粒度1000-10μm)及超细粉碎或超细磨(产物粒度10-0.1μm)3个层次。每一层次还可以细分为几个不同的作业段, 如破碎可以分为粗破碎、细破碎磨矿可以分为粗磨(20-200)目和细磨(≥325)目。各个不同粉碎和分级层次所应用的主要设备列于表2。

近年来, 我国非金属矿物粉体的加工设备发展较快,超细粉碎和精细分级设备的制造厂商已超过70家, 能生产气流磨、机械冲击式磨机、搅拌球磨机、振动球磨机、旋转筒式球磨机、连续式行星球磨机、塔式磨、旋磨机、分级自磨机、高压射流粉碎机等各种超细粉碎和各种干式和湿式精细分级设备。

(三)表面改性

在塑料、橡胶、胶粘剂等高分子材料或高聚物基复合材料中应用的非金属矿物填料、油漆涂料、涂层材料等中应用的非金属矿物填料和颜料、吸附催化非金属矿物材料还要进行表面处理或表面改性, 以提高其应用性能。表面改性的方法主要是表面化学包覆、沉淀反应包膜、插层改性等采用的表面改性剂包括有机物和无机物二大类, 改性工艺包括干法和湿法改性设备主要有连续式的粉体表面改性机、间歇式的加热搅拌机、涡流磨、搅拌反应罐和反应釜等。表3所示为目前非金属矿物粉体表面改性常用的改性剂及改性设备。

(四)其他

非金属矿物粉体的加工还包括脱水过滤和干燥、锻烧、造粒及包装。

目前工业上应用的过滤设备主要有压滤机、离心机、真空过滤机等干燥设备主要有喷雾干燥机、圆筒干燥机、闪蒸干燥机、多功能干燥机、流化床干燥机、隧道式干燥机等。针对超细粉体干燥过程粉料团聚问题的集干燥与解聚于一体的干燥技术与设备, 如多功能强力干燥机、闪蒸干燥机等也已在超细重质碳酸钙、超细高岭土、超细水镁石等的加工中成功地得到应用, 压滤脱水设备和卧式螺旋离心脱水设备已广泛用于超细高岭土、膨润土、凹凸棒土等粘土矿物的加工, 国产喷雾、挤压等造粒设备及颗粒整形设备也已在工业上应用。此外, 近几年针对非金属矿物超细粉体的包装设备有了较快发展, 我国已能制造自动计量和气固分离、连续包装的真空包装机和其他自动化连续包装设备。

此外, 用于煤系高岭土缎烧的隔焰式回转窑, 近三年也已开发成功并在新建厂中得到应用现在, 我国除了可以制造燃油和燃气隔焰式回转窑外, 还能制造具有自主知识产权的电加热回转窑, 基本上解决了煤系锻烧高岭土关键设备的国产化问题。

但是, 我国当前非金属矿物加工技术还存在一些不足,主要问题是生产线规模较小(大型设备较少)、自动控制和调节水平低、产品质量不稳定、单位产品能耗和磨耗高以及环境污染等装备制造商虽然很多, 但大多规模较小, 工艺配套技术较差, 还没有出现能够参与国际竞争的集设备制造、工艺设计、工程建设于一身的大型企业此外, 有些方面, 如石灰, 现代化的锻烧窑炉所占比例很少, 大多数是能耗高、质量不稳定(欠烧或过烧)的土窑, 由于我国石灰的产量已达年产上亿吨, 对能源的浪费和环境的污染是很大的, 但很少有人关注和积极地去解决它。

另外, 产品标准不能满足相关行业, 特别是高新技术行业发展的需要, 这是我国目前一方面大量低价出口某种非金属矿产品, 同时又高价进口同类非金属矿加工产品的主要原因之一。

三、非金属矿物粉体加工技术的发展趋势

非金属矿物粉体在现代高技术新材料中的广泛应用是以其特有的功能为前提的。因此功能化是非金属矿物粉体的发展方向和粉体加工技术追求的目标。

影响非金属矿物粉体功能性的主要因素是结构、纯度或化学成分、粒度和形状、表面或界面的物理化学性质等。

对于非金属矿物来说, 纯度在很多情况下指其矿物组成, 而非化学组成正是矿物组成决定矿物的结构。有许多非金属矿物的化学成分基本相近, 但矿物组成和结构相去甚远, 因此其功能或应用性能也就相差甚远, 例如石英和硅藻土, 化学成分虽都是二氧化硅, 但前者为晶质结构硅氧四面体, 而后者为结构复杂的非晶质多孔结构, 因此, 它们的应用性能或功能很不相同。矿物组成、化学成分和结构对非金属矿物材料功能的影响还与矿物的纯度有关。在很多情况下, 为了充分发辉非金属矿物材料的功能必须对矿物原料进行选矿提纯, 特别是当矿物原料中杂质较多, 且这种杂质对于非金属矿物材料某一主要功能有不利影响时。因此, 选矿提纯技术对非金属矿物粉体功能的发挥是十分必要的。21世纪无论是新兴的高技术和新材料产业、环保产业还是传统产业都将对非金属矿物粉体材料的纯度提出更高的要求。而随着非金属矿物粉体材料纯度要求的提高, 精选提纯技术的难度也将增加, 另外资源的贫化、资源综合利用率要求的提高以及环保要求的日益提高也将增加精选提纯技术的难度。因此, 微细粒选矿提纯和精选技术、综合利用技术或无尾矿加工技术将成为未来非金属矿提纯技术的主要发展趋势, 涉及的非金属矿物将包括石墨、石英、高岭土、云母、滑石、硅藻土、错英砂、硅灰石、重晶石、金红石、膨润土、萤石、夕线石、红柱石、蓝晶石、电气石等。

矿物原料的粒度大小和粒度分布及颗粒形状对非金属矿物材料的性能或功能的发挥有很大影响, 许多非金属矿物粉体的功能, 如在高聚物基复合材料中的增强或补强性、陶瓷材料的强度和韧性、作为造纸和涂料颜料的遮盖率、着色力以及粉体的电性、磁性、光性、吸波与屏蔽、催化、吸附、流变、抗菌、脱色、粘结等都与其粒度大小、粒度分布及颗粒形状有关。多数非金属矿物功能性的发挥有赖于粒度大小、分布及粒形。由于超细粉体具有比表面积大、表面活性高、化学反应速度快、烧结温度低且烧结体强度高、填充补强性能好、遮盖率高等优良的物理化学性能。因此, 许多应用领域要求非金属矿物原材料的粒度微细微米或亚微米部分领域不仅要求粒度超细而且要求粒度分布范围窄。如高档纸张涂料要求重质碳酸钙的细度为-2μm≥90%, 粒度分布要求最大粒度5≤μm, -0.2μm≤10~15%,再如,降解塑料要求重质碳酸钙的细度为-6~7μm≥97%, 要求最大粒度≤8μm;功能纤维填料要求无机非金属填料的细度为97%≤2μm , 最大粒度≤3μm;高聚物基复合材料用氢氧化镁和氢氧化铝阻燃填料要求中位径d≤10μm,97%≤5μm. 粒形方面, 用于制备珠光云母的云母粉的径厚比要求达到80以上, 用作工程塑料(如汽车配件)的硅灰石填料, 除了粒径要小于5μm, 长径比要大于10。21世纪市场对各类非金属矿超细、窄分布粉体的需求量将不断增加。因此, 超细粉碎、精细分级和粒度控制技术以及特殊粒形(如片状、针状、球状等)粉体的加工技术将是非金属矿物加工技术的重点发展方向之一。

非金属矿物粉体的许多功能取决于表面或界面性质。如吸附、催化、电性、光性、流变、分散及与材料中其他组分的相容性等。矿物的表面性质既与矿物的组成、化学成分和结构有关, 也与加工技术有关。许多应用领域都对非金属矿物粉体的表面或界面性质有特殊要求, 如高聚物基复合材料塑料、橡胶、胶粘剂等、多相复合陶瓷材料、油漆涂料、生物医学材料、化纤等要求非金属矿物粉体表面或界面与有机或无机基料高聚物、陶瓷胚料、油性漆、水性漆、化学纤维等及生物基体有良好的相容性石化工业用的沸石和高岭土催化剂或载体要有特定的孔径分布和较高的比表面积, 入分子筛要有一定的钙离子吸附能力, 炼油脱色用的活性白土膨润土以及啤酒过滤用的硅藻土要有较强的表面吸附能力用于水处理的硅藻精土对有机、无机污染物及重金属离子等有选择性吸附的能力。虽然粉体表面改性技术的发展较晚,但由于可提高或改善非金属矿物粉体与填充或复合基料的相容性、对提高现代高聚物无机复合材料、多相复合陶瓷材料、高档或特种油漆涂料、功能性纤维、吸附与催化材料等的发展有重要意义。因此, 粉体表面和界面改性技术将成为非金属矿物粉体加工技术最主要的发展方向之一。

自改革开放以来, 我国的非金属工业虽然取得了很大发展, 加工技术也有了很大进步, 但仍然面临很多挑战。我国非金属矿深加工产业虽然有了较大的发展, 但有些所谓的深加工产品却找不到市场, 企业经营很困难我们每年向国外出口大量的非金属矿产品, 有些矿种的出口量居世界第一, 但国内相关企业却还须进口深加工产品, 有些深加工产品甚至是用我国出口的原料或初加工产品加工后回销的。除了我国企业经济实力、市场营销以及技术开发能力不强等之外, 其中一个很重要的原因是我国非金属矿行业往往较多注意资源的开发而忽视产品功能的开发和提升。我们一些企业在开发资源和上项目时, 往往不注意认真研究市场、如何从产品功能上满足市场要求、适应相关产业发展的需要, 如何通过应用研究挖掘和提升产品的功能和应用性能, 如何在加工过程中注意保护生态环境。现代高技术和新材料的发展是以更高的科技含量、较低的环境负荷和更适应社会发展的需要为前提的, 非金属矿物粉体和材料也不例外。只有功能明确或突出, 能满足相关应用领域技术进步和产业发展要求和环保要求的非金属矿物粉体或深加工产品才可能赢得稳定的市场。因此, 未来非金属矿物粉体材料的发展趋势将是交叉、融合矿物学、粉体加工、材料学以及相关应用领域不同学科, 合作研究、不断发掘和提升非金属矿物粉体产品的功能和应用性能, 促进相关应用领域的技术进步和产业发展。

三角螺旋填料

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