造纸用高岭土的加工技术.pdf

造纸用高岭土的加工技术 蔡 建（苏州非金属矿工业设计研究院，苏州 215004）高岭土是一种非常重要、用途十分广泛的非金属矿产，由于它具有可塑性、粘结性、分散性、耐火性、绝缘性和化学稳定性等多种工艺性能，因此它广泛应用于造纸、陶瓷、塑料、橡胶、化工、电子、涂料、油漆、耐火材料、军工、医药、化妆品、农药等几十个行业中。我国高岭土工业发展一直较缓慢，直到 80 年代之前，除少数几家高岭土企业为机选外，大多生产原矿。80 年代开始随着国民经济飞速发展，对高岭土产品提出了越来越高的要求，高岭土消费结构由传统的陶瓷工业转向造纸工业、塑料工业、石化工业等。这就促进高岭土的科技进步，科技进步又巨大推动了高岭土行业的发展。1 高岭土加工工业的形成 我国高岭土加工工业技术发展经历了几个时期，从在景德镇高岭村发现高岭土直到 70 年代，均以开采原矿为主要工艺，只有少量的机选加工厂，产品只能用于陶瓷工业，而且由于化学成份不稳定，影响瓷器的质量；含铁高，使陶瓷产品产生斑点；原料级配不合理影响泥料的干燥强度和可塑性。针对上述问题，70 年代初到 90 年代初期，我国高岭土工业进入了一个技术进步时代，先后有轻工部、国家建材局的“七五”、“八五”攻关等一批科技攻关项目，以及茂名高岭土、龙岩高岭土的发现及选矿研究。科技攻关在高效水力旋流器分选、剥片机超细磨剥，高梯度磁选等取得重大成果，这些成果至今仍成为高岭土选矿的主要工艺。建材系统的科技攻关主要有针对苏州高岭土含硫高的问题，先后完成了选择性絮凝、反浮选等科技成果及鉴定。2 造纸用高岭土加工技术水平 随着我国造纸工业在“八五”、“九五”期间的迅猛发展，先后引进了多条刮刀涂布机，刀速提高到 600m/min、800m/min，甚至 1200m/min。相应对高岭土提出了较高的质量要求，包括细度、白度、粘浓度、磨耗值等。通过造纸和高岭土两大行业的共同努力、技术攻关，茂名高岭土已被确认为国内目前高档造纸用高岭土的重要生产基地，同时也推动了高岭土生产技术的全面发展。九十年代初至今，茂名先后有五家大型高岭土选矿厂建成投产。其中：茂名石化矿业公司，6 万t/a；茂名高岭土工业有限公司，6 万 t/a；山阁瓷土公司，5 万 t/a。当前，茂名地区高岭土总产量约 25 万 t/a，除少量用于塑料、涂料外，基本用于造纸工业。今年又有兖矿集团北海高岭土厂投产，为我国造纸工业又提供了一个原料基地。我国目前造纸用高岭土的加工工艺各地虽有差异，但总体工艺路线相近，下图为其中具有代表性的工艺流程。高岭土原矿在水枪的高压冲击下碎散，或高岭土原矿经捣浆机制浆，矿浆用泵送入螺旋分级机除砂，再用水力旋流器分选。选矿段数根据原矿性质而定，一般为 24 段。分选后的粗精矿经卧螺离心分级机，分出涂料级和填料级产品。涂料级产品，经漂白、磁选、压滤、干燥、包装后出厂；填料级产品，经压滤、包装后出厂。主要生产设备包括：捣浆机、螺旋分级机、水力旋流器、卧螺离心分级机、高梯度磁选机、压滤机、干燥机。我国目前造纸用高岭土产品质量如下：Al2O3：37.5%，SiO2：47%，Fe2O3：0.6%，烧失量：15%，原 矿 除 砂 粗 选 尾 矿H2O 浓 缩精 精 陶 瓷精 分 级漂 白磁 选压 滤 洗 涤压 滤干 燥涂料级H2O H2O 尾 矿填料级 H2O 87%，分散沉降物：0.02%，磨耗值：3mg，粘浓度(500mPa.s 固含量)：67%，PH 值：47，水份2%。3 技术特点 3.1 水采或捣浆 茂名高岭土为砂性土，矿石较疏松，加上南方雨季时间长，降雨量大，故采用水采。矿石在水枪高压水冲击下，基本解离，只要控制适当的浓度和分散条件，即直接进入选矿作业，这样就缩短了制浆等工艺环节，节省了投资和成本。而北海高岭土由于原矿块度大，硬度大，水力开采不易捣碎，影响分选效果，故采用连续捣浆机进行制浆。3.2 螺旋分级机除砂 高岭土原矿中石英、长石粒度较粗，一般大于 325 目，而高岭土粒度较细，主要富集在-2m中。另外，从原矿粒度分析可知：+40m 含量高，占 80.01%；细粒级含量次之，-2m 占 12.97%；而中粒级范围宽，含量却很少，402m 占 7.02%。所以，我们藉助大处理量的分级设备（螺旋分级机）进行粗选，甩掉大量粗尾，而用水力旋流器进行最终粒级把关。而采用螺旋分级机除砂，突破了原有高岭土生产工艺的模式，把我国高岭土选矿粗选规模从单机产量 12 万 t，提高到单机 20 万 t。3.3 卧螺离心机 精选工艺采用了卧螺离心分级技术，使产品细度达到-2m90%以上，分级效率 80%以上。特别是配置了变频调速，可根据不同的物料调整工艺参数（如分离因素），保持产品质量的稳定。目前，国内高岭土选厂也有采用水力旋流器精选分级，在自控尚未实现的情况下，受流量、压力变化的影响，产品质量难于稳定在2m90%以上，分级效率不如卧螺离心分级机。3.4 漂白除铁工艺 根据铁、钛物相分析，高岭土中铁的赋存状态，为矿物铁和晶格铁两种，其中矿物铁占 60%，有一部分为地表铁质淋滤污染，所以采用化学漂白最经济、有效，也被广泛采用。利用还原漂白剂（如亚硫酸钠）将 Fe3+还原成可溶性的 Fe2+，再通过洗涤作业将其除去。漂白工艺主要技术体现在：（1）根据不同矿点物料摸索不同药剂制度，使其更加合理有效；（2）漂白药剂除常规漂白剂外，还需添加络合物等其它药剂，以产生综合效果；（3）漂白产品须进行洗涤，及时脱除可溶性二价铁，以免产生“返黄”问题。个别高岭土选厂采用磁选与化学漂白相结合的工艺，使产品白度进一步提高，且降低药剂消耗。通过磁选 Fe2O3可从 0.66%降低到 0.52%，白度从 70%提高到 80%。3.5 压滤工艺 国内一般高岭土企业都采用低压过滤。但在茂名和北海两地区，通过我院、企业、设备厂商三方技术攻关，采用高压进浆，压力达到 22.5MPa，提高了生产率，确保产品水份低于 3235%，节约了能耗，也改善了工作环境。3.6 干燥工艺 目前国内造纸用高岭土加工厂喷雾和闪蒸两种干燥方式均有采用，各有特色。改进后的强力干燥，在生产流程上适应性强，在不同浓度、物料、给料量的情况下均可进行干燥。喷雾产品更适于造纸厂使用，过去由于国内离心盘雾化器的材料和加工均未过关，所以大型离心式喷雾干燥塔均为进口。目前，国内一些厂商已能加工喷雾塔，经使用效果较好。4 造纸用高岭土加工技术研究发展方向 虽然我国高岭土加工技术取得了较大成绩，但距造纸工业的要求还有一定距离，特别是产品与巴西土相比差距较大，我院与各高岭土加工厂正在不断进行技术创新。4.1 煤系高岭土煅烧技术 煅烧高岭土是一种非常重要的高岭土深加工产品，主要用于造纸、塑料、油漆、橡胶、石油化工业和新型技术材料等方面。它作为造纸涂布料可使纸张的光泽度、平滑度、不透明度和原纸覆盖率比水洗高岭土大为改善，尤其是煅烧高岭土具有优良的光散射能力和特殊的油墨吸收性，是它能够替代昂贵的钛白粉的基础和提高纸张涂层质量的原因。煤系高岭土煅烧技术是我国独有的加工技术，北方煤系高岭土通过几年的探索，现已形成一整套完整的加工工艺，包括湿法超细，煅烧增白、打散解聚。这批成果作为国家“九五“攻关，通过了成果鉴定，并广泛应用于一批煤系高岭土企业。4.2 增白、降粘技术的进步 近 20 年来，增白、降粘技术一直是我们高岭土行业研究的课题之一，并取得了较大的进步，目前白度达到 88%，粘浓度达到 68%。但造纸工业发展迅猛，对高岭土提出了更高的要求，特别是美国高岭土、巴西高岭土进入中国市场，加剧了技术的竞争，促进了我国高岭土技术进步。近期将完成多项科技成果，取得多项专利技术。“十五”期间科技部立项的攻关课题完成后，高岭土产品将达到白度 90%、粘浓度 72%。已获专利批准。4.3 低温超导技术的应用 我国高岭土资源与美国、巴西等国比较，存在白度低，粘度高的缺陷，除了本身科技攻关外，还应积极学习、引进国外先进技术。低温超导技术是目前我国尚不具备的技术，在世界上也仅有极少数公司掌握，通过我院与美国 Carpco 等公司的交流、谈判，终于在兖矿集团北海高岭土公司项目上引进该装备，该设备磁场强度 5 万 Gs，装机容量 37KW，Fe2O3 0.7%降至 0.5%以下，TiO2、K2O 含量也有较大幅度的降低。4.4 改进高岭土的粘度 随着我国国民经济的发展和人民生活水平的提高，我国造纸行业迅速发展，纸张的质量和档次有了很大的提高，其中涂布纸、纸板及信息办公用纸已成为我国造纸行业的发展重点。这些纸张的发展离不开对优质涂布高岭土的利用，高岭土是生产上述纸张最通用的白色颜料之一。应用于涂布加工纸的高岭土，除了必须具备白度高、粒度细的优异性能外，还必须具备粘度低的特性。对高岭土的粘度国内外有不少人进行了研究，概括起来，影响高岭土粘度的因素有以下几个方面：高岭土的成因类型、高岭土晶体结构的有序度、高岭石的形态、粘度与粒度分布、矿物组成、pH 值、分散剂的种类和用量、加工过程中所使用的药剂等等。因此，影响高岭土粘度的因素是多方面的，有高岭土本身的特性，也有来自外部的因素。改进高岭土的粘度首先必须对样品进行深入细致的分析，针对高岭土的特点采用相应的工艺方法，不能指望采用单一的方法来降低粘度，也不可能改变所有的高岭土，使其粘度都达到 68%以上。改进高岭土粘度的方法有很多，其中机械降粘是一种简单有效、成本较低的方法。实践证明通过捏合挤压对高岭土做功，可改善高岭土粘度，其作用机理尚不清楚。我院经过多年研究，从小试、大试、半工业试验和工业试验，开发出适合我国高岭土特点的机械降粘方法和设备，并已应用于广西北海高岭土，得到用户的认可，粘浓度提高 23 个百分点。必须指出，改进高岭土的粘度是一个系统工程，选择适宜的工艺、控制工艺条件都是至关重要的。