矿物材料第二讲

1、矿物材料的制备与应用东北大学矿物材料与粉体技术研究中心韩跃新1、前言v材料是人类用于制造物品、器件、构件或其他产品的物质。材料是物质，但不是所有的物质都可以称为材料。如燃料和化学原料、工业化学品、食物和药物，一般都不算是材料。v材料是人类一切生产和生活活动的物质基础，历来是生产力发展的标志，是人类进步的里程碑。v纵观人类发现材料和利用材料的历史，每一种重要材料的发现和广泛应用，都会把人类支配和改造自然的能力提高到一个新水平。v物理化学属性：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料v用途：电子材料、航空航天材料、核材料、建筑材料、能源材料、生物材料v结构材料与功能材料v传统材料与新材料

2、v早在一百万年以前，人类开始使用石头作为工具，使人类进入了旧石器时代。大约1万年以前，人类知道对石头进行加工，使之成为精致的器皿或工具，从而使人类进入了新石器时代。在新石器时代，人类开始用皮毛遮身。8000年前中国就开始用蚕丝做衣服，4500年前印度人开始种植棉花，这些都标志着人类使用材料促进文明进步。在新石器时代，人类已经知道使用自然铜和天然金，但毕竟数量太少，分散细小，没有对人类社会产生重要影响。v大约在80009000年前，人类还处于新石器时代，已经发明了粘土成型，再火烧固化而成为陶器。陶器的出现，不但用于器皿，而且成为装饰品，是对人类文明的一大促进，历史上虽无陶器时代的名称，但其对人类

3、文明的贡献是不可估量的。在烧制陶器过程中，偶然发现金属铜和锡，进而又生产出色泽鲜艳、又能浇注成型的青铜，从而使人类进入青铜时代。这是人类大量利用金属的开始，也是人类文明的重要里程碑。中国的青铜器在公元前2700年已经使用了，至今约5000年的历史。v公元前1314世纪，人类开始用铁，3000年前铁工具比铜工具更为普遍，人类开始进入了铁器时代。中国最早出土的人工冶铁制品约在公元前9世纪。到春秋（公元前770476）末期，生铁技术有较大突破，遥遥领先于世界其它地区，如用生铁退火制成韧性铸铁以及生铁炼钢技术的发明，促进了生产力的大发展，对战国和秦汉农业、水利和军事的发展起到了很大的作用。v随着世界文

4、明的进步，18世纪发明了蒸汽机，19世纪发明了电动机，对金属材料提出了更高的要求，对金属材料提出了更高的要求，同时对钢铁冶金技术产生了更大的推动作用。1854年和1864年先后发明了转炉炼钢和平炉炼钢，使世界钢产量有一个飞速发展。随着电炉冶炼的开始，不同类型的特殊钢相继问世，如1887年高锰钢、1900年18-4-1（W18Cr4V)高速钢、1903年硅钢及1910年奥氏体镍铬（Cr18Ni8)不锈钢，把人类带进了现代物质文明。在此前后，铜、铝也得到大量的应用，而后镁、钛和很多稀有金属都相继出现，从而使金属材料在整个20世纪，占据了结构材料的主导地位。v随着有机化学的发展，19世纪末叶西方科学

5、家仿制中国人造丝绸发明了人造丝，这是人类改造自然材料的又一里程碑。20世纪初，人工合成高分子材料相继问世，如1909年的酚醛树脂，1920年的聚苯乙烯，1931年的聚氯乙烯及1941年的尼龙等，以其优异的性能，及资源丰富、建设投资少、收效快而得到迅速发展。目前世界三大有机合成材料（树脂、纤维、橡胶）年产量愈亿吨。而且有机材料的性能不断提高，附加值大幅度增加，特别是各种聚合物正向功能材料各个领域进军，显示其巨大的潜力。v陶瓷本来用作建筑材料、容器或装饰品等。由于其资源丰富、密度小、高模量、高硬度、耐腐蚀、膨胀系数小、耐高温、耐磨等特点，到了20世纪中叶，通过合成及其他制备方法，做出了各种类型的先

6、进陶瓷（如Si3N4、SiC、ZrO2等），成为近几十年来材料中非常活跃的研究领域，有人甚至认为“新陶器时代”即将到来。但由于其脆性问题难以解决，且价格过高，作为结构材料没有得到如钢铁或者高分子材料一样的广泛应用。钧瓷钧瓷汝瓷汝瓷定瓷定瓷官瓷哥瓷唐三彩v复合材料是20世纪后期发展的另一类材料。事实上人类很早就制造复合材料，如泥巴中混入碎麻或麦秆用以建造房屋，钢筋水泥是脆性材料和韧性材料的复合。近几十年来，利用树脂的易成型和金属的韧性好，无机非金属材料的高模量、高强度、耐高温，做成了树脂基复合材料或金属基复合材料，前者已经得到了广泛的应用，后者以其价格高和制作困难而受到了一定的限制。为了改善陶瓷

7、的性能，也制成陶瓷基复合材料。碳是使用温度最高的材料（可达2500），为了克服热震性能差，并提高其力学性能，而制出的碳-碳复合材料已经广泛用于军工，并扩展到民用。v复合材料(Composite materials)，是以一种材料为基体(Matrix)，另一种材料为增强体(reinforcement)组合而成的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅

8、纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。v复合材料是一种混合物。复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。按其结构特点又分为：纤维复合材料。将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。夹层复合材料。由性质不同的表面材料和芯材组合而成。通常面材强度高、薄；芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度。分为实心夹层和蜂窝夹层两种。细粒复合材料。将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。混杂复合材料。由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。与普通单增强相复合材料比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高，

9、并具有特殊的热膨胀性能。分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内层间混杂和超混杂复合材料。v复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特点是密度小、比强度和比模量大。例如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。石墨纤维与树脂复合可得到膨胀系数几乎等于零的材料。纤维增强材料的另一个特点是各向异性，因此可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列。以碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料，在500时仍能保持足够的强度和模量。碳化硅纤维与钛复合，不但钛的耐热性提高，且耐磨损，可用作发动机风扇叶片

10、。碳化硅纤维与陶瓷复合，使用温度可达1500，比超合金涡轮叶片的使用温度（1100）高得多。碳纤维增强碳、石墨纤维增强碳或石墨纤维增强石墨，构成耐烧蚀材料，已用于航天器、火箭导弹和原子能反应堆中。非金属基复合材料由于密度小，用于汽车和飞机可减轻重量、提高速度、节约能源。用碳纤维和玻璃纤维混合制成的复合材料片弹簧，其刚度和承载能力与重量大5倍多的钢片弹簧相当。 v功能材料自古就受到重视，早在战国时期（公元前3世纪）已经利用天然磁铁制造司南，到宋代用钢针磁化制出了罗盘，为航海的发展提供了关键技术。功能材料是信息技术和自动化的基础，特别是半导体材料出现以后，加速了现代文明的发展，1947年发明了第一

11、支具有放大作用的晶体管，10余年后又研制成功集成电路，使以硅材料为主的计算机功能不断提高，体积不断缩小，价格不断下降，加之高性能磁性材料的不断涌现，激光材料与光导纤维的问世，使人类进入了信息时代。因为硅是微电子技术的关键材料，所以有人称之为“硅片为代表的电子材料时代），再一次说明材料对人类文明所起的作用。矿物材料是指以天然矿物或岩石为主要原料经加工、改造所获得的材料或者能直接应用其物理、化学性质的矿物或岩石，其含义包括四个方面： 能被直接利用或经过简单的加工处理(如破碎 选矿 切割 改性等)即可利用的天然矿物、岩石； 以天然的非金属矿物、岩石为主要原料，通过物理化学反应(如焙烧、熔融、烧结、胶

12、结等)制成的成品或半成品材料； 人工合成的矿物或岩石； 这些材料的直接利用目标主要是其自身具有的物理或化学性质，而不局限于其中的个别化学元素。矿物材料的分类v根据矿物材料成分结构和加工改造特点，可将矿物材料分为四大类v(1) 天然矿物材料。指直接利用其物理、化学性质的矿物或岩石，经物理加工未改变原料成分和结构为特征，包括填料类、装饰类、光学类、中药类、研磨材料类、保健营养类和隔热材料类等；v(2) 改性矿物材料。矿物(岩石)进行超细、超纯改型、改性等加工改造后，改变或部分改变了原料的成分或结构，包括表面改性类，成分改性类，以及结构改性类等；v(3) 人工矿物材料。是模拟天然矿物或岩石生成的原理

13、采用人工合成的矿物材料。包括人工晶体、多孔材料、纳米矿物粉体材料等。v (4) 复合矿物材料。复合矿物材料是具有不同相组成的人工合成矿物材料，包括矿物有机复合类(如石棉、蛭石与高分子材料合成的摩擦材料、密封材料、绝缘材料等)以及矿物无机复合类(如矿物纤维增强的无机胶凝材料、矿物为主骨架的建筑材料、绝热保温材料、电功能材料等)。矿物材料的制备方法（1）气相法制备超细矿物粉体 物理气相沉积法(PVD)、 化学输送法(CVT) 化学气相沉积法(CVD)（2）液相法制备超细矿物粉体 反应沉淀法、 溶剂蒸发法、 醇盐水解法、 溶胶凝胶法（3）固相法制备超细矿物粉体 机械合金化、 固相反应法（4 4）矿物

14、材料水热法制备）矿物材料水热法制备2 2、矿物材料研究的基本问题、矿物材料研究的基本问题 （1 1）矿物材料的合成机理）矿物材料的合成机理v研究矿物材料的制备机理，可提高矿物材料制备过程的可控性。采用化学法制备粉体材料的过程中，通过结晶过程及颗粒形成机理的研究，对颗粒形状、粒度和粒度均匀性的控制均具有重要的指导作用。研究硅灰石的破碎机理，有利于选择更合适的破碎方式，制备高长径比的硅灰石针状粉。（2）矿物材料的制备工艺与技术开发v任何一种新的矿物材料从发现到应用于实际，任何一种新的矿物材料从发现到应用于实际，必须经过适宜的制备工艺才能成为工程材料。必须经过适宜的制备工艺才能成为工程材料。以石墨为

15、原料可以制备石墨层间化合物、柔性以石墨为原料可以制备石墨层间化合物、柔性石墨、氟化石墨、胶体石墨等先进的矿物材料。石墨、氟化石墨、胶体石墨等先进的矿物材料。每一种材料都有其特定的制备工艺。矿物材料每一种材料都有其特定的制备工艺。矿物材料制备工艺的重点制备工艺的重点: :一是工艺流程的智能化一是工艺流程的智能化; ;二是二是实现原子或分子加工，使材料或器件依照人们实现原子或分子加工，使材料或器件依照人们的意志达到微型化、功能化和智能化。的意志达到微型化、功能化和智能化。具体的研究方向：开发节约资源、低污染的生产流程。膨润土矿物材料制备过程中对环境的污染问题 发展环境友好材料，或称为环境材料。 膨

16、润土、沸石、硅藻土等环境材料开发高性能、长寿命材料是节约能源、减少污染最有效的途径。石墨密封材料。用高新技术改造传统矿物材料生产流程。纳米碳酸钙、膨润土插层纳米塑料（3）矿物材料的应用研究与开发 v试验研究出来的具有优异性能的材料不等于有实用价值，必须经过大量的应用研究，才能发挥其应有的作用。材料的应用应考虑以下几个因素：v一是矿物材料的使用性能；二是使用寿命及可靠性；三是环境适应性；四是价格。 （4）研究矿物材料产品的标准化及相应的检测技术 v经济全球化必然要求产品的标准化和相应配套的检测技术。这一领域的落后局面，已成为我国非金属矿物材料出口创汇的障碍。分步骤、针对市场潜力大、资源优势明显的

17、非金属矿物材料，逐步分矿种建立一套完善的标准化体系和相应的检测技术是十分关键的问题。v化学成分、粒度、白度、比表面积等等。 3、东北大学矿物材料与粉体技术研究中心有关矿物粉体材料方面的研究工作 （1）纳米氧化锌 （一步法、二步法）（2）不同颗粒形状纳米级碳酸钙的制备（3）硫酸钙晶须的合成及其应用研究（4）超细粉体改性路用木质纤维（5）氢氧化镁阻燃剂的制备的研究（6）路用木质纤维（7）铁矿选矿与超级铁精粉的制备(1)纳米氧化锌的制备项目来源：国家自然科学基金 项目名称： 纳米氧化锌制备过程中前驱物作用 的基础研究 纳米氧化锌与普通氧化锌相比，由于其尺寸介于原子簇和宏观微粒之间，显示出诸多特殊性能

18、（如压电性、荧光性、无毒和非迁移性、吸收和散射紫外线能力等）和用途，它在磁、光、电、敏感、抗菌消毒、紫外线屏蔽等方面具有普通氧化锌产品所不具备的特殊功用，是一种应用前景广阔的功能材料。纳米氧化锌可以用于制备抗菌除臭、消毒、抗紫外线产品；用于催化剂和光催化剂；制备气体传感器及压电材料、图像记录材料、荧光体和电容器等。一步法制备纳米氧化锌v一步法是利用锌盐与强碱在一定温度下直接反应而生成纳米氧化锌粉体，在较低温度和常压下于敞开容器中进行反应，反应所得沉淀即为纳米氧化锌。一步法制备纳米氧化锌过程中，对合成过程影响最大的因素是反应温度和反应时间。 ZnCl2+2NaOH=ZnO+2NaCl+H2O 二

19、步法制备纳米氧化锌 二步法是采用第一步的沉淀反应首先得到分散性良好、热分解温度较低的前驱物（如Zn5(CO3)2(OH)6）；然后对前驱物进行第二步热分解反应而得到纳米氧化锌。 5ZnCl2+5Na2CO3+3H2O=Zn5(CO3)2(OH)6+ 10NaCl+3CO2 Zn5(CO3)2(OH)6=ZnO+CO2+H2O 一步法合成纳米氧化锌扫描电镜照片二步法制备的纳米氧化锌（2）纳米碳酸钙的制备v年产15000吨纳米碳酸钙工业化生产厂已经投产v研究内容：过程控制（pH、电导率） 颗粒粒度的控制 颗粒形状的控制 粉体白度的控制 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 6 7 8 9

20、 1 0 11 1 2 1 3 1 4 pH t( m in ) 0 2 4 6 8 1 0 1 p H值 2 电 导 率 (ms/cm) 1 2 图1 碳 酸 钙 结 晶 过 程 中 乳 液p H值 和 电 导 率 （ ） 的 变 化 曲 线 10 15 20 25 30 50 100 150 200 250 产品粒度 产品粒度（nm） 温度（） 20 30 40 50 60 反应时间 反应时间（min） 图 4.2 反应初始温度对产品粒度和反应时间的影响 2 4 6 8 10 50 100 150 200 250 产品粒度(nm) Ca(OH)2浓度（%） 20 30 40 50 60 产

21、品粒度 反应时间(min) 反应时间 图 4.5 Ca(OH)2浓度对产品粒度和反应时间影响 6 8 10 12 14 16 50 100 150 200 250 产品粒度(nm) CO2流量(m3/hkgCa(OH)2) 20 30 40 50 60 反应时间(min) 产品粒度 反应时间 图 4.6 CO2流量对产品粒度和反应时间的影响 20300 400 500 600 50 100 150 200 250 产品粒度(nm) 搅拌速度(rpm) 20 30 40 50 60 反应时间(min) 图4.7 搅拌速度对产品粒度和反应时间的影响 产品粒度 反应时间 （3）硫酸钙晶须的制备v项目

22、来源： 国家西部材料行动计划项目（863） 国家科技部科技攻关项目 辽宁省基金 沈阳市基金、攻关项目 横向研究课题硫酸钙晶须的合成v硫酸钙晶须是以二水硫酸钙作为原料，采用先进的工艺、独特配方生产的半水、无水、死烧硫酸钙纤维状单晶体。硫酸钙晶须具有完善的结构、完整的外形、特定的横截面、稳定的尺寸，其平均长径比可达50-80。硫酸钙晶须同其它短纤维比较，有极高的机械强度，且价格在晶须行业中最低，有其它晶须无可比拟的性能价格比，应用范围非常广泛。 硫酸钙晶须扫描电镜照片硫酸钙晶须的制备方法方法优点缺点备注水热法产品易分散、质量高、性能好；环境友好生产周期较长，采用压力容器。已实现工业化常压酸化法不需

23、要压热器，成本较低产品质量较低、性能较差；环境问题突出没有工业化 柠檬酸废渣法烟气脱硫残渣法成本低、符合绿色环保型工业要求晶须的成分及表面状态较难控制处于试验室阶段水热法制备硫酸钙晶须水热法制备硫酸钙晶须v水热法是将石膏和水的悬浮液在密闭反应釜中不断搅拌、加热到一定的温度，达到一定压力后而生成的。此反应过程实质上是颗粒状石膏向纤维状半水石膏的转化过程。 1 2 002200123 456789(10,11,12)1314220硫酸钙晶须制备工艺原原 料料原料准备原料准备合成反应合成反应过过 滤滤水水添添 加加 剂剂干干 燥燥精制处理精制处理表面改性表面改性产产 品品表面改性剂表面改性剂 无 水

24、 石 膏半 水 石 膏石 膏CaSO4 (WT.%)温 度 ( ) 硫酸钙的溶解度曲线 CaSO42H2O的溶解过程： CaSO42H2OCa2+SO42-+2H2O CaSO41/2H2O的结晶过程： 随着温度的升高，当达到溶解极限时，CaSO41/2H2O过饱和而在溶液中析出，形成胚芽，胚芽进一步凝聚、长大形成晶须生长的基础晶核。 Ca2+SO42+H2O CaSO41/2H2O 硫酸钙晶须的生长过程 单向生长阶段： 由于液相中离子扩散较快，一旦形成了晶核并且随着CaSO42H2O的不断溶解，CaSO41/2H2O将很快以晶核为中心凝聚，并在溶液中析出，晶体的择优生长使得在某一方向持续向前

25、推进，最终形成了硫酸钙晶须。 CaSO41/2H2O脱水生成无水硫酸钙晶须： CaSO41/2H2OCaSO4+1/2H2O 200400600800100093949596979899100101-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.52.02.53.0 温度/ Mass loss/% Heat flow/mW/mg 半水硫酸钙晶须的DSC-TG曲线吸热曲线失重曲线不同煅烧温度下的硫酸钙晶须204060800100020003000400050006000Intensity/cps2/(0)-CaSO40.5H2O115 不同煅烧温度下的硫酸钙晶须20406080-50000

26、500010000150002000025000300003500040000-无水可溶硫酸钙Intensity/cps2/(0)300 20406080-10000010000200003000040000500006000070000 Intensity/cps2/(0)-无水死烧硫酸钙600 硫酸钙晶须的XRD图不同煅烧温度下的硫酸钙晶须不同煅烧温度下的硫酸钙晶须硫酸钙晶须的晶格参数试样参考卡片晶系a/b/c/0/0/0半水硫酸钙晶须01-081-1848六方6.93076.93706.34509090120无水可溶硫酸钙晶须01-026-0329六方6.98206.98206.3400

27、9090120无水死烧硫酸钙晶须01-072-0503正交6.99106.99606.2380909090 a-无水可溶硫酸钙 b-无水死烧硫酸钙 无水硫酸钙晶须的晶体结构无水死烧硫酸钙晶须的Ca-O、S-O、Ca-Ca要比半水硫酸钙晶须、无水可溶硫酸钙晶须的相应原子间距短而紧密。因此，无水死烧硫酸钙晶须的晶体结构要比其他两种晶须的晶体结构紧密、牢固，难以水化。400035003000250020001500100050040003500300025002000150010005004000350030002500200015001000500Wavenumbers/cm-1115116152

28、11934403560 3618 硫酸钙晶须的红外光谱硫酸钙晶须的红外光谱 3618、3560、3440cm-1处都是羟基的伸缩振动峰；1615cm-1处出现了十分尖锐的羟基不对称伸缩振动峰；而1151、657、599cm-1处是硫酸根的吸收峰，2119cm-1是硫酸根的合频伸缩振动峰。硫酸钙晶须在高摩擦系数闸瓦中的应用v美国摩擦材料的组成vComposition Brake Shoe (Non-asbestos, Organic resin based, 99%)vCast Iron Brake Shoe ( 1%)vSintered Metal Brake Shoe ( 0.1%)v发展合

29、成闸瓦，是我国火车制动的当务之急。HD型高摩合成闸瓦的特点v导热性好、温升低：制动台架试验表明，车轮踏面最高温升为167，一般温升在70-106，远低于铁路货车高摩擦系数合成闸瓦技术条件规定的不高于400的温升值。v耐磨性好：制动台架上一次停车制动试验，闸瓦的磨耗量总和为0.08cm3/mJ，远低于标准规定的磨耗量总和不大于1.5cm3/mJ的规定。v摩擦系数变化平稳：制动台架实验数据和曲线表明，随着速度和温度的变化，闸瓦的摩擦系数变化十分平稳。HD型高摩合成闸瓦的特点v通过在一些机车和一些企业自备车上数年的运行结果表明：HD型高摩瓦不龟裂、不掉块、不镶嵌、不粘辊，且防老化性好。v有利于环境保

30、护：HD高摩瓦不含石棉和铅等有害物质，在生产和使用中不会造成环境污染，不会影响生产工人和列车检查人员的身体健康。硫酸钙晶须增强合成闸瓦的应用情况v2004年11月21日，新型铁路高摩合成闸瓦通过专家技术审查。然后，在铁道部指定在哈尔滨北部高寒地区线路、北京局大秦线轴重25吨车辆、广州局海南岛地区、上海局杭州北车辆段行包快车、南昌局永安车辆段管内小曲线线路上装车运行考核，装车数量各为10辆。v2005年11月21日，应用试验通过铁道部组织的专家审查，现已开始批量生产。（4）非金属矿超细粉体改性路用木质纤维 v项目来源：国家科技部科技攻关项目vSMA是由沥青、细集料、矿粉、纤维稳定剂组成的玛蹄脂填

31、充间断级配的粗集料碎石骨架形成的复合材料，其结构强度来自于粗集料骨架之间的相互嵌挤。在原料组成上具有粗集料含量高、矿粉含量高、沥青含量高、细集料含量低的特点；在结构上具有骨料间有效嵌挤、沥青膜较厚、空隙率小、表面粗糙的特点；SMA的组成和结构特点决定了混合料具有抗滑耐磨、密实耐久、抗高温软化以及减少低温开裂的优异性能。 SMA路面增强纤维v种类：石棉纤维、路用木质纤维、涤纶纤维、腈纶纤维、玻璃纤维、钢渣纤维。其中路用木质纤维成为最合理的选择。v纤维稳定作用： 由纤维的吸油性能提供v纤维增强作用： 由结构沥青提供路用木质纤维制备现状v德国JRSTM公司 ：产品ARBOCEL ，VIATOP家族系

32、列 ，VIATOPsuperior 、VIATOP66 premium、VIATOP80 v美国FIBERANDTM公司：产品Road-Cel，该公司目前已开发出颗粒状产品。v中国：铺筑了大量的SMA试验路段，路用纤维依赖进口。松散状路用木质纤维制备成功，但未形成产业化。 东北大学研制的松散状和颗粒状纤维纤维性能评价指标体系v纤维表面分析v纤维尺寸分析v纤维灰分含量v纤维水分含量v纤维热损失v纤维pH值v纤维吸油率路用木质纤维的微观检测结果JRS公司产品东北大学研制产品（5）铝土矿选择性磨矿研究v项目来源：国家重点基础研究规划项目（973）v我国的铝土矿以一水硬铝石为主、铝高、硅高，铝硅比低。

33、v有用矿物：一水硬铝石v脉石矿物：高岭石、叶蜡石、伊利石v通过选择性磨矿、分级可得到铝硅比9以上的铝土矿产品，满足拜耳法生产氧化铝的要求。（原矿铝硅比5左右）。铝土矿细磨的缺点v能耗高。v细磨时产生的大量矿泥会恶化浮选的作业环境，影响选别指标，造成金属流失 。v细磨使选别精矿脱水困难，而铝土矿精矿所带的水分在拜耳法溶出阶段须以蒸发方式除去，这会导致氧化铝生产的能耗和成本增加 。v影响氧化铝生产的赤泥处理。v加剧浮选药剂对拜耳法溶出的影响。介质形状对铝土矿选择性磨矿的影响 0.00.10.20.30.40.50.656789101112131415回收率铝硅比 球形介质 柱球介质 柱形介质 Al

34、2O3回收率/% 铝硅比粒度/mm0102030405060708090100 当磨矿细度为-0.074mm占50%，采用球形介质时粉磨产品粗粒级铝硅比最高，但产品粒度组成较细，柱形介质粉磨产品粗粒级铝硅比最低，但粗粒级产率最高，柱球介质居中。 综合比较，球形球形介质介质的选择性磨矿效果最佳。0.00.10.20.30.40.5345678910111213回收率铝硅比 Al2O3回收率/% 铝硅比粒度/mm0102030405060708090100110 球径50mm 球径40mm 球径30mm 球径20mm 球径15mm 当 磨 矿 细 度 为 -0.074mm占50%，采用40mm球形

35、介质时粉磨产品中粗粒级铝硅比最高，但产品粒度组成最细，综合考虑粗粒级铝硅比、产率和 Al2O3回收率时，采用 20mm20mm 球径球径时的选择性磨矿效果最佳。（注：综合考虑最佳选择性磨矿效果时，要以铝土矿精矿的合理铝硅比值下尽可能提高精矿产率和Al2O3回收率为原则，以下同。）0.00.10.20.30.40.50.6567891011121314 料球比 1.2 料球比 1.0 料球比 0.8回收率铝硅比 Al2O3回收率/% 铝硅比粒度/mm0102030405060708090100 当磨矿细度为-0.074mm占50%，料球比为1.2时，粗粒级铝硅比值、产率和 Al2O3回收率最高。

36、采用1.21.2料球比料球比时的选择性磨矿效果最佳。0.00.10.20.30.40.50.6567891011121314 充填率45% 充填率40% 充填率35%回收率铝硅比 Al2O3回收率/% 铝硅比粒度/mm0102030405060708090100 当 磨 矿 细 度为-0.074mm占50%，充填率为40%时，粗粒级铝硅比值、产率和 Al2O3回收率最高。采用40%40%充填率充填率时的选择性磨矿效果最佳。0.00.10.20.30.40.5567891011121314 转 速率91% 转 速率80% 转 速率70% 转 速率60%回收率铝硅比 Al2O3回收率/% 铝硅比粒

37、度/mm0102030405060708090100 当 磨 矿 细 度为-0.074mm占50%，转速率为91%时，粗粒级铝硅比值、产率和 Al2O3回收率最高。故采用91%91%转速率转速率时的选择性磨矿效果最佳。 0.00.10.20.30.40.556789101112131415磨 矿浓度80%磨 矿浓度70%磨 矿浓度65%磨 矿浓度60%磨 矿浓度50%回收率铝硅比 Al2O3回收率/% 铝硅比粒度/mm0102030405060708090100 当 磨 矿 细 度为-0.074mm占50%，磨矿浓度为70%时，粗粒级铝硅比值、产率和 Al2O3回收率最高。故采用70%70%磨

38、矿浓度磨矿浓度时的选择性磨矿效果最佳。 0.00.10.20.30.40.556789101112131415磨 矿浓度80%磨 矿浓度70%磨 矿浓度65%磨 矿浓度60%磨 矿浓度50%回收率铝硅比 Al2O3回收率/% 铝硅比粒度/mm0102030405060708090100 当 磨 矿 细 度为-0.074mm占50%，磨矿浓度为70%时，粗粒级铝硅比值、产率和 Al2O3回收率最高。故采用70%70%磨矿浓度磨矿浓度时的选择性磨矿效果最佳。 0.00.10.20.30.40.50.656789101112131415回收率铝硅比 Al2O3回收率/% 铝硅比粒度/mm010203

39、0405060708090100干式湿式 当 磨 矿 细 度为-0.074mm占50%，湿式磨矿产品中粗粒级的铝硅比值、产率和Al2O3回收率均高于干式磨矿。故铝土矿选择性磨矿的适宜磨矿方式为湿式磨矿湿式磨矿。 0.00.10.20.30.40.50.656789101112131415介质配比 1介质配比 2介质配比 3回收率铝硅比 Al2O3回收率/% 铝硅比粒度/mm0102030405060708090100 当 磨 矿 细 度为-0.074mm占50%时，综合比较，采用介质配比介质配比3 3时的选择性磨矿效果最佳。配比1：40:30:20=44%:33%:22%；配比2：40:30:

40、20=20%:30%:50%；配比3：30:20:15=30%:50%:20%； （6）氢氧化镁阻燃剂的制备v优质水镁石的机械法粉碎v氢氧化镁的化学法合成v（1）从海水中提取氯化镁，氯化镁与氢氧化钠反应生成氢氧化镁。v（2）碳酸镁与盐酸反应生成氯化镁，氯化镁与氢氧化钠反应生成氢氧化镁。v MgCO3+2HCl=MgCl2+CO2+H2O v MgCl2+2NaOH=Mg(OH)2+2NaCl 氢氧化镁的化学法合成v（3）含镁的硅酸盐（滑石、蛇纹石）与盐酸反应生成氯化镁，氯化镁直接分解得到活性氧化镁，氧化镁与水反应生成氢氧化镁。 德国马丁公司采取这种工艺进行生产。v（4）菱镁矿或水镁石分解直接得

41、到活性氧化镁，氧化镁加水反应并控制粒度得到所要求的氢氧化镁。v MgCO3=MgO+CO2 v MgO+H2O=Mg(OH)2 （7）电气石的加工与利用电气石是含硼的环状硅酸盐矿物。因其复杂的化学成分，同价和异价的类质同象替代以及独特的晶体结构而具有压电性和热释电性。随着温度的变化，电气石晶体两端可产生电压，其极性离子在平衡位置振动而引起偶极距变化产生远红外波段的电磁辐射，红外辐射可使人体产生热效应和共振吸收效应，对人体有保健作用；另外，温度和压力的变化能引起电气石晶体产生电势差，使周围的空气发生电离，被击中的电子附着于邻近的水和氧分子并使它转化为空气负离子。近年来，在日本、美国、韩国等几个国家兴起了一股在涂料和涂层材料、功能纤维、织物、室内空气净化、美容保健和电器等产品中应用电气石的热潮。经过加工后的电气石粉体产品的价格从每吨数万元到每吨10万元以上，应用研究成果大多以发明专利公开。据初步检索，仅日本近5年来与电气石有关的发明专利就达100多项。电气石的加工与应用v从上世纪九十年代起，国内一些大专院校、科研院所和民营企业对电气石的性能、加工和应用也开展了研究，特别是在超细粉碎加工、室内涂料、功能纤维等方面取得了显著成绩