《原料天然原料》PPT课件.ppt
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1、无机材料工程(天然矿物原料),主讲人:封鉴秋,3.无机材料工业常用原料 3.1 天然矿物原料3.1.4 钙质原料 钙质原料是制造硅酸盐水泥、石灰、耐火材料的主要原料,也是陶瓷、玻璃等引入CaO成分的矿物质。常见钙质原料的种类、基本性质和典型用途见表2.1。表2.1 常见钙质原料的种类、基本性质和典型用途,石灰石 石灰石是石灰岩的俗称,它是由方解石组成的一种碳酸盐的沉积岩.大理石是经过变质作用再结晶、外观呈现颗粒状的石灰岩。石灰岩按矿床类型可分为纯石灰岩和含白云质石灰岩。石灰石主要用于作为水泥工业中的石灰质原料。石灰石一般在700左右开始分解,800分解剧烈,930950分解完毕。反应式为 Ca
2、CO3CaO+CO2 生石灰经加水消化即成为消石灰,在耐火材料工业中,消石灰用做生产硅砖的矿化剂和提取海水氢氧化镁的沉淀剂。,汉白玉蓝田玉,阿富汗玉-白菜,阿富汗玉,白云石(MgCO3.CaCO3)中国白云石矿产资源遍布各省,其中尤以辽宁大石桥、海城一带出产最多。与白云石共生的矿物主要是方解石、菱镁矿,因而经常按白云石的CaO/MgO比值进行分类。在中国辽宁大石桥有大型镁质白云石矿,已探明的储量达1.4亿吨。白云石、方解石、菱镁矿。用冷稀盐酸检验:菱镁矿不溶解不发泡,白云石缓慢发泡和溶解,方解石发泡并溶解。,表2.3 白云石原料的化学成分白云石的加热分解分两个阶段进行,790左右白云石中的Mg
3、CO3先行分解;940左右CaCO3和残存的MgCO3分解。,3.2 粘土类原料(铝硅酸盐类原料)粘土是一种含水铝硅酸盐矿物,是由地壳中含长石类岩石经过长期风化和地质作用而生成的.传统陶瓷坯料中粘土类原料总量可达4070%。粘土也是水泥生产的主要原料之一,1吨水泥熟料需要0.2-0.3吨粘土类原料。质纯的高岭土可生产粘土质耐火材料。粘土是多种微细的矿物的混合体。有白色、灰色、黄色、黑色、红色等多种;有的粘土柔软,有的则成石块状;,一般来说,粘土应具有以下四个基本特征:组成粘土的矿物颗粒很细小,主要由直径2m的粘粒组成。一切粘土均含大量的粘土矿物。具有独特的物理化学和工艺性质,如可塑性、粘结性、
4、稀释性、烧结性、耐火性及吸水膨胀性等.粘土固结以后,可形成泥岩、页岩、泥板岩等半硬质岩石。,3.1.1 粘土的成因与分类 粘土主要是由铝硅酸盐类岩石(火成的、变质的、沉积的)如长石、云母等经过长期风化而成。钾长石的风化主反应为:K2OAl2O36SiO2+2H2O+CO2 Al2O32SiO22H2O+4SiO2+K2CO3 K2CO3是可溶盐会被雨水冲走,余下的主要是高岭石和石英。,一次粘土-母岩(生成粘土的原始矿物)风化后残留在原地所形成的粘土称为一次粘土(也称为原生粘土)。杂质较少,颗粒较粗,可塑性相对较差,烧结温度较高.二次粘土-母岩风化后,受水力,风力的作用,被搬运到其它地方沉积下来
5、,由此而形成的粘土称为二次粘土(或次生粘土、沉积粘土)。,3.1.1.1 粘土的组成(1)粘土的化学组成 主要是SiO2、Al2O3,主要来源于粘土矿物。分析项目为SiO2、Al2O3、Fe2O3、TiO2、CaO、MgO、K2O、Na2O及烧失量九项;粘土的化学组成在一定程度上反映其工艺性能。SiO2含量多,游离石英多时,可塑性低,但收缩小。若含有一定量的K2O、Na2O,则烧结温度较低。Al2O3含量高说明难以烧结,若同时K2O、Na2O等碱性氧化物含量又低,则说明该粘土为耐火粘土。,Fe2O3和TiO2影响陶瓷产品烧后的颜色,呈浅黄或浅灰;钙和镁的化合物会降低粘土的耐火度,缩小烧结范围。
6、有机物质多,吸水性强的粘土其可塑性高,干燥强度大,但收缩也较大。(2)粘土的矿物组成粘土矿物组成包括粘土矿物和杂质矿物两部分。粘土矿物 高岭石类(Al2O32SiO22H2O)这一类有高岭石、珍珠陶土、迪开石与多水高岭石。主要由高岭石构成的粘土称为高岭土。,蒙脱石(微晶高岭石)类(Al2O34 SiO22H2On H2O)主要由蒙脱石构成的粘土称为膨润土。水云母(伊利石)类(白云母 K2O3Al2O36 SiO22H2O)有水白云母、水云母,绢云母等。由它们构成的粘土称为水云母质粘土或绢云母质粘土,如我国江西、安徽等省所产瓷石即属此类。叶蜡石类(Al2O34SiO2H2O)叶蜡石因某些性质近于
7、粘土而划归粘土之列。叶蜡石脱水平缓,脱水温度范围宽,而且脱水时略微膨胀,适合于配制快速烧成坯体。我国著名的叶蜡石矿有福建的寿山石,浙江的青田、昌化、温州等叶蜡石等。,杂质矿物 石英:(SiO2)常呈游离的砂粒状存在,颗粒较大。铁质矿物有褐铁矿(Fe2O3nH2O),赤铁矿(Fe2O3),黄铁矿(FeS2),菱铁矿(FeCO3),磁铁矿(Fe3O4)等。铁质矿物影响陶瓷烧后色泽、制品的介电性能、化学稳定性等。碳酸盐及硫酸盐有方解石(CaCO3)、菱镁矿(MgCO3)、石膏(CaSO42H2O)、明矾石(K2SO4Al2(SO4)36H2O)及可溶性硫酸盐K2SO4,Na2SO4等。含碱矿物 主要
8、是长石类,云母类矿物,它们的熔剂作用强烈,会大大降低烧成温度。,3.1.1.2 几种典型粘土(1)高岭土 高岭土一词源于我国景德镇附近的高岭村。国际上把这类制瓷的粘土称为高岭土。高岭土的主要矿物是高岭石。其化学通式为:Al2O32SiO22H2O;如我国著名的景德镇星子高岭土,苏州高岭土,湖南界牌高岭土,四川叙永多水高岭土等。,景德镇浮梁县高岭村,高岭村的香樟树,(2)膨润土 以蒙脱石为主要矿物构成的粘土,本身能够吸附大量的水,吸水后体积膨胀,呈胶泥状态,这种性质也称膨润性。蒙脱石的理论化学通式为Al2O34SiO2nH2O(n通常大于2)。蒙脱石呈不规则细粒状或鳞片状,颗粒较小,一般0.5m
9、,结晶程度差,轮廓不清楚。颜色为白色或淡黄色,比重为2.02.5。如东北黑山土、福建连城膨润土等。,(3)伊利石 也称水云母类矿物。属于这一类的有水白云母、水云母,绢云母等。伊利石的晶体呈厚度不同的鳞片状,单斜晶系,颜色从白到褐,硬度1-2,相对密度2.6-2.9。伊利石是由白云母(K2O3Al2O36SiO22H2O)矿物风化作用,转变为蒙脱石或高岭石的中间产物,主要由它们构成的粘土称为水云母质粘土或绢云母质粘土,如我国江西、安徽等省所产瓷石即属此类。(4)瓷石 瓷石是一种由石英、绢云母组成,并含有若干高岭土、长石等的岩石状矿物。由于其本身就含有构成瓷的各种成分,并具有制瓷工艺与烧成所需要的
10、性质。,云母,(5)球粘土(软质粘土、结合粘土)球粘土指可塑性极强,颗粒细微,在水中易分散,烧后黄或白色与褐煤共生的铝硅酸盐沉积矿物,名称源于英国。球粘土化学成分:Al2O3 20-35%,SiO2 45-70%,组成波动大,不稳定。矿物组成:主要矿物为高岭石(无序);次要矿物有微晶高岭,膨润土,埃洛石,伊利石等;粒度小,2m占75%以上,同一矿区,细颗粒越高,Al2O3越多,因石英颗粒粗。球黏土广泛应用于陶瓷行业,注浆成形。耐火材料行业是常用于不定型耐火材料,提高干燥强度。,6)硬质黏土(耐火黏土):作黏土熟料的原料,含95%以上的高岭石矿物,含Al2O3高,杂质少,结构致密,硬度大,可塑性
11、低,遇水不分散。如山东淄博地区的焦宝石,焦作地区的硬质黏土等。耐火黏土主要用于生产黏土质耐火材料。(7)叶蜡石化学通式为:Al2O34SiO2H2O;又称寿山石,青田石,印章石等,叶蜡石有蜡的手感,珍珠光泽,油脂感,片状解理为主,层状结构,块状,纤维状,不透明或半透明,与滑石相似,呈白色,淡绿,淡青,淡红等颜色。硬度2-3。,中国蜡石主要分布在福建寿山,浙江青田和昌化等地,占全国75%。较纯的蜡石很少见,主要用于雕刻印章和艺术品。寿山石产于福建福州市郊寿山。色彩丰富,微透明-半透明,蜡状光泽。橘黄、黄金色的名“田黄”最为珍贵。青田石产于浙江青田的方山。色彩较丰富,青色居多。微透明-半透明,蜡状
12、光泽。质地似牛角的“灯光冻”最为珍贵。,情满西厢,银裹金田黄冻,昌化石产于浙江昌化,迪开石,微透明-半透明,蜡状光泽。灰白,浅黄等色。硬度2-3。其中含辰砂(HgS)而呈朱红色如鸡血凝结者,称“鸡血石”。巴林石产于内蒙古林西-巴林右旗一带,迪开石,性质同昌化石,但裂纹不发育,大块者多,含辰砂者,称为“巴林鸡血石”。巴林鸡血石较昌化鸡血石细嫩且血色较亮。,昌化鸡血石 海市蜃楼,3.1.1.3 粘土的工艺性质(1)可塑性与结合性:可塑性-粘土加水(一定量的润湿水)膨润后可捏练成团,这种泥团在外力作用下产生变形,塑造成所需形状,在外力除去后仍保持该形状,这种性质称为可塑性。可塑性是粘土的主要性质之一
13、,是塑性法成形的基础。可塑性通常用塑性指数和塑性指标来表征。分为:强可塑性粘土(可塑性指数15,可塑性指标3.6);中可塑性粘土(可塑性指数715,可塑性指标2.53.6)弱可塑性粘土(可塑性指数17,可塑性指标2.5);非可塑性粘土(可塑性指数1。),测定粘土可塑性的方法:(1)塑性指数法:表示粘土呈可塑性状态时含水量的变化范围,代表粘土可塑性的程度,其值等于液限与塑限之差。WN=WTWP WT 液限是粘土呈可塑性状态时的上限含水量,系粘土由流动状态进入塑性状态时的含水量。WP 塑限是粘土呈可塑性状态时的下限含水量,系粘土由固体状态进入塑性状态时的含水量。塑性指数愈大,则可塑性范围愈大,成形
14、性能好;陶瓷可塑成形所需的可塑水量在液限与塑限之间,约20%-30%。,(2)塑性指标法:直接测定方法。采用一定直径的泥球,当外力作用后发生变形并开始产生裂纹,以应力(变形力)与应变(变形的程度)的乘积来表示其可塑性程度。将软泥制成球径为46mm的球状。可塑性指标 S=(a-b)P a-泥球试验前D(cm)b-泥球在压后高度(cm)P 泥球出现裂纹时的负荷重量(kg),粘土的结合性:软泥干燥后能保持原有形状,具有一定的强度,这种性质称作结合性,这是因为粘土颗粒的结合力作用而相互牢固地结合在一起的缘故。一般可塑性愈强,粘土的结合力愈大,可通过可塑性大小来判断其结合能力。结合性通常以能够形成可塑泥
15、团时所加入的标准石英砂的数量来表示。结合性强:加砂量50%;结合性中等:加砂量50%-25%;结合性弱:加砂量25%以下。,(2)吸附性和吸水性:粘土具有对各种气体、液态物质、有机质的吸附能力,这是由于粘土颗粒具有很大的表面积与表面能。由蒙脱石组成的漂白土吸附能力最大,被广泛用作净化剂、脱脂剂以及漂白剂。膨润土吸水能力最强,能吸收相当于本身体积八倍的水分,体积膨胀1030倍。,(3)离子交换性 黏土颗粒由于其表面层的断键和晶格内部离子的被置换,黏土表面总是带有电荷,同时又吸附一些反离子。在水溶液中,这种吸附的离子又可被其它相同电荷的离子所置换。各种黏土的交换能力不同。离子交换能力一般用容量表示
16、,是100g干黏土所吸附能够交换的阳离子或阴离子的量。不同黏土矿物的离子交换容量可以从下表2.10看出。黏土颗粒大小与阳离子交换容量的关系示于表2.11。,(4)触变性黏土泥浆或可塑泥团受到振动或搅拌时,黏度会降低而流动性增加,静置后逐渐恢复原状。这种性质统称为触变性。泥料触变性过小时,生坯的强度不够,影响脱模与修坯。触变性过大,管道输送不便,生坯也易变形。触变性主要取决于粘土的矿物组成,粒度大小和形状,水分含量等。蒙脱石的遇水膨胀要比高岭石和伊利石高,矿物颗粒也较细,其触变性较大。粘土颗粒愈细,活性边表面愈多,形状愈不对称,愈易呈触变性。粘土吸附的阳离子其价数愈小或价数相同而离子半径愈小者,
17、其触变效应愈大。,温度升高,粘土质点的热运动剧烈,使粘土颗粒间的联系力减弱,不易建立触变结构。触变性的测定:以厚化度(或稠化度)来表示。泥浆的厚化度是泥浆放置30min和30s后其相对粘度之比。泥浆厚化度=t30min/t30st30min100ml泥浆放置30min后,由恩氏黏度计中流出时间;t30s100ml泥浆放置30s后,由恩氏黏度计中流出时间。,(5)干燥收缩和烧成收缩:软泥干燥时体积有干燥收缩。干燥过的粘土制品在烧成过程中有烧成收缩,两种收缩之和称为总收缩。一般用线收缩率表示:线收缩率 SL=L0-L1/L0*100(%)式中:L0试样原始长度,L1试样干燥后或烧成后的长度。线收缩
18、与体积收缩的关系一般按体积收缩是线收缩的3倍。收缩情况取决于其组成,含水量,吸附离子及其它工艺性质等,细粒粘土及呈长形纤维状粒子收缩较大。,(6)烧结性:粘土没有固定熔点,只是在一个相当大的温度范围内逐渐软化,当温度超过800时(T1),粘土中的液相逐渐增加而气孔率相应地有所降低,结构愈趋致密。当温度达到T2时,粘土中的显气孔率接近于零时,收缩率达到最大,称为烧结。温度继续升高到T3,开口气孔全部消失,液相量增加到一定数值,坯体发生软化。烧结范围-从烧结至开始软化之间的温度范围(T2到T3)称之为烧结范围。T1、T2和T3分别称为开始烧结温度、烧结温度和软化温度,T3也称为过烧膨胀温度。优质高
19、岭土的烧结范围可达200,不纯粘土约为150,伊利石类粘土仅为5080。,(7)耐火度:耐火度反映粘土原料抵抗高温作用不致熔化的能力。粘土完全软化变形的温度称为耐火度。粘土原料可按其耐火度区分为以下几种:易熔粘土 耐火度低于1300难熔粘土 耐火度在13001580耐火粘土 耐火度大于1580高级耐火原料 耐火度高于2000;高岭土的耐火度一般在17401770之间。粘土的耐火度主要取决于其化学组成。*,3.1.3 硅质原料3.1.3.1 概述 硅质原料泛指以SiO2为主要成分的天然矿物原料。地壳中的SiO2类原料含量高且分布广,使其存在的形式也多种多样。表2.13 地壳中主要造岩矿物含量 据
20、报导,SiO2的物相已超过22种。SiO2是自然界物质以多形存在的典型。按结构可以将分为下述各种类型。,(1)晶态SiO2:石英、鳞石英、方石英、各种单晶水晶(紫晶、玫瑰晶、烟晶、茶晶、)(2)隐晶质SiO2:玉髓、燧石、玛瑙、碧玉、红玉髓等;(3)非晶态SiO2:蛋白石、硅藻土等;(4)玻璃态SiO2:黑曜岩等。,石英,隐晶质SiO2:玛瑙,玛瑙:雨花石,隐晶质SiO2:蓝玉髓、红玉髓等;,3.1.3.2 硅质原料的主要类型 主要使用晶态和隐晶态的SiO2,例如各类石英岩与燧石等。脉石英:呈岩脉状产出,故而得名。属结晶硅石的一种,硬度高,纯度也高(SiO298%),半透明,玻璃光泽,贝壳状断
21、口,无解理;石英砂:含量通常95%。由0.12mm的石英组成的砂粒,分海砂和山砂。由硅石和石英砂矿岩经打碎加工,也可制成石英砂。,石英砂岩:由硅质胶结物(蛋白石及玉髓)胶结石英砂粒构成。砂粒中石英含量在99%以上。根据颗粒大小分为粗粒砂岩,中粒砂岩,细粒砂岩。硅石:由无定型SiO2胶结而成的硅质砂岩经地质变质作用形成的变质岩,在变质过程中石英颗粒发生重结晶,挤压等过程,因而岩石的硬度,强度较大。石英质砾石-鹅卵石,白,灰,黑色等,白色的为上述品种风化,磨圆而成,色黑者多为由燧石组成。质地坚硬,硬度为7。可做研磨介质。,燧石-也称“火石”,隐晶质石英。颜色暗淡无光,浅灰,褐黑色,致密块状,呈结核
22、状,主要产于石灰岩中。致密度高,耐磨性好,做研磨内衬,研磨球。蛋白石:SiO2*nH2O 非晶质SiO2的凝胶体,透明或半透明,颜色不一,纯者无色,玻璃光泽,性脆,硬度5-5.5,是火山区温泉的沉淀物。色泽美丽的为贵蛋白石,可做装饰品。硅藻土-是一种生物成因的硅质沉积岩,主要由古代硅藻的遗体组成。硅藻土是疏松状,孔隙率80%90%。松散密度为0.30.5g/cm。松散密度是评价硅藻土质量好坏的一个重要指标。松散密度越小,质量越好。硅藻土细腻,松散,多孔,吸水,渗透性强,是热电,声的不良导体。,硅藻土含SiO2 80%-94%以上。硅藻土的比重是0.40.9,导热系数极小,0.53的硅藻土=0.
23、0158w/m.k(200),=0.0219w/m.k(800)。硅质原料的应用:脉石英:生产日用细瓷,制造高硅质,高密度硅砖,硅石:生产硅砖,优质硅石可生产高硅质,高密质硅砖,生产一般陶瓷。石英砂:它们均是玻璃工业的重要原料。硅藻土:常用来做保温隔热材料。我国部分地区的石英原料的化学组成 见表2.15,3.3.3 石英的多晶转变石英晶型转化过程中的体积变化值 见表2.16。晶型转化对生产的指导意义:如利用石英的膨胀应力作用,预先将块状石英煅烧,产生裂纹,有利于破碎;在制品烧成和冷却时,处于晶型转化的温度阶段,应当控制升温与冷却速度,保证制品安定不开裂.,3.1.2长石类原料 长石是地壳中分布
24、最广的普通矿物资源之一。长石矿物主要用于玻璃、陶瓷、搪瓷等工业部门,部分用于化工部门作为提取钾肥及烧碱的补充资源。3.1.2.1长石的种类 长石是一种造岩矿物,它差不多占地壳矿物组成的60%。从化学组成上来说,它是碱金属或碱土金属的铝硅酸盐。自然界长石种类很多,归纳起来都是由下面四种简单的长石矿物组合而成:,钠长石(albite,Ab)Na2OAl2O36SiO2钾长石(orthoclase,Or)K2O Al2O36SiO2钙长石(anorthite,An)CaO Al2O32SiO2钡长石(celsian,Cn)BaO Al2O32SiO2 上述四种长石以前三种居多,后一种较少。钾长石与钠
25、长石在高温下能形成连续固溶体,但温度降低则可混溶性减弱,因溶体会分解。钾长石和钡长石可形成不同比例的固溶体,分布不广。钾长石与钙长石在任何温度下几乎都不混溶。钠长石与钙长石能以任何比例互溶,这就是常见的斜长石。地壳中单一的纯长石很少,多数是几种长石的互溶物。,钾长石,钠长石,钾钠长石亚族:钾钠长石外观多数为肉红色、粉红色,有的呈灰白色、淡黄色等。这类长石是陶瓷的优质原料。斜长石族:斜长石是钠长石与钙长石的互溶物,外观为白色或浅灰色。含钙长石在10%以下的称为钠长石,含钠长石在10%以下的称为钙长石,这中间比例的互熔物统称为斜长石。,3.1.2.2 长石的性质(1)长石的物理化学性质表2.18各
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