高岭土煅烧综论

高岭土煅烧综论

一、煅烧的概念及机理

1.1煅烧的概念

煅烧，是指在适宜的气氛和低于矿物原料熔点温度条件下进行的热加工，使矿物原料的目的组分矿物发生物理化学变化的工艺过程。

对于煤系高岭土的生产来说，煅烧就是为了脱去原材料中夹杂的各种形态的碳质，水分，改变铁、钛、石英等杂质的存在形式，使最终产品的白度、孔隙率（吸油量）、遮盖力、粒度分布的等性能得到提高、优化。

1.2煅烧的反应形式

氧化煅烧——于氧化气氛中加热矿物，使炉气中的氧与矿物中的可燃组分或矿物本身发生反应；

还原反应——于还原气氛中使炉气中德还原性组分（如CO、H2）等与矿物中的金属氧化物等反应；

脱水反应——随温度升高，矿物中不同存在形式的水从矿物中脱离。

二、煅烧工段的主要控制内容

2.1物料水分——物料水分的高低影响窑头料的下料稳定性及物料在窑内的

脱水时间。

2.2窑转速——窑转速的高低决定了煅烧时间和窑内物料的填充率。

2.3进料量——进料的稳定对产品指标、产量的稳定有极大的影响。

2.4风机调频——各风机调频的大小，对窑内煅烧气氛、煅烧区间的调节有

着直接的影响。

2.5窑头料容重——窑头料的容重影响到实际窑头进料量的大小及进料的稳

定性，可以通过对窑头料仓料位的控制来影响窑头料容重。

2.6煅烧温度——这里的煅烧温度指的是窑尾护罩出热电偶测量出的温度，

直接影响窑内的实际温度，通过调节煤气开度控制。

三、煤系高岭土煅烧中的主要反应形式

3.1煤系高岭土煅烧中重要的氧化反应

煤系高岭土原料中主要的还原性组分就是其中夹杂的大量的碳质，这些碳质包括煤屑、植物化石、碳膜及其他碳水化合物中的碳质。这些碳质均匀的胶结在高岭岩矿物的表面、颗粒间的缝隙内以及渗透到高岭是的解理缝中。

碳质的存在使煤系高岭土原料呈灰色、黑色，脱碳以获得高白度的高岭土，是煤系高岭土煅烧的主要目的之一。

碳质在煅烧过程中随温度变化主要分为三个阶段：

1)煤屑、碳氢化合物分解生成水和碳；

2)大约在600℃左右开始发生氧化放热反应；

3)800℃左右氧化放热反应剧烈进行，至900℃左右，氧气充足条件下的

到充分反应，全部被氧化成CO2。

反应方程式：C+O2600−900℃

→CO2↑

如果氧气供应不足，则氧化反应不能充分进行，生成CO。

反应方程式：2C+O2600−900℃

→2CO↑

3.2煤系高岭土煅烧中重要的还原反应

煤系高岭土中的杂质中铁质是主要的染色物质，在整个煅烧过程中，无论是氧化气氛，还是还原气氛，铁质成分只是转移到新生成的矿物中，含量并不发生改变。所以煅烧结束后铁的存在形式成为影响高岭土白度的主要因素。铁质的存在形式中高价铁主要呈深红棕色、低价铁一般呈浅蓝绿色，最终产物中高价铁含量偏高时产品白度值偏低，颜色偏红。煤系高岭土中重要的还原反应就是C、CO等还原性物质将原料中的高教铁还原为低价铁的过程。

3.3煤系高岭土煅烧过程中重要的脱水反应

理论上煤系高岭土中，一般在小于110℃时，自由水、层间水、吸附水即可脱除；110-400℃时，胶体水和结晶水迅速脱除；400-450℃时，化合水开始缓慢脱除；450-550℃时，化合水迅速脱除，以后速度减慢；550-950℃时，化合水及其他残余水全部脱除。

实际上由于煤系高岭土矿物成矿环境及成矿原因不同，结晶度、有序度差异较大。结晶有序度高的，脱羟温度高，过程长，速度慢。结晶有序度低的，脱羟温度低，过程短，速度快。脱羟温度可以从600℃延伸至900~950℃，升温速度控制得当，羟基脱除彻底才能充分形成煅烧产品的膨松结构。

四、煤系高岭土反应的温度区间

4.1低温除湿阶段

这个阶段的特点是低温（通常小于110℃）。在这种温度下，渗人于矿物裂隙及孔隙中的自由水(湿存水)，大部分吸附和一些粘土矿物中层间水便逐渐脱出，从而使矿物原料变得干燥。

这个阶段由于温度低，高岭石矿物本身一般不会发生物理化学变化。由于矿物原料中上述几种水的脱失和蒸发逸散，从热力学分析，这个阶段是个吸热过程，在这些水逸散殆尽之前，炉内升温缓慢。这个阶段所需的时间，主要取决于矿物原料中上述几种水的含量及杂质中水的含量等因素。

4.2中温脱羟基阶段

这个阶段的温度区间是100-925℃，由于温度升高，热力驱动，高岭石矿物开始发生锻烧反应，首先是被离子电性吸附的胶体水和结晶水脱失，接着是矿物晶体结构中以经基（OH）性质存在的化合水（结构水）逸出脱出。

大约在925℃时。高岭石矿物中各种形式的水全部脱失。这个阶段的脱水过程虽是渐进和连续进行的，但在不同温度区间范围内.不同形式水的速度脱出先后和速度是不同的，-般在110-400℃时，胶体水和结晶水首先迅速脱出;400-450℃，化合水开始缓慢脱出;450-550 ℃:，化合水迅速脱出，以后速度减慢;550-925℃，化合水及其他残余水全部脱除。

在这个般烧阶段，高岭石除发生脱水外，还会发生其他形式的锻烧反应。

如在450-750℃左右高岭石就会转变成为偏高岭石或变高岭石，反应式如下: Al2O3.2SiO2.2H2 O450−750℃

→ Al2O3.2SiO2+2H2 O

除此之外，在这个锻烧阶段，高岭石一般不会析出其他新的晶相，与高

岭石相伴的碳质、碳氢化合物、都要发生相应的变化和脱除。从而使产品增白，其他性能也会相应变化，从这个意义上说，这个阶段又称为除碳阶段。

由于各地煤系高岭岩（土）的矿石类型，矿物成分和含量的差异及结晶有序度不同等因素的影响，使高岭石在锻烧过程中的行为变得更为复杂和多变，因而要求在这个锻烧阶段要做到：供热连续、温度稳定、原料受热均匀、时间足够、气氛适宜。

经过这个阶段缎烧的高岭土产品，已经形成了非陶瓷行业需要的无定型结构的偏高岭土结构，由于反应温度比较高，颗粒内的有机质、固定碳能够在比较短的时间内脱除，使煤系高岭土有比较高的白度、电阻率。

4.3高温过烧阶段

凡温度大于925℃的缎烧过程，都可称之为高岭土的高温过烧阶段。

由高岭石锻烧转变来的偏高岭石，从925℃开始转化成为一种铝硅尖晶石新晶相矿物，同时热解出SiO2，反应式为：

→2Al2O3.3SiO2+SiO2

2（Al2O3.2SiO2）925℃

当温度继续升高至1050-1100℃时，部分铝硅尖晶石便向另一种新晶相矿物转化，开始生成少量结晶差、晶体细小呈针状、长柱状的似莫来石，并继续热解出SiO2，反应式为：

→2Al2O3.SiO2+2SiO2

2Al2O3.3SiO21050℃

在这一阶段，煤系高岭土发生任何反应的速度都比较快，能形成高白度的煅烧产物，但由于煤系高岭土重新转变为晶型结构，使得电阻率降低、吸油量降低、遮盖力降低、硬度增加。

五、煅烧过程中的烧结

高岭土矿物煅烧的主要目的是除杂增白，整个过程煅烧温度均低于高岭土矿物的熔点，属于固相反应，对产品质量影响最大的就是煅烧过程中粉体的烧结程度。

5.1烧结的定义

5.1.1宏观定义

粉体原料经过成型、加热到低于熔点的温度，发生固结、气孔率下降、收缩加大、致密度提高、晶粒增大，变成坚硬的烧结体。

5.1.2微观定义

固态中分子（或原子）间存在相互吸引，通过加热使质点获得足够的能量进行迁移，使粉末体产生颗粒粘结，产生强度并导致致密化和再结晶的过程。

5.2烧结中的传质

煤系高岭土的烧结是典型的固相烧结，固相烧结的主要传质方式有：蒸发——凝聚传质、扩散传质、塑性流变。一般硅酸盐材料的烧结中蒸发凝聚传质并不多见，煅烧高岭土时烧结主要是扩散传质造成的。

在粉体煅烧过程中，扩散传质开始的温度远低于粉体的熔点，表面扩散开始的温度远低于体积扩散开始的温度。由于缺乏相应的实验研究，无法确定高岭土煅烧过程中扩散传质开始的具体温度，但Al2O2的体积扩散约在900℃开始，表面扩散约在330℃开始，高岭土矿物表面扩散开始的温度也不会太