分级-分选技术在高岭土提纯中的应用分析
孙小朋何帅杰轩云辉
( 中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京100083)
摘要：分别归纳了几种高岭土分级方法，并对不同磁选除铁工艺进行综述。通过对不同分级-分选工艺处理结果的对比分析，对高岭土提纯的研究发展方向提出了几点建议。
关键词：高岭土提纯；分级；磁选
Application of grading - sorting technique in Kaolin
purification
Sun Xiaopeng He Shuaijie Xuan Y unhui
（School of Chemical & Enviromental Engineering,China University of Mining &
Technology,Beijing 100083,China）
Abstract: Several Kaolin grading methods were summarized, and the different magnetic separation and iron removal processes were reviewed. Based on the comparative analysis of different grading and sorting process, some suggestions are put forward for the research of kaolin purification.
Key words：Kaolin purification; Classify; Magnetic separation
高岭土作为一种优质粘土矿物，可广泛应用于生产造纸、制造水玻璃、白碳黑、耐火材料、合成4A分子筛等。自然界高岭土分布广泛，但只有一小部分高岭土资源具有高质量的经济价值。而这部分高岭土通常会有0.5％~3％的含铁矿物，致使高岭土的白度和制品的许多性能受到影响[1]。因此，寻求有效简便、成本相对低廉的高岭土除铁增白工艺成为一个研究热点。
“分级-分选”工艺是高岭土处理过程中最核心的部分。目前，高岭土分级过程中常用的设备有搅拌磨机、球磨机、高效磨剥机、水力旋流器、螺旋分级机、筛分机等。在分选过程中，磁选作为一种成熟的非金属矿物除铁技术现已在高岭土行业广泛使用，主要有强磁选法、高梯度磁选法以及超导磁分离技术。然而，针对这些常规分级、分选技术，并没有明确的粒级范围可将之相互联系，致使在分选过程中磁选设备不能得到合适粒度的入料，增加了分选设备的负担，降低了分选效率。例如小直径水力旋流器组溢流-2μm粒度产品含量达92.3%，而RGC 型永磁辊式强磁选机入选粒度通常大于0.1mm，若采用该分级-分选工艺则不能达到相应的除铁增白效果[2-3]。基于此，笔者分别归纳了几种高岭土分级方法，并对不同磁选除铁工艺进行综述,希望对高岭土分级-分选提纯工艺的设计有所启发。
1高岭土分级
高岭土的分级过程是高岭土生产中的提质细化过程，为高岭土后续进行磁化
除铁增白从而得到高品质高岭土产品准备了条件。可见，分级过程也是高岭土生产中重要的一环，很大程度上决定了高岭土最终产品各项指标能否满足要求。因此，为探究最有效的分级工艺和寻找分级—分选最高效的结合方式，笔者对目前运用比较广泛的、以及特点显著的几种分级方法进行了归纳论述。
1.1 -2μｍ粒级产品分级工艺
-2μm的质量百分比含量是高档造纸高岭土最重要的技术指标之一。为了提高高岭土的-2μm的质量百分比含量，管俊芳等[2]通过搅拌磨对高岭土进行分级细化，足以使得-2μm产品粒度大于90%，然后通过磁选→煅烧分选工艺，最终使得高岭土的白度由69.40% 提高到92.61%，全Fe 含量由0.71% 下降到0.29%，除铁率达59.15%，达到各工业优级煅烧高岭土的白度标准。李航等[4]则是对Φ10 mm水力旋流器组的参数进行了优化：使进浆浓度为9.0％～11.0％、进浆压力为7.0～7.5kg／cm2、溢流压力为0.60～0.80kg／cm2、底流压力为1.0 kg ／cm2。而陈兴元等[5]为此研究了新型螺旋突台顶盖式小型水力旋流器，这种新型水力旋流器—螺旋突台顶盖式小型水力旋流器，是在目前中国高岭土公司大生产中采用的底流口径为1.9mm的中Φ10mm水力旋流器的基础上改进而成，即在普通旋流器的顶盖内表面圆环形平面上设置了螺旋突台，改进后有效解决了现有普通旋流器在顶盖内表面圆环形平面上因没有设置螺旋突台而存在的平面交叉流动这一弊端，提高了分级效率, 能够将溢流产品中-2μm含量提高到92％以上，最高达94.62％，有害杂质含量也得到了较好的控制。螺旋突台顶盖式小型水力旋流器结构，见图1。
图1 螺旋突台顶盖式小型水力旋流器结构示意图
Fig.1 Schematic diagram of the structure of a small-sized hydrocyclone with helical cap roof 许杰林等[6]发明了一种超细高岭土的分级方法，该分级方法包括如下步骤：（1）采用水力机械法开采高岭土矿，经两级螺旋分级机和三级水利旋流器除杂可得到-2μm的含量为65%～78%的高岭土矿浆；（2）将（1）得到的矿浆脱水缩水，使其质量百分比浓度为12%～35%，加入烧碱，调节pH值为4.5～7.5；加入分散剂调节高岭土的粘度至小于100mPa·s；（3）将步骤（2）得到的矿浆用卧螺机分级，得到-2μm的含量为93%～99.9%的卧螺机溢流高岭土矿浆。用此方法对高岭土分级，具有工艺简单、成本低、产品质量稳定的优点，能满足高档造纸涂布高岭土的需要。
1.2 -10μｍ粒级产品分级工艺
黄波[7]提出利用GXMB-500 型高效磨剥机生产超细高岭土，XMB-500型高效磨剥机是金属矿粉体湿法超细的专用设备。它采用两段串联生产高岭土，生产流程为：-325目原料→调浆→贮浆池→一段磨剥→冷却槽→二段磨剥→超细高岭土矿浆，产品-2μm含量可达70%-75%，最大粒度小于10μm，能达到高档日用陶瓷和高档建筑陶瓷对高岭土细度的要求。
李名凤等[8]采用φ75 mm水力旋流器对经捣浆和螺旋分级后的-2.0mm粗选，溢流采用φ50 mm水力旋流器1次精选，精选溢流再采用φ25 mm水力旋流器2次精选，见图2。
图2 水力旋流器分级流程
Fig. 2 Hydrocyclone classification process
经对旋流器进行如下参数优化后：φ75mm水力旋流器的较佳工作参数为：进浆质量分数27％，进浆压力0.20MPa，底流口直径5.0 mm；φ50mm水力旋流器的较佳工作参数为：进浆压力0.30 MPa，底流口直径4.0 mm；φ25mm水力旋流器的较佳工作参数为：进浆压力0.35MPa，底流口直径3.0mm。得到了如下分级指标，见表1：
表1水力旋流器分级指标
Table 1 Hydrocyclone grading index
产品名称-2μm含
量/% 自然白
度/%
1280℃烧成
白度/%
含量/%
SiO2Al2O3Fe2O3TiO2
进浆46.35 78.26 —47.10 35.48 1.02 0.49 分级精矿77.04 79.72 83.22 45.73 36.86 1.06 0.55
由表发现高岭土得到富集的同时，其杂质成分所占含量也有所增加，需进一步磁选除杂。李彩霞等[9]增加了Φ10 mm旋流器串联进行精选，得到Φ10mm旋流器溢流产品进行1段磁选，白度可达91.18%、91.45%，除铁率75.34%、79.17%。
张明星等[10]研究采用绵阳流能粉体设备有限公司的LNI一330A型机械动能
磨（如图3）对高岭土进行超细粉碎，该工艺避免了高岭土在传统的湿法和普通机械磨超细粉碎过程中引入大量其他杂质，保证了高岭土的纯度；并解决了传统工艺生产时的颗粒团聚和铁杂质增量较大等问题。确定了系统的最佳工艺参数：分级机转速为1 087r／min，粉碎主机转速为120 m／s，系统风量为5400m3／h、二次风量为465 m3／h、主气流流量为3523 m3／h。在此参数下加工的高岭土微粉3.781μm，小于4μm，足以满足塑料和橡胶用料，产量可达397 kg／h。
图3 机械动能磨磨矿系统配置
Fig. 3 Mechanical kinetic energy grinding mill system configuration
1.3 -30μｍ粒级产品分级工艺
刘东峰[11]在对大埔洋子湖矿山弱风化高岭土矿的选矿工艺研究中先用捣浆机-螺旋分级机机组粗选，再利用φ75-φ50mm水力旋流器联合精选，如图4，通过对矿样化学成分的分析，Al2O3含量有较大程度的提高，说明了高岭土向细粒级富集显著，但同时Fe2O3含量也有较大程度提高，导致精矿白度偏低，并且得到的最终溢流产品中-2μm、-5μm粒级分别为24.13%、52.89%，之后在磁选除铁增白，再经漂白后，白度提高至77.38%，提高了26.08%。
图4 -30μｍ粒级产品分级工艺流程图
Fig.4 -30μm grain grade product classification process flow chart
曹健等[12]人则采用捣浆-筛分-棒磨-筛分-旋流器分级-高梯度磁选联合流程工艺对高岭土进行分级除铁增白，如图5，其中水力旋流器分级采用一段粗选二段精选。首先用0.5mm孔径标准筛出去粗粒级石英砂，-0.5mm矿浆进入旋流器分级，用φ75mm进行粗选，然后溢流给入φ50mm第一次精选，然后精选溢流再给入φ25mm进行第二次精选，即“一粗二精”分级工艺，经分级后，高岭土精泥中Fe2O3提高了9.17%，-2μm颗粒为26.37%，-30μm达100%，最后经磁选处理后，产品白度提高了24.25%，Fe2O3去除了40%。
图5 最终选矿工艺流程图
Fig.5 The final beneficiation process flow chart
1.4 -45μｍ粒级产品分级工艺
邓强等[13]用0.045mm 筛子对捣浆所得矿浆进行筛分，分别获得产率为54.69%、45.31%的筛上物和筛下物，然后采用筛上物再磨强磁选—筛下物强磁选漂白工艺，如图6。
图6 高岭土选矿提纯最终工艺试验流程图
Fig.6 Flow chart of final process test of kaolin beneficiation purification
可获得两种高岭土精矿产品，产率分别为53.88%、43.41%，2种高岭土精矿产品性能指标分析如下，见表2：
表2精矿产品指标
Table 2 Concentrate Product Indicators
产品名称Al2O3/% Fe2O3/%TiO2/%SO3/%1280℃烧成
白度/%
产品粒级
高岭土精矿1 高岭土精矿2 38.08
37.68
0.21
0.41
0.10
0.11
0.16
0.35
90.2
88.6
TC-0
TC-2
除铁率分别为77.89%、63.72%，分别可作为TC-0 陶瓷工业用优级高岭土和TC-2 陶瓷工业用二级高岭土。
1.5 -1.2ｍｍ粒级产品分级工艺
仝元东等[14]发现湿法球磨（-1.2mm）的参数选择是否恰当对磁选选别效率及精矿产率有着直接的影响，为此需对球磨工艺参数进行优化。在湿法球磨浆料体系中，助磨剂为0.2%六偏磷酸钠和0.2%无水碳酸钠，研究了矿浆体系的不同PH值及不同球磨时间对磁选精矿产率的影响，结果表明，当内部矿浆 pH 值调整为9，磨矿时间为 30min时，其产率可达84.4%，除铁率可达64.13%，煅烧百度为87.4%。
2高岭土的分选
高岭土中主要污染含铁矿物有有铁氧化物、菱铁矿、黄铁矿、金红石、云母和电气石等。由于这些含铁矿物都具弱磁性，且粒度细、含量少，所以常规磁选难以达到较好的除铁效果[15]。故对高岭土磁选除铁工艺的进一步研究和高效磁选设备的研制，值得重视。笔者按照磁选机入料粒级粗细总结了高岭土行业常用的几种磁选设备，以期增强分级与分选在粒级上的联系，完善高岭土“分级-分选”工艺。
2.1粗粒高岭土分选
通常使用干式强磁选方法处理较粗粒度的高岭土。常用的干式强磁选设备有电磁感应辊式强磁选机和永磁辊式强磁选机。
2.1.1电磁感应辊式强磁选除铁
电磁感应辊强磁选机具有较高的磁场强度和分选精度，主要用于高岭土、长石、石英等非金属矿物的除铁提纯及弱磁性矿物的回收。北京矿冶研究总院研制的GCG型电磁感应辊强磁选机是一种干式高精度强磁选设备，可对-2 mm粒级较粗高岭土进行有效的分选[16]。冉红想,魏红港等人研制了一种双通道电磁感应辊强磁选机。该机采用双通道给矿方式,每个通道的上下2个感应辊矿物可使矿
物进行两次连续分选。该磁选机磁感应强度可以连续调节,最高可达2T以上。实验证明，该感应辊强磁选机对于高岭土等非金属矿物的除铁提纯有着显著的效果,可使含铁量大幅降低[17]。
2.1.2永磁辊式强磁选除铁
赵瑞敏等研制了RGC型永磁辊式强磁选机，后续实验该磁选机对通过对较粗颗粒高岭土除铁能达到较好的效果，对32~20目除铁率可达48.92%[18]。常用RGC系列辊式磁选机给料粒度如表3。
表3 常用RGC系列辊式强磁选机给料粒度
Table 3 commonly used RGC series of roller magnetic separator feeding particle size
型号给料粒度/mm
2-RGC120×1000 0.1~6
2-RGC150×1000 0.1~10
2-RGC200×1000 0.1~15
2-RGC300×1000 0.1~20
2-RGC120×1000 0.1~6 RGC型永磁辊式强磁选机除铁实验结果如表4所示。
表 4 RGC型永磁辊式强磁选机对高岭土除铁实验结果
Table 4 RGC type permanent magnet roller magnetic separator for kaolin iron removal test results
粒度/目
Fe2O3含量/%
除铁量/% 除铁率/% 产率/t/h 原矿精矿
32~20 1.39 20~10 0.76 0.71 0.68
0.43 0.33
48.92
43.30
1.36
2.53
2.2细粒高岭土分选
2.2.1高梯度磁选除铁
高梯度磁选机是在强磁选机的基础上发展起来的，它具有均匀的背景磁场，磁介质呈细丝状。磁场梯度比普通强磁选设备要高1~2个数量级，达到了105T/m，可使粒度下限下降到1μm。高梯度磁选技术在高岭土行业得到了成功的应用。在国内，熊大和[19]利用SLon-100周期式脉动高梯度磁选机对-100目的淮北煤系高岭土进行磁选，可使精矿含铁量（以Fe2O3计）由1.76%降至0.43%，除铁率达81.43%。相关方面，熊大和随后也作了进一步的研究[20-21]。李小静等[22]人利用CRlMM型双箱往复式永磁高梯度磁选机对广州砂质高岭土进行磁选分离，Fe2O3含量降至0.35%，除铁率达60.86%。曹健等[12]人利用长沙矿冶研究院生产的CRlMMф200-400-2.0T型高梯度磁分离设备对-30μm海南某砂质高岭土进行高梯度磁选试验。高岭土白度由磁选前的65.6%升至74.8%，铁含量由 1.33%降为0.72%，除铁率达45.9%。