硬质高岭土超细磨矿过程中的流变性-矿业114网 
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硬质高岭土超细磨矿过程中的流变性
2011-08-05
硬质高岭土湿式超细磨矿过程中,固体浓度是影响磨矿效率和矿浆流变性的主要因素。浓度30 %~50 %时,浆体粘度随 浓度增加呈指数规律上升,磨矿效率、屈服值随浓度增大而提高,浆体由假塑性流体过渡为胀流体并具触变性。加入一定量阴离子 分散剂后,浆体粘度显著降低。其机理是由于同号离子的排斥力使高岭石改层面取向排列为端面取向排列。降低粘度对改善浆体 流动性,提高磨矿效率十分必要。
第 22 卷 第 3 期 矿 冶 工 程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol. 22 № 3 September 2002 2002 年 9 月 ① 硬 质 高 岭 土 超 细 磨 矿 过 程 中 的 流 变 性 雷 绍 民 ,龚 文 琪 ( 武 汉 理 工 大 学 资 环 学 院 , 湖 北 武 汉 430070) 摘 要 : 硬 质 高 岭 土 湿 式 超 细 磨 矿 过 程 中 ,固 体 浓 度 是 影 响 磨 矿 效 率 和 矿 浆 流 变 性 的 主 要 因 素 。 浓 度 30 %~ 50 %时 ,浆 体 粘 度 随 浓 度 增 加 呈 指 数 规 律 上 升 ,磨 矿 效 率 、屈 服 值 随 浓 度 增 大 而 提 高 ,浆 体 由 假 塑 性 流 体 过 渡 为 胀 流 体 并 具 触 变 性 。 加 入 一 定 量 阴 离 子 分 散 剂 后 ,浆 体 粘 度 显 著 降 低 。 其 机 理 是 由 于 同 号 离 子 的 排 斥 力 使 高 岭 石 改 层 面 取 向 排 列 为 端 面 取 向 排 列 。 降 低 粘 度 对 改 善 浆 体 流 动 性 ,提 高 磨 矿 效 率 十 分 必 要 。 关 键 词 : 浓 度 ;粘 度 ;流 变 性 ;磨 矿 效 率 ;高 岭 土 Rheological Properties of Kaolin Suspension during Ultrafine Grinding LEI Shao2min ,GONG Wen2qi ( College of Resource Environment , Wuhan University of Techology , Wuhan 430070 , Hubei , China) Abstract :During wet ultrafine grinding , pulp density is the primary factor affecting grinding efficiency and rheological proper2 ties of hard kaolin. At pulp densities of 30 %~ 50 % pulp viscosity rises exponentially with increasing pulp density , and grinding efficiency and yield value increases with pulp density. At the same time the pulp changes from pseudoplastic liquid to dilatant , and has thixotropic properties. However , the pulp density declines markedly by adding some anionic dispersants. This is due to the fact that the repelling force between similiar charges makes kaolin to change from bedding surface orientation to end face orientation. In order to enhance the grinding efficiency , it is necessary to decrease the viscosity and improve the pulp rheological properties. Key words :density ; viscosity ; rheology ; grinding efficiency ; kaolin   磨 矿 中 固 体 浓 度 是 影 响 磨 矿 效 率 和 矿 浆 流 变 性 的 主 要 因 素 。 随 浓 度 的 改 变 ,浆 体 有 不 同 的 流 变 性 质 。 矿 粒 只 有 处 于 适 当 的 流 型 介 质 中 ,才 能 获 得 最 佳 的 磨 矿 效 率 。 本 文 以 湖 北 西 部 地 区 硬 质 高 岭 土 (以 下 简 称 高 岭 土 ) 的 湿 式 超 细 磨 矿 为 研 究 对 象 ,论 述 磨 矿 浓 度 、 粘 度 、流 变 性 与 磨 矿 效 率 ( - 2μ m 新 生 量 ) 的 关 系 并 探 讨 降 低 粘 度 的 方 法 和 机 理 。 1 流 变 学 涉 及 的 问 题 图 1流 体 主 要 流 型 示 意 流 变 学 是 研 究 流 体 在 外 力 作 用 下 流 动 和 形 变 的 科 1] 。 研 究 方 法 之 一 是 通 过 实 验 从 流 体 稀 溶 液 或 浓 悬 [ 1 ) 牛 顿 体 。 其 流 变 曲 线 是 通 过 原 点 的 直 线 即 流 学 体 在 任 意 小 的 外 力 作 用 下 就 能 发 生 流 动 。 可 见 ,牛 顿 浮 体 的 表 观 粘 度 入 手 ,研 究 流 体 中 固 体 浓 度 对 流 动 性 , 分 散 性 的 影 响 及 流 变 规 律 。 如 固 体 粒 子 的 大 小 ,形 状 , 粒 子 与 介 质 间 相 互 作 用 ,固 体 浓 度 对 粘 度 的 影 响 等 等 。 尽 管 流 变 学 研 究 仍 停 留 在 定 性 说 明 阶 段 ,但 对 于 指 导 应 用 是 大 有 益 处 的 。 体 是 稀 分 散 溶 液 。 2 ) 塑 性 体 (Bingham 体 ) 。 其 流 变 曲 线 不 经 过 原 点 ,与 切 变 应 力 轴 τ 点 相 交 。 分 散 体 处 于 相 互 接 触 状 y 态 ,静 止 时 形 成 结 构 ,切 应 力 大 于 屈 服 值 (τ y) 时 体 系 才 流 动 ,切 应 力 取 消 后 又 恢 复 结 构 。 [ 2] 流 体 的 流 变 曲 线 有 以 下 几 种 流 型 ,如 图 1 所 示 。 ① 基 金 项 目 : 湖 北 省 重 点 科 技 攻 关 项 目 资 助 (9429032) 收 稿 日 期 : 2002206208 第 一 作 者 男 副 教 授 5 8 矿 冶 工 程 第 22 卷 3 ) 假 塑 性 体 。 其 流 变 曲 线 过 原 点 ,没 有 屈 服 值 。 流 体 表 观 粘 度 随 搅 动 激 烈 程 度 增 大 而 减 少 。 ) 胀 流 体 。 表 观 粘 度 随 切 速 增 加 而 变 大 。 切 力 不 所 谓 过 渡 是 指 较 低 浓 度 或 相 对 较 粗 的 高 岭 土 在 磨 矿 进 行 一 段 时 间 后 ,正 在 被 解 离 的 颗 粒 因 打 破 了 晶 体 结 构 的 对 称 性 成 为 不 对 称 质 点 。 而 不 对 称 质 点 可 沿 长 轴 方 向 旋 转 成 端 面 取 向 ,使 其 在 浆 体 中 所 占 体 积 减 小 ,粘 度 下 降 ,故 出 现 切 稀 的 状 况 。 高 岭 石 浆 料 成 为 胀 流 体 时 伴 随 着 触 变 性 的 产 生 ,呈 现 极 粘 稠 的 悬 浮 状 。 静 止 时 由 于 沿 层 面 取 向 排 列 形 成 结 构 及 双 电 层 的 影 响 ,浆 体 上 部 显 得 更 稠 。 胀 流 体 的 形 成 不 利 于 高 岭 土 进 一 步 解 离 ,必 然 影 响 磨 矿 效 率 。 由 表 1 可 知 ,在 磨 矿 24 min 后 继 续 再 磨 ,各 粒 级 新 生 量 几 乎 没 有 增 加 。 这 除 了 解 离 程 度 因 素 外 ,与 矿 浆 粘 度 和 胀 流 体 的 形 成 也 是 密 切 相 关 的 。 4 大 或 静 止 时 ,粒 子 处 于 分 散 态 ,粒 子 间 液 体 占 有 的 体 积 减 少 。 切 力 增 大 后 ,颗 粒 被 搅 在 一 起 ,使 空 隙 体 积 增 加 ,流 体 总 体 积 有 所 膨 胀 ,流 动 阻 力 变 大 ,成 为 胀 流 体 。 流 体 的 流 变 特 性 与 固 体 浓 度 、表 观 粘 度 直 接 相 关 。 一 般 而 言 ,浓 度 大 的 流 体 ,在 切 应 力 作 用 下 粘 度 也 大 。 反 之 亦 然 。 但 粘 度 的 大 小 不 仅 仅 取 决 于 浓 度 ,还 与 粒 子 性 质 、大 小 、形 状 、切 应 力 与 作 用 时 间 、溶 剂 化 程 度 、电 性 等 相 关 。 流 变 学 中 ,浓 度 是 指 分 散 相 所 占 的 体 积 分 数 , 粘 度 是 表 征 克 服 流 体 内 摩 擦 力 而 消 耗 能 量 的 速 率 。 2 浓 度 对 磨 矿 效 率 及 流 变 性 的 影 响 表 1不 同 磨 矿 时 间 下 的 各 粒 级 累 计 产 率 磨 矿 时 间 Πmin 试 验 中 高 岭 土 湿 式 磨 矿 采 用 四 段 剥 片 流 程 。 给 料 粒 级 Πμ m 0 8 16 24 32 - 2 μ m 占 74. 3 % , 磨 矿 后 - 2 μ m 占 93. 3 %。 用 + + 0. 0 - 0. 5 0. 5 - 1. 0 45. 6 64. 3 74. 3 90. 1 98. 6 52. 1 75. 5 81. 7 98. 2 99. 9 66. 6 80. 2 88. 8 99. 3 99. 9 71. 5 85. 1 93. 0 99. 9 100. 0 71. 6 85. 4 93. 3 100. 0 100. 0 NSKC - 1粒 度 仪 测 定 粒 度 ,用 转 筒 式 粘 度 计 测 定 粘 度 。 2 . 1 浓 度 对 磨 矿 效 率 的 影 响 + 1. 0 - 2. 0 2. 0 - 5. 0 5. 0 - 10. 0 + 浓 度 是 影 响 高 岭 土 湿 式 超 细 磨 矿 效 率 的 主 要 因 素 + 之 一 。 矿 浆 浓 度 与 磨 矿 效 率 的 关 系 曲 线 见 图 2。 3 影 响 矿 浆 粘 度 的 主 要 因 素 3 . 1 浓 度 对 粘 度 的 影 响 浓 度 对 粘 度 的 影 响 如 图 3 所 示 。 图 2浓 度 与 磨 矿 效 率 关 系 曲 线 浓 度 在 50 %(质 量 分 数 ) 以 内 时 ,磨 矿 效 率 随 浓 度 增 大 而 提 高 , - 2μ m 新 生 量 呈 上 升 趋 势 。 磨 矿 过 程 表 现 为 一 阶 动 力 学 特 征 。 当 浓 度 为 40 %~ 50 %时 ,研 磨 介 质 与 高 岭 土 有 最 大 的 接 触 碰 撞 与 研 磨 机 会 , - 2μ m 累 计 产 率 达 最 大 值 ( > 90 %) 。 浓 度 大 于 50 %时 ,各 粒 级 新 生 量 均 呈 下 降 趋 势 ,粒 度 越 细 ,下 降 趋 势 越 明 显 。 图 3矿 浆 浓 度 与 粘 度 关 系 曲 线 由 图 2、图 3 不 难 看 出 ,浆 体 塑 性 粘 度 随 固 体 体 积 [ 3] 浓 度 呈 指 数 规 律 上 升 ,而 磨 矿 效 率 则 随 之 下 降 。 这 与 Weltman 及 Green 关 于 各 种 颜 料 在 油 类 介 质 中 粘 度 和 屈 服 值 与 浓 度 的 经 验 公 式 所 描 述 的 规 律 基 本 相 符 。 即 : 磨 矿 显 示 出 非 一 阶 动 力 学 特 征 。 此 外 ,浓 度 小 于 3 0 %时 ,各 粒 级 新 生 量 上 升 的 速 率 均 小 于 浓 度 大 于 0 %时 的 情 形 。 综 合 考 虑 产 量 和 磨 矿 效 率 ,高 岭 土 最 3 适 宜 的 磨 矿 浓 度 应 为 40 %~ 45 %。 η 塑 = (η 0 + A) exp (B C) 2 . 2 浓 度 对 矿 浆 流 变 性 影 响 f B = Mexp (N C) 为 屈 服 值 ;A、B、M、N 为 经 验 常 数 ; C 为 粒 子 体 积 浓 度 ;η 为 介 质 粘 度 。 由 试 验 可 知 ,浓 度 大 于 30 %时 ,流 体 为 塑 性 体 且 式 中 f B 屈 服 值 随 浓 度 增 大 而 增 大 。 试 验 中 发 现 浓 度 为 30 % 40 % ,磨 矿 时 间 5~ 8 min 时 ,浆 体 出 现 切 稀 现 象 ,磨 矿 时 间 超 过 8~ 10 min 时 才 呈 切 稠 状 态 。 对 浓 度 为 0 %~ 50 %的 浆 体 ,流 变 性 存 在 假 塑 性 体 向 胀 流 体 过 渡 的 转 变 过 程 ,而 浓 度 大 于 40 %时 切 稀 现 象 不 明 显 。 ~ 0 3. 2 细 度 、形 状 对 粘 度 的 影 响 3 湿 式 磨 矿 (剥 片 ) 10~ 20 min 时 ,细 粒 增 加 的 速 度 最 快 ,即 磨 矿 效 率 最 高 。 对 应 的 粘 度 也 呈 指 数 规 律 上 第 3 期 雷 绍 民 等 :硬 质 高 岭 土 超 细 磨 矿 过 程 中 的 流 变 性 59 升 。 如 浓 度 不 变 ,粒 度 越 小 ,粘 度 越 大 。 磨 矿 时 间 与 细 度 关 系 见 表 1 ,磨 矿 时 间 与 粘 度 关 系 见 图 4。 由 表 1、图 粘 度 下 降 。 可 见 ,同 号 离 子 排 斥 力 ,改 变 片 状 高 岭 石 排 列 取 向 的 作 用 与 反 号 离 子 使 分 子 卷 曲 而 降 低 粘 度 的 效 应 是 相 同 的 。 阴 离 子 分 散 剂 改 变 高 岭 石 排 列 取 向 规 律 如 图 5 所 示 。 研 究 发 现 ,高 岭 土 浓 度 大 于 40 %以 后 , 随 解 离 愈 完 全 ,粒 度 愈 细 时 ,粘 度 上 升 速 率 愈 大 。 加 入 一 定 量 分 散 剂 ,可 使 浆 体 粘 度 小 于 180 cp ,否 则 浆 体 粘 度 急 剧 上 升 ,磨 矿 效 率 下 降 甚 至 不 能 正 常 生 产 。 4 可 知 ,各 粒 级 新 生 量 随 磨 矿 时 间 呈 上 升 趋 势 。 粒 度 越 细 ,上 升 幅 度 越 大 ,与 之 对 应 的 粘 度 呈 指 数 规 律 上 升 。 磨 矿 24 min 后 ,磨 矿 效 率 显 著 下 降 ,但 粘 度 却 呈 上 升 趋 势 ,浆 体 的 胀 流 性 质 愈 来 愈 突 出 。 究 其 原 因 可 能 是 由 于 解 离 愈 完 全 ,大 粒 子 及 不 规 则 形 状 高 岭 石 粒 子 渐 少 ,假 六 角 片 状 或 近 似 圆 形 状 的 粒 子 愈 多 并 逐 步 恢 复 对 称 性 粒 子 的 特 性 。 片 状 对 称 性 粒 子 沿 层 面 取 向 排 列 而 形 成 结 构 是 导 致 粘 度 上 升 的 内 在 原 因 。 此 外 细 粒 高 岭 土 遇 水 微 膨 胀 的 特 性 ,也 是 增 加 浆 体 粘 度 的 原 因 之 一 。 图 5表 面 活 性 剂 改 变 高 岭 土 排 列 取 向 示 意 4 结 论 1 ) 高 岭 土 湿 式 超 细 磨 矿 过 程 中 ,固 体 浓 度 是 影 响 磨 矿 效 率 和 矿 浆 流 变 性 的 主 要 因 素 。 浓 度 小 于 20 % 时 ,浆 体 为 假 塑 性 体 ;浓 度 为 30 %~ 50 %时 ,磨 矿 效 率 随 浓 度 增 大 而 提 高 ;粘 度 和 屈 服 力 均 呈 指 数 规 律 上 升 , 浆 体 由 假 塑 性 体 过 渡 为 胀 流 体 并 具 触 变 性 ;浓 度 大 于 图 4磨 矿 时 间 与 粘 度 关 系 曲 线 5 0 %时 ,磨 矿 效 率 呈 下 降 趋 势 。 高 岭 土 最 适 宜 的 磨 矿 浓 度 应 为 40 %~ 45 %且 必 须 加 入 一 定 量 分 散 剂 。 ) 浆 体 粘 度 与 浓 度 、细 度 、磨 矿 时 间 及 电 性 能 相 3 . 3 电 性 对 粘 度 的 影 响 高 岭 石 为 1∶1 型 层 状 结 构 ,沿 层 间 解 离 后 产 生 两 [ 4] 2 个 性 质 不 同 的 表 面 即 层 面 和 端 面 4 来 源 于 类 质 同 象 取 代 即 Si 被 Al 、Fe 取 代 ,Al 被 。 高 岭 石 层 面 电 荷 3 + + 3 + 3 + 关 。 磨 矿 时 间 越 长 ,粒 度 越 细 ,浆 体 粘 度 越 大 ,磨 矿 效 率 随 之 下 降 。 加 入 一 定 量 阴 离 子 分 散 剂 ,可 以 显 著 降 低 浆 体 粘 度 ,其 机 理 可 能 是 由 于 同 号 离 子 排 斥 力 使 片 状 高 岭 石 发 生 排 列 取 向 的 改 变 ,由 层 面 取 向 排 列 变 为 端 面 取 向 排 列 。 降 低 浆 体 粘 度 ,对 改 善 流 动 性 和 分 散 性 、提 高 磨 矿 效 率 是 十 分 必 要 的 。 2 + 2 + 2 + 2 + Mg 、Fe 、Ti 、Ca 等 金 属 离 子 置 换 ,使 层 面 电 荷 失 去 平 衡 ,带 恒 定 负 电 。 有 晶 格 缺 陷 时 也 可 使 层 面 荷 电 。 高 岭 石 端 面 荷 少 量 正 电 荷 。 解 离 后 暴 露 出 的 金 属 阳 离 子 多 见 于 端 面 。 阳 离 子 在 水 介 质 中 可 水 化 溶 解 ,水 解 了 的 阳 离 子 不 易 被 高 岭 石 表 面 吸 附 并 留 在 水 溶 液 中 形 [ 5] 成 扩 散 的 双 电 层 。 双 电 层 使 高 岭 石 质 点 有 效 体 积 增 大 ,因 而 粘 度 变 大 。 参 考 文 献 生 产 中 ,磨 矿 往 往 是 在 高 浓 度 下 进 行 的 。 为 了 维 护 正 常 生 产 加 入 一 定 量 的 阴 离 子 分 散 剂 (如 0. 1 %~ [1] 陈 宗 淇 ,等 . 胶 体 化 学 . 北 京 :高 等 教 育 出 版 社 ,1984 [ [ 2]   周 祖 康 ,等 . 胶 体 化 学 基 础 . 北 京 :北 京 大 学 出 版 社 ,1987 3]   雷 绍 民 . 硬 质 高 岭 土 湿 式 超 细 新 工 艺 及 磨 矿 动 力 学 特 征 . 非 金 属 0 . 5 %六 偏 磷 酸 钠 等 ) ,用 以 降 低 浆 体 粘 度 ,改 善 流 变 矿 ,1999(5) :32~ 37 性 。 其 机 理 是 与 高 岭 石 层 面 同 号 的 分 散 剂 离 子 在 高 岭 石 表 面 产 生 特 性 吸 附 并 产 生 排 斥 力 作 用 于 高 岭 石 表 面 。 改 变 了 层 面 取 向 排 列 规 律 ,成 为 端 面 取 向 排 列 ,使 高 岭 石 所 占 体 积 相 对 减 少 ,粒 间 液 层 润 滑 力 增 强 ,浆 体 [ 4]   印 万 忠 ,等 . 一 水 硬 铝 石 和 高 岭 石 可 浮 性 的 晶 体 化 学 分 析 . 金 属 矿 山 ,2001(6) :29~ 33 [5] 雷 绍 民 . 超 微 粒 高 岭 土 浆 料 特 性 及 固 液 分 离 . 非 金 属 矿 ,1999(4) : 29~ 31
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