1、铸造用膨润土加工条件试验分析师 连 波建平华特北方化工有限公司 辽宁建平沙海 122431摘要：以建平地区膨润土为原料，生产加工铸造用人工钠化改性膨润土。探讨了原料因素，钠化改性剂的加量与加入方法，改性过程中的加水量，陈化温度与陈化时间，对辊挤压间隙与挤压次数，挤压对辊半径大水，转速等各种因素对钠化效果的影响。确立本地区膨润土钠化的一些条件，供生产企业参考。关键词:膨润土,铸造湿态钠化,钠化因素与钠化条件.中国膨润土之乡-辽宁建平沙海. 以她千百万年来孕育了优质的膨润土资源，而闻名于神州华夏，吸引着海内外知名企业纷纷落户这里投资建厂。良好的资源优势与先进的加工技术相结合打造了一系列优质的膨润土
2、产品,广泛应用于冶金球团, 铸造型砂,石油钻井,有机涂料,油脂脱色,环保工程等诸多领域，但是这些膨润土的基础加工：钙基膨润土的钠化改性. 往往是生产其它许多高端产品的最基本加工过程，而这一生产过程膨润土的改性条件控制十分重要.并且为后续产品加工起着重要的作用 .,本文就钠化过程中的原料选取，钠化改性剂的选择，改性方法的使用等诸多因素分别做了试验, 分析了各种条件对钠化效果的影响。供膨润土加工企业参考.一 膨润土钠化原理膨润土是有两层硅氧四面体中间夹一层铝氧八面体构成的 2：1 层型结构。硅氧四面体结构中的 Si4+常被二价的 Fe2+和 Mg2+置换，造成蒙脱石晶体结构中产生一种正电荷的亏损，
3、这种亏损是通过吸附层间的因太大而不能在晶体中容纳的阳离子来得到补偿的。蒙脱石的这种永久性的负电荷，是膨润土多种用途的重要基础。膨润土钠化处理是在一定条件下，通过加入改型剂及一定的加工处理，使钙基膨润土转变为钠基膨润土的加工过程。不同交换阳离子可使蒙脱石具有不同的水化性质。一般具有一价交换阳离子比具有二价或三价阳离子的水化性能好，因此蒙脱石钠化处理可以改善膨润土的物化性能和工艺性能。二钠化方法膨润土钠化程度的好与坏，取决于钠化的使用方法，现阶段干法生产的钠化膨润土还不具备在铸造湿型砂中使用的条件，还有待于进一步提高。湿法生产较为适用，湿法钠化以挤压法与场堆法相结合是当前采生产铸造土采用最多的方法
4、。是在加入改型剂的同时，施加一定的压力，使蒙脱石粘粒分开，加速 Na+交换 Ca2+的过程。同时，在挤压过程中可使一部分机械能转化为热能，提高反应温度。在挤压作用下，晶层之间、粘粒之间产生相对运动而发生分离，这也增加了 Na+离子的接触面积，有利于钠化进行。并且挤压也使蒙脱石晶体产生断键，利于吸附具有相反电荷的 Na+，利于蒙脱石水化，再加上一定的时间陈化，更有利于改善其水化性能。这种方法是自 80 年代以来国内最常用的钠化改型方法，用此法使钙基土及低级钠基土升级改善已取得了好的效果。三.钠化条件试验膨润土在钠化的过程中.主要是改善了膨润土的水化性能,如胶质价,膨润值,膨胀容,膨胀倍等.因为我
5、们的主要产品为铸造用钠化膨润土,所以,在下面的试验中,取膨润值为检验指标.不同产地的钙基膨润土及其钠化改型后的物理化学性能有差异。影响蒙脱石物理化学性能的主要因素有蒙脱石含量和种类。一般来说，蒙脱石含量高，物化性能好，钠化效果也好.反之则差。1 加碱量的确定:钙基膨润土钠化改型质量的优劣，改型剂选择十分重要。在选择改型剂时要考虑以下因素：改型剂钠化的彻底性，改型剂价格的高低，改型剂使用过程中有无负面影响。目前，用于批量生产钠化土的改性剂主要是碳酸钠。一般来说，膨润土改型剂投入量大，其改型效果好，但成本高；除此之外，当 Na+达到一定浓度时，Na+与 Ca2+交换反应达到平衡状态，假如此时继续加
6、入 Na+，由于 Na+电离率大，电动电位高，活动性强，使原来己达到平衡的 Na+与 Ca2+交换状态受到破坏，过多的 Na+反而使改型的钠基膨润土质量下降。改型剂添加量要据生产要求来定，也要根据膨润土的产地和蒙脱石的含量不同而异。本试验选取当地具有一定代表性的膨润土为试验样.试验数据如下表:Na2CO3 2:100 3:100 4:100 5:100膨润值 ml/3g 80 99 100 98注：试验条件：水含量 30%，陈化时间 7 天，对辊挤压机间距 2mm。 从表中可见，碱量对钠化效果影响很大，过低的碱加入量使膨润值较低，过大效果也不好。对于该矿的情况，适宜的量应在 34% 。 2 对
7、辊挤压机间距的确定:挤压法是在加入改型剂的同时，施加一定的压力，使蒙脱石粘粒分开，加速 Na+交换Ca2+的过程。同时，在挤压过程中可使一部分机械能转化为热能，提高反应温度。挤压作用也增加了 Na+离子的接触面积，有利于钠化进行。并且挤压也使蒙脱石晶体产生断键，利于吸附具有相反电荷的 Na+，利于蒙脱石水化，再加是一定时间的场堆陈化,极大的改善了膨润土的水化性能.挤压法的挤压力的大小,对钠化效果影响是首要的,所以对辊的间隙必需要有一个合适的尺寸,以便即高效又节能.选用试验室小型对辊挤压机，每种土挤压两次，试验结果如下：对轮挤压间距 1mm 2mm 3mm 4mm膨润值 ml/3g 100 10
8、0 98 95注：试验条件：水含量 30%，陈化时间 7 天，Na2CO3 加入量 4%。 从表可见，挤压间距越小，钠化效果越好。对于实际生产来讲，一般采用两三道对辊挤压，最终对辊间距为 2mm 较适宜。为了保证对辊的安全，前几道间距应增大。 3 加水量的确定 膨润土的钠化改期性,钙钠离子的交换有一个必不可少的条件, 就是必需在有水的份围下进行.而水分的多少对钠化的速度取决定的因素 .加水少达不到离子交换的基本环境 ,加水多,在挤压时,使挤压力下降,不利于钠化效果的增长. 通过实验室试验数据如下:加水量 % 25 30 35 40膨润值 ml/3g 80 98 100 95注：试验条件：对辊挤
9、压机间距 2mm，陈化时间 7 天，Na2CO3 加入量 4%。从表可以看出，膨润土总水量在 30%较合适，过低不利于离子交换，过高会使反应温度降低，碱水流失，也不利于晾晒或烘干。 4 陈化时间的确定每种方法都有一个最佳陈化时间，而不是钠化时间越长越好。那是因为钠化反应达到平衡后，若再延长时间，离子交换平衡受到破坏，钠化效果反而降低，不利于反应。陈化天数 3 5 7 15膨润值 ml/3g 94 97 100 99注：试验条件：对辊挤压机间距 2mm，Na2CO3 加入量 4%，水含量 30%。 从表中可以看到，随着陈化时间的延长，膨润值增加，离子交换更彻底，钠化更充分，反应平衡的时间在 7
10、天左右。 5 陈化温度的确定根据化学反应动力学原理，一般是温度升高，反应速度加快。提高钠化温度，加快离子运动的速度，扩大离子运动的范围，使钠化反应的速度提高。但温度过高，增加了水分蒸发，影响钠化效果。陈化温度 10 15 20 25膨润值 ml/3g 92 98 100 100注：试验条件：对辊挤压机间距 2mm，Na2CO3 加入量 4%，水含量 30%。 从表中可以看出陈化温度越高越有利于钠化效果的增长,但以自然温度陈化,更有利于降低成本,所以选取大于 15 度的气温就可以生产出合格的产品.6 挤压次数的确定挤压次数的增加,有利于晶层之间、粘粒之间产生相对运动而发生分离，这也增加了Na+离
11、子的接触面积，有利于钠化进行。并且挤压资数的增多也使蒙脱石晶体产生更多的断键，更利于吸附具有相反电荷的 Na+，利于蒙脱石水化。但是，过多的挤压需要消耗大量的电能，使产品成本居高不下。所以要选取合理的挤压次数。试验数据见下表：挤压次数 1 2 3 4膨润值 ml/3g 85 98 100 100注：试验条件：对辊挤压机间距 2mm，Na2CO3 加入量 4%，水含量 30%。从上表可以看出:挤压两次,就达到铸造用膨润土的标准, 从降低生产成本考虑, 以两次为生产挤压次数.7 碱的不同加入方法对钠化效果的影响我们以先加碱,后加水, 与将碱先溶化成碱溶液再加到试验样上后分别再搅拌,挤压等方法进行钠
12、化比较, 试验数据如下 :名称 1 号样 2 号样 3 号样直接加碱法:膨润值 ml/g 38 44 46加碱溶液法:膨润值 ml/g 42 52 51注：试验条件：除加碱方法不同外，其它相同从上面的 3 个试验样,可以看出以同样的钠化生产设备与同样的工序 ,直接加碱法没有加碱溶液法的钠化效果好.而现阶段大部分企业所用的方法都是前一种,在干加碱效果不佳的情况下,有必要选择加碱溶液的方法,来提高产品人品位.8 膨润土原矿与风化后的膨润土分别进行钠化的不同效果。名称 1A 号样 2A 号样 3A 号样原矿钠化:膨润值:ml/g 37 32 45风化后钠化:膨润值:ml/g 39 33 49注：试验
13、条件：对辊挤压机间距 2mm，Na2CO3 加入量 4%，水含量 30%。从表中可看出：膨润土风化后进行钠化效果优于原矿钠化。膨润土风化后的钠化效果各种膨润土因其属性，属型及组份的不同，所起的钠化作用效果也不尽相同。要根据风化后的钠化效果好的矿种进行晾晒风化，以便使相同的原料，钠化后达到最好的改性效果。9膨润土钠化改性原料中水份对风钠化效的影响膨润土原土水份 12% 15% 20% 24%钠化效果：膨润值：ml/g 45 42 40 32注：试验条件：对辊挤压机间距 2mm，Na2CO3 加入量 4%，水含总体控制到 30%。从上表中可以看出原料水分含量越低,其钠化的效果越好.10.钠化对辊的
14、各种条件对钠化效果的影响.试验钠化改性膨润土原料:吸蓝量:A 样为 35g/100g.B 样为 30g/100g。水份 14%。改性剂为碳酸钠。加水量为膨润土干基的 25%。首先膨润土料与碱混均，加水后搅拌均匀，陈化 24 小时。搅动风干水份到 27%，挤压（对辊间隙为 3mm）后进行下面的各项试验分析。试验项目 相同转速不同半径 相同对辊半径不同转速 相同对辊半径等差速试验条件 20cm 60cm 60 转/min 15 转/min 等速 差速A 样 70ml/2g 73ml/2g 76ml/2g 77ml/2g 76ml/2g 77.5ml/2g膨润值 B 样 59ml/2g 61ml/2
15、g 60ml/2g 61.5ml/2g 60ml/2g 61ml/2g(1) 对辊半径不同的试验:取对辊转速为 45 转每分钟.通过调速电机来实现不同半径对辊的相同转速.通过试验可知,相同转速, 对辊半径大的钠化效果优于半径小的,但这里应当考虑不同半径对辊的用电功耗的问题,在生产中要根据电能消耗与产品指标综合来确定对辊的半径大小尺寸.(2) 对辊半径相同,不同转速试验:对辊直径为 60cm通过调速电机来实现对辊的不同转速.麻试验可知:低转速的对辊其钠化效果好于高转速的.这主要源于低转速对辊在挤压时,对物料的作用时间相对廷长,形成断键增多, 更好的吸附钠离子.故钠化效相对变好.根据当地的几家企业
16、生产证明,只有合理的对辊半径条件下, 选取 2015 转/ 分钟时效果较好.当低于此数值时, 生产效率大为降低.造成生产成本加大.(3) 对辊半径相同,两个挤压辊转速不同与相同的试验:通过调整调速电机来实现挤压辊的不同转速.试验可知:在选择合适的对辊半径合适的转速后,等速的不如差速的效果好,但相差的不是很大,这就要根据钠化产品的需要来选择等到速还是差速.如生产钠化粉体产品.采用差速较好,如生产钠化膨润土防水颗粒, 就应当采用等速对辊钠化.因差速对形成挤压颗粒有一定的破坏作用.四.结语通过上面的几项试验,我们不难看出:以建平地区膨润土为试验样,钠化试验的结果为:钠化改性剂碳酸钠的加量为总量的 3
17、4%,挤压对辊间距 22.5mm.,钠化加水量为总量的 30%,陈化时间以一个星期较为理想, 陈化温度以大于 15 度为最佳的陈化温度.挤压次数以 2-3 次为宜 ,碱的加入方式以碱溶液方法加入最为理想 ,但在指标要求不是很高的情况下,为节约成本也可使用干式加碱法, 但这两种方法都必需经过充分的搅拌.混均匀.对于使用的膨润土原矿还是风化土,以及对原料中的水份控制,与对辊的各种条件使用,要根据生产产品的不同,而合理的选取不同的方法与条件。希望使用者,在生产过程中,要进行试验后再进行大规模使用。本试验包含的的范围较广，有的试验为有关企业帮助试验所提供,在此对为试验提供帮助的企业和同仁深表谢意。参考资料：（1） 王银来：铸造用优质膨润土生产工艺。 （J）铸造工业，2006， （2）28-30。（2） 赵 兵：钠基膨润土制备。 （J）分子科学学报，2002，18 （1 ）：60 62。（3） 姜桂兰，张培萍：膨润土加工与应用， （M）北京：化学工业出版社，2005，246。（4） 张秀英：膨润土钠化研究， （J）非金属矿：2005，28（2）34-35。（5） 杨性坤，杨莹琴，周涛：膨润土改性新进展。 （J）信阳师范学院学报， （自然科学版）2004，17（4）491-494
