Исследование по степени талька и абразионной стоимости: минеральная структура определяет абразионную производительность

Порошок талька является основным функциональным наполнителем в бумажной промышленности, широко применяется в культурной, упаковочной и специальной бумаге и обычно составляет от 10% до 30% сухого веса бумаги. Поскольку рабочая скорость современных бумагоделательных машин превышает 1500 метров в минуту, а оборудование для производства бумаги становится все более сложным, абразивные характеристики наполнителей стали критическим фактором, влияющим на стабильность работы бумагоделательных машин, срок службы оборудования и производственные затраты.

Тальковая руда представляет собой сложное месторождение полезных ископаемых, связанное с множеством минералов, причем чистый тальк встречается крайне редко, а его основной связанной примесью является магнезит. Тальк и магнезит резко различаются по твердости, кристаллической структуре и морфологии частиц, что напрямую приводит к значительному различию в абразивных характеристиках порошков талька разных марок. В этой статье анализируются основные различия в свойствах двух минералов с минералогической точки зрения и определяются основные причины истирания, вызванного тальком.

I. Предыстория исследования и основные проблемы

В реальном производстве низкосортный тальк с высоким содержанием магнезита имеет показатель истираемости от 30 до 45 мг, тогда как глубоко очищенный высококачественный тальк может достигать значения истираемости ниже 10 мг. Наполнители с повышенным показателем истираемости ускоряют износ формовочной ткани, сокращают срок службы бумагорезательных станков и увеличивают энергопотребление рафинировочного оборудования. Это не только увеличивает затраты на техническое обслуживание, но и ухудшает качество бумаги.

Таким образом, выяснение внутренней корреляции между сортом талька, содержанием примесей и величиной истираемости имеет важное руководящее значение для предприятий по переработке талька и производителей бумаги при выборе наполнителя.

Опираясь на экспериментальные данные научно-исследовательского центра Ляонин Xinda Talc Group, это исследование всесторонне изучает проблемы истирания талька с четырех сторон: минеральные свойства, количественные правила, воздействие оборудования и рекомендации по применению.

II. Тальк против магнезита: поразительно разные кристаллические структуры

Тальк: пластинчатая структура с присущей ему смазывающей способностью. Тальк представляет собой слоистый силикатный минерал с соотношением 2:1 и химической формулой (ce{Mg3Si4O10(OH)2}). Его структура состоит из одного слоя магниево-кислородных октаэдров, зажатого между двумя слоями кремний-кислородных тетраэдров, причем соседние слои связаны лишь слабыми силами Ван-дер-Ваальса.

Такая структура позволяет тальку легко образовывать мелкие пластинчатые частицы с чрезвычайно низким сопротивлением межслоевому скольжению и превосходными самосмазывающимися характеристиками. Действуя как «микроскопические шарикоподшипники», распределенные между оборудованием и волокнами, частицы талька эффективно снижают трение.

Магнезит: ромбоэдрическая призматическая структура, твердый и склонный к режущему истиранию.

Магнезит — карбонатный минерал, имеющий пространственную сетчатую структуру кальцитового типа со слабой спайностью или ее отсутствием. Он распадается на частицы с острыми поверхностями излома.

Магнезит в основном существует в виде ромбоэдрических и призматических кристаллов. Вместо пластической деформации под действием внешней силы он подвергается хрупкому разрушению, образуя частицы с острыми краями, которые действуют как микроскопические режущие инструменты — основной виновник истирания оборудования.

III. Сравнение твердости: мягкий минерал и твердая примесь

Твердость по шкале Мооса — это основной показатель для измерения износостойкости и устойчивости минерала к деформации:

Тальк имеет твердость всего 1 по шкале Мооса и входит в число самых мягких минералов в природе, его можно царапать ногтями. Под действием силы он лишь проскальзывает между слоями и раскалывается на более тонкие чешуйки, почти не стирая контактные поверхности.

Магнезит имеет твердость по шкале Мооса от 3,5 до 4,5, что находится между кальцитом и флюоритом. В высокоскоростной рабочей среде мокрой части бумагоделательного производства такие твердые частицы вызывают значительный абразивный износ тканей из нержавеющей стали и керамических компонентов.

Примечательно, что истирание определяется не только твердостью. Частицы с острыми краями, образованные из расколотого магнезита, вызывают концентрацию напряжений и резко усиливают эффект истирания, тогда как сплющенные пластинчатые частицы талька уменьшают контактное напряжение при столкновении.

IV. Парагенезис талька и магнезита и технологии промышленного разделения

Основные регионы производства талька в Китае, включая Ляонин, Шаньдун и Гуанси, характеризуются мелкозернистым срастанием и парагенезисом талька и магнезита, что затрудняет полную диссоциацию этих двух минералов. В настоящее время приняты четыре основных метода промышленного разделения:

1. Ручная сортировка: ручная сортировка на основе текстурной разницы между скользким тальком и грубым магнезитом; применим только к крупнозернистой руде с низкой эффективностью и плохой точностью.

2. Флотация: разделение с использованием гидрофобности талька и гидрофильности магнезита, позволяющее производить концентрат с содержанием талька более 90%; доминирующий процесс очистки.

3. Электростатическое разделение: Электростатическое разделение за счет противоположных электрических зарядов: тальк несет отрицательные заряды, а магнезит несет положительные заряды в электрических полях высокого напряжения.

4. Селективное измельчение-просеивание: использование различий в твердости; мягкий тальк предпочтительно измельчают до мелких частиц, тогда как твердый магнезит сохраняет крупные зерна с последующим отделением через просеивание.

Более высокая степень очистки руды соответствует более высоким содержаниям талька и более низким значениям истираемости, но одновременно приводит к снижению выхода и увеличению производственных затрат. Баланс между низкой абразивной стойкостью и экономической эффективностью остается ключевой задачей для предприятий добывающей и перерабатывающей промышленности.