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摘要：通过对煤系高岭土煅烧加工精密铸造型砂工艺的研究，阐述了煤质、火焰、负压等因素对产品质量的影响，为实际生产提供了依据。
关键词：煤系高岭土 煅烧 耐火材料 精密铸造型砂
一、引言
煤系高岭土是一种新的工业原料，其很多特性优于软质高岭土，作为我国独有的矿产资源，其应用领域不断得到扩展和发现。淮北矿区的煤系高岭土资源丰富，已探明储量约3.4亿吨。淮北矿业集团朔里矿业公司开发煤系高岭土产品已有30多年的历史，加工实践表明，用煤系高岭土加工的精密铸造型壳材料，耐火度高、膨胀系数小、热化学稳定性好，浇注出的铸件易脱壳、不变形、收缩率小、光洁度好、成品率高。笔者结合多年的生产实践和现场管理经验，着重谈谈煅烧工艺对熔模精密铸造型砂质量的影响。
二、煅烧工艺
用回转窑高温煅烧煤系高岭土加工熔模精密铸造型砂的生产工艺是：原矿→破碎（<8mm） →煅烧→清吹→除铁→筛分包装。工艺过程中每个环节都有各自的特点，而煅烧是其中重要的一个环节。煤系高岭土的煅烧工艺过程，见图1所示。
1.物料的运动过程
生砂由窑尾进料口进入回转窑，依靠窑筒体的斜度（3～3.5%）及窑的转动在窑内向前运动。经过预热带加热、煅烧带反应，生成熟料由出料口流出。
2.燃料的供给
生料进入到窑内，需要继续吸热升温至1300℃左右才能烧成熟料。回转窑内热量主要是由窑头的三通道煤粉燃烧装置提供。270目煤粉随空气以一定的流速从喷煤嘴喷出，与周围的热空气接触后进行燃烧，燃烧产生大量的热，热量以火焰的辐射、热气的对流、窑砖（窑皮）传导等方式传给物料。煤粉的燃烧空气可以分为两个部份，一部份是输送煤粉、将煤粉与空气混合均匀及供挥发份燃烧所用的一次空气。另一部份是依靠罗茨风机送入的洁净的二次空气，二次空气主要作用是助燃。
3.煅烧机理
煤系高岭土在加热煅烧精密铸造型壳材料过程中的变化包括两个阶段，即脱水阶段与脱水后产物的转化阶段。煅烧过程中，我们应严格控制温度（1300～1350℃），使高温下理化反应朝向生成更多莫来石相的方向发展，从而提高产品的耐火度。
3.1脱水阶段
100～110℃，湿存水（大气吸附水）与自由水（吸湿水）的排除；110～400℃，其他矿物杂质带入水的排除（如多水高岭石中的水）；400～450℃，晶格水开始缓慢排除；450～550℃，晶格水快速排出；500～800℃，脱水缓慢进行；800～1000℃，残余水排除完毕。羟基与八面体中的Al配位，位于八面体的外侧和四面体与八面体晶片之间。外侧羟基首先脱除，温度提高之后，Si、Al之间的羟基才开始脱除。结晶有序度高，脱羟温度愈高，过程也愈缓慢，在550～700℃ 时，化学反应如下：Al2O3·2SiO2·2H2O（高岭石） → Al2O3·2SiO2偏高岭石）+2H2O
3.2脱水后产物的转化阶段。煤系高岭土在高温下，物料在低温时水分、碳、有机质全部脱尽，接着新物相在高岭土加热过程中脱水析出，新物相的生成使物化变化较为复杂，化学反应如下：在925℃-980℃，2（Al2O3·2SiO2）（偏高岭石）→ 2Al2O3·3SiO2（硅铝尖晶石）+SiO2；在1050～1100℃，2Al2O3·3SiO2（硅铝尖晶石）→2（Al2O3·SiO2）+SiO2（似莫来石）；在1200～1400℃，3（Al2O3·SiO2）→3Al2O3·2SiO2（莫来石）+SiO2
3.3有资料表明
型砂生产过程中，煅烧温度在1300～1350℃时，煅烧高岭土体积密度与气孔率指标符合要求。高于1350℃时，其体积密度降低、气孔率升高，这是因为此时方石英大量形成，体积膨胀，同时烧后的物料层理发达导致熟料块开裂。
三、煅烧工艺需要注意的问题
1.煤质的选择
回转窑生产精铸砂用煤质量要求，见表1。由于回转窑生产工艺中，物料和煤粉直接接触，煤含硫量多少、灰分的大小以及其它低熔物对精铸砂都有影响。煤中杂质及灰分太多，不仅使温度升不上去，而且煅烧冷却后有大量的低熔物和型砂表面接触，等温度一旦下降时，这些低熔物会立即沉积在精铸砂表面，使其表面失去光泽，在熔模铸造焙烧和浇铸时低熔物熔化，还会出现型壳开裂和跑火现象，降低铸件质量。因此，生产中要控制好燃煤质量，减少煤中低熔物在精铸砂表面沉积。
表1 回转窑生产精铸砂用煤质量要求参数
2.煅烧火焰的调节
煅烧机理和生产实践表明，1300～1350℃是煅烧硬质高岭土的合适温度。低于这个温度，煅烧不充分，会出现欠烧料，外在表现为浅红色或浅灰色。用这样的型砂制型壳，在焙烧和浇注过程中会发生上述物化反应，使型壳不断的发生体积变化，造成型壳开裂，强度大幅度下降，浇注时出现漏液、跑火等现象，无法生产出高精度的铸件。如果温度再升高，莫来石晶体会不同程度地溶解于出现的低熔杂质液相中，体密密度低质量下降，也浪费燃料。因此，严格控制煅烧温度将是稳定熔模精密铸造型砂质量的核心。
实际生产过程中，窑炉操作工往往通过观察火焰的形式及物料的状态来判断煅烧温度是否适宜。回转窑内火焰外形粗细必需与窑体断面积相适应，要求比较布满近料而不触料。理想的火焰形状是在任何断面上保持圆形，纵向剖面应为正柳叶外形（“棒槌形”）。火焰外形的调节一方面取决于煤粉的热值、灰分、细度和挥发分的大小，另一方面还取决于一次风的风速和风量大小，即窑头燃烧器的规格和机能，调整好窑内火焰长度也就是调整好烧成带长度，也即调整控制了物料在高温烧成带停留时间，火焰外形和长度影响到熟料中体积密度的大小。因此，要得到优质的精铸型砂，必需调整火焰长度适中，既不拉长火焰使烧成带温度降低，也不缩短火焰使高温部分过于集中，从而烧坏耐火砖而不利于窑的安全运转。当煤灰分高、热值低，其一次风风速应适度加大，对于使用多通道喷煤管的窑应增加内、外净风风速和风量，使其火焰外形尽量控制不发散而形成正常火焰。
3.窑内负压的控制
回转窑系统都是在负压下工作。通过在窑尾烟室安装差压变送器将窑尾负压直接反应到窑头操作仪表盘上，便于操作工掌握窑内气流情况。负压的变换也就显示这窑内气流速度的变化，窑内气流速度控制的适当是煅烧出优质产品的重要条件之一。
流速过快使喷入窑内燃料未能充分燃烧即被抽至窑尾排空，造成很大的热损失，同时煅烧量与产品质量也大打折扣；流速过慢看火时能感觉到窑内发暗而浑浊，如想以增加喷煤量来增加烧成带温度是徒劳的，分解带产生的大量废弃不能畅通排除窑外，氧气进不去，煤粉燃烧不充分，火焰温度低，一次风与燃料的增加只能恶化窑内的煅烧气氛，而减煤与减一次风造成的后果是同步减少给料量，使窑不能发挥正常生产效率；流速控制得当时，火焰不伸长，火焰明亮且温度高，此时烧成带需要较多的物料与此温度平衡，烧成的产品产量高、质量好。
四、结语
精铸砂煅烧工艺复杂，系统参数的改变直接影响物料的烧成质量。只要我们在生产实践中多观察、勤思考，就一定能掌握指导生产的第一手资料。
参考文献
[1]宋振动，煤系高岭土及加工工艺[J]，中国矿业，1997，6（4）：68-70.
[2]叶旭初，新型干法回转窑内煤粉燃烧、高温传热、煅烧熟料热工过程的应用基础研究，TQ172.6.
[3]郑水林，煤系高岭土提纯与煅烧研究[J]，中国矿业，1997，3（2）：55-59.
关键词：煤系高岭土 煅烧 耐火材料 精密铸造型砂
一、引言
煤系高岭土是一种新的工业原料，其很多特性优于软质高岭土，作为我国独有的矿产资源，其应用领域不断得到扩展和发现。淮北矿区的煤系高岭土资源丰富，已探明储量约3.4亿吨。淮北矿业集团朔里矿业公司开发煤系高岭土产品已有30多年的历史，加工实践表明，用煤系高岭土加工的精密铸造型壳材料，耐火度高、膨胀系数小、热化学稳定性好，浇注出的铸件易脱壳、不变形、收缩率小、光洁度好、成品率高。笔者结合多年的生产实践和现场管理经验，着重谈谈煅烧工艺对熔模精密铸造型砂质量的影响。
二、煅烧工艺
用回转窑高温煅烧煤系高岭土加工熔模精密铸造型砂的生产工艺是：原矿→破碎（<8mm） →煅烧→清吹→除铁→筛分包装。工艺过程中每个环节都有各自的特点，而煅烧是其中重要的一个环节。煤系高岭土的煅烧工艺过程，见图1所示。
1.物料的运动过程
生砂由窑尾进料口进入回转窑，依靠窑筒体的斜度（3～3.5%）及窑的转动在窑内向前运动。经过预热带加热、煅烧带反应，生成熟料由出料口流出。
2.燃料的供给
生料进入到窑内，需要继续吸热升温至1300℃左右才能烧成熟料。回转窑内热量主要是由窑头的三通道煤粉燃烧装置提供。270目煤粉随空气以一定的流速从喷煤嘴喷出，与周围的热空气接触后进行燃烧，燃烧产生大量的热，热量以火焰的辐射、热气的对流、窑砖（窑皮）传导等方式传给物料。煤粉的燃烧空气可以分为两个部份，一部份是输送煤粉、将煤粉与空气混合均匀及供挥发份燃烧所用的一次空气。另一部份是依靠罗茨风机送入的洁净的二次空气，二次空气主要作用是助燃。
3.煅烧机理
煤系高岭土在加热煅烧精密铸造型壳材料过程中的变化包括两个阶段，即脱水阶段与脱水后产物的转化阶段。煅烧过程中，我们应严格控制温度（1300～1350℃），使高温下理化反应朝向生成更多莫来石相的方向发展，从而提高产品的耐火度。
3.1脱水阶段
100～110℃，湿存水（大气吸附水）与自由水（吸湿水）的排除；110～400℃，其他矿物杂质带入水的排除（如多水高岭石中的水）；400～450℃，晶格水开始缓慢排除；450～550℃，晶格水快速排出；500～800℃，脱水缓慢进行；800～1000℃，残余水排除完毕。羟基与八面体中的Al配位，位于八面体的外侧和四面体与八面体晶片之间。外侧羟基首先脱除，温度提高之后，Si、Al之间的羟基才开始脱除。结晶有序度高，脱羟温度愈高，过程也愈缓慢，在550～700℃ 时，化学反应如下：Al2O3·2SiO2·2H2O（高岭石） → Al2O3·2SiO2偏高岭石）+2H2O
3.2脱水后产物的转化阶段。煤系高岭土在高温下，物料在低温时水分、碳、有机质全部脱尽，接着新物相在高岭土加热过程中脱水析出，新物相的生成使物化变化较为复杂，化学反应如下：在925℃-980℃，2（Al2O3·2SiO2）（偏高岭石）→ 2Al2O3·3SiO2（硅铝尖晶石）+SiO2；在1050～1100℃，2Al2O3·3SiO2（硅铝尖晶石）→2（Al2O3·SiO2）+SiO2（似莫来石）；在1200～1400℃，3（Al2O3·SiO2）→3Al2O3·2SiO2（莫来石）+SiO2
3.3有资料表明
型砂生产过程中，煅烧温度在1300～1350℃时，煅烧高岭土体积密度与气孔率指标符合要求。高于1350℃时，其体积密度降低、气孔率升高，这是因为此时方石英大量形成，体积膨胀，同时烧后的物料层理发达导致熟料块开裂。
三、煅烧工艺需要注意的问题
1.煤质的选择
回转窑生产精铸砂用煤质量要求，见表1。由于回转窑生产工艺中，物料和煤粉直接接触，煤含硫量多少、灰分的大小以及其它低熔物对精铸砂都有影响。煤中杂质及灰分太多，不仅使温度升不上去，而且煅烧冷却后有大量的低熔物和型砂表面接触，等温度一旦下降时，这些低熔物会立即沉积在精铸砂表面，使其表面失去光泽，在熔模铸造焙烧和浇铸时低熔物熔化，还会出现型壳开裂和跑火现象，降低铸件质量。因此，生产中要控制好燃煤质量，减少煤中低熔物在精铸砂表面沉积。
表1 回转窑生产精铸砂用煤质量要求参数
2.煅烧火焰的调节
煅烧机理和生产实践表明，1300～1350℃是煅烧硬质高岭土的合适温度。低于这个温度，煅烧不充分，会出现欠烧料，外在表现为浅红色或浅灰色。用这样的型砂制型壳，在焙烧和浇注过程中会发生上述物化反应，使型壳不断的发生体积变化，造成型壳开裂，强度大幅度下降，浇注时出现漏液、跑火等现象，无法生产出高精度的铸件。如果温度再升高，莫来石晶体会不同程度地溶解于出现的低熔杂质液相中，体密密度低质量下降，也浪费燃料。因此，严格控制煅烧温度将是稳定熔模精密铸造型砂质量的核心。
实际生产过程中，窑炉操作工往往通过观察火焰的形式及物料的状态来判断煅烧温度是否适宜。回转窑内火焰外形粗细必需与窑体断面积相适应，要求比较布满近料而不触料。理想的火焰形状是在任何断面上保持圆形，纵向剖面应为正柳叶外形（“棒槌形”）。火焰外形的调节一方面取决于煤粉的热值、灰分、细度和挥发分的大小，另一方面还取决于一次风的风速和风量大小，即窑头燃烧器的规格和机能，调整好窑内火焰长度也就是调整好烧成带长度，也即调整控制了物料在高温烧成带停留时间，火焰外形和长度影响到熟料中体积密度的大小。因此，要得到优质的精铸型砂，必需调整火焰长度适中，既不拉长火焰使烧成带温度降低，也不缩短火焰使高温部分过于集中，从而烧坏耐火砖而不利于窑的安全运转。当煤灰分高、热值低，其一次风风速应适度加大，对于使用多通道喷煤管的窑应增加内、外净风风速和风量，使其火焰外形尽量控制不发散而形成正常火焰。
3.窑内负压的控制
回转窑系统都是在负压下工作。通过在窑尾烟室安装差压变送器将窑尾负压直接反应到窑头操作仪表盘上，便于操作工掌握窑内气流情况。负压的变换也就显示这窑内气流速度的变化，窑内气流速度控制的适当是煅烧出优质产品的重要条件之一。
流速过快使喷入窑内燃料未能充分燃烧即被抽至窑尾排空，造成很大的热损失，同时煅烧量与产品质量也大打折扣；流速过慢看火时能感觉到窑内发暗而浑浊，如想以增加喷煤量来增加烧成带温度是徒劳的，分解带产生的大量废弃不能畅通排除窑外，氧气进不去，煤粉燃烧不充分，火焰温度低，一次风与燃料的增加只能恶化窑内的煅烧气氛，而减煤与减一次风造成的后果是同步减少给料量，使窑不能发挥正常生产效率；流速控制得当时，火焰不伸长，火焰明亮且温度高，此时烧成带需要较多的物料与此温度平衡，烧成的产品产量高、质量好。
四、结语
精铸砂煅烧工艺复杂，系统参数的改变直接影响物料的烧成质量。只要我们在生产实践中多观察、勤思考，就一定能掌握指导生产的第一手资料。
参考文献
[1]宋振动，煤系高岭土及加工工艺[J]，中国矿业，1997，6（4）：68-70.
[2]叶旭初，新型干法回转窑内煤粉燃烧、高温传热、煅烧熟料热工过程的应用基础研究，TQ172.6.
[3]郑水林，煤系高岭土提纯与煅烧研究[J]，中国矿业，1997，3（2）：55-59.