矿物加工

我国超细粉碎技术现状与发展趋势摘要：综述了国内外超细粉碎技术及设备的现状，从工作原理、结构特点等方面详细介绍了其典型设备，结合超细粉体粒子微细化、表面活性化、用途功能化、组成高纯化、产品系列化的性能要求,提出了我国超细粉碎技术今后的发展方向。

关键词：超细粉碎；粉体、非金属矿物、设备超细粉碎技术是从20世纪40年代逐步发展起来的，至今已成为各国重要的非金属矿及其他高新原材料深加工技术之一。

由于各国科研技术水平不一，到目前为止超细粉碎仍没有严格的统一定义。

一般将加工粒径为0．1～lOμm的超细粉体的粉碎和相应的分级技术称为超细粉碎。

超细粉碎和超细分级是物料深加工中的难题，也是粉体技术中的关键。

非金属矿的利用通常取决于物料的深加工程度,包括超细粉碎、超细分级、精细提纯和表面改性等,其中有效的超细粉碎是进行各项深加工的前提和保证[1 ] [2 ] [3 ]。

国外从40 年代起,以超细粉碎、分级、改性为础的深加工技术就引起人们的关注,到60 年代技术得到了迅速发展。

目前美国、德国、日本国等国家超细粉碎技术和设备的研制具备了较的水平,推出了干法和湿法各类型和规格的超粉碎及分级设备,可加工细度0. 5～l0 μm 任意级别的超细产品[4 ]。

国内超细粉碎技术和设研究工作始于60 年代,且发展缓慢,到80 年代得以迅猛发展,目前为止,已能生产各种类型的流磨、振动磨、搅拌磨、冲击磨,性能基本上可与界上已成型的机种相媲美[5 ]。

2 我国超细粉碎设备现状超细粉体的制备主要有机械粉碎法和化学合成法。

化学合成法包括共沉淀法、水解法、溶胶—凝胶法、水热合成法、气相反应法和溶剂法等,目前又开发出了激光法。

由于化学合成法成本高,生产规模小,工艺复杂,除少数超细粉体外,大多采用机械粉碎法[6 ] [7 ],机械粉碎法生产成本低、产量高、工艺简单,而且会发生机械化学反应,有可能改善物料性能,易实现大规模生产,在矿物加工中具有巨大的优越性。

目前,国内的机械粉碎设备主要有气流磨、高速机械冲击磨、球磨机(包括振动球磨机、转动球磨机、行星球磨机等) 、介质搅拌磨、射流粉碎机等。

其中,气流磨、高速机械冲击磨为干式超细粉碎设备;球磨机、介质搅拌磨、射流粉碎机,既可用于干式超细粉碎,也是常用的湿法超微粉碎设备。

由于粉碎方式和工作原理的不同,各种设备性能存在着一定的差距,同时,从1995 年至今,国内超细粉碎技术及设备进入了以自行开发和制造为主,引进为辅的日新月异时期,具有自主知识产权或发明专利的超细粉碎技术和设备数量,较前几年有显著上升趋势,大大地促进了我国非金属矿深加工行业的发展。

现将国内超细粉碎技术与设备的最新进展情况综述如下。

2. 1 冲击式粉碎机冲击式粉碎机粉碎效率高、粉碎比大、结构简单、运转稳定,适合于中、软硬度物料的粉碎,广泛应用于矿业、化工、建材等行业。

这种粉碎机不仅具有冲击和摩擦两种粉碎作用,而且还具有气流粉碎作用。

目前比较成熟的机型主要有咸阳非金属矿研究设计院开发的CM 型超细粉碎机、湖北沙市津江超细粉公司生产的DJM900 型超细粉碎机、清华大学与沈阳重型机械厂开发的CZM 多段冲击式粉碎机、ACM 型冲击式粉碎机,其中ACM型粉碎机是美国、日本几家公司的产品,浙江嵊州市特种粉碎设备厂也生产类似的机型,它结构简单、加工造价低、适应物料范围广,加上大风量输送物料,传热效果好、粉碎区域温度较低,可用于某些热敏性物料的粉碎,这是其它设备所难以比拟的[8 ]其工作原理：原料由控制阀给入分级室，经预先分级后，合格细粒物料从产品出口排出，粗粒物料进入研磨室由冲击锤粉碎；粉碎后的物料在由进气管进入的上升气流作用下输送到涡轮超细分级器进行分级；分级后，合格细粒物料从产品出口排出并收集为成品，不合格粗粒物料再次进入研磨室进行粉碎至合格产品为止。

该机特点：①内置的超细分级器既有预先分级功能又具检查分级功能，从而提高了粉碎效率，降低了能耗；②由于冲击粉碎机和分级机采用一体组合，故结构紧凑，运转平稳，整体性好；③根据需要，通过调节涡轮分级器的转速可得到不同细度的产品；④冲击锤和研磨轨道等易磨损部件可以更换，粉碎部与分级部由法兰盘连接，在液压驱动下可将装置打开，从而使维修方便。

2. 2 气流磨气流磨国内生产研究最多,机型也是所有超细粉碎设备中最为齐全的,即使是国际上最为先进的机型(如流化床类气流磨)也有不少的生产厂家。

由于是干法生产,可以省去非金属矿超细粉碎中的烘干工艺。

但也存在一些问题:设备制造成本高,一次性投资大,能耗高,粉体加工成本太大,这就使得它在这一领域的使用受到了一定的限制;它难以实现亚微米级产品粉碎,产品粒度在10 μm左右时效果最佳,在10 μm 以下时产量大幅度下降,成本急剧上升,在非金属矿领域的应用就失去了应有的使用价值;目前气流磨的单机处理能力较小(产量均小于1t / h) ,还不能适应大规模生产的需要,在介质使用上,国内大多使用空气,很少使用过热蒸汽或惰性气体。

另外,设备加工精度与材质的磨损问题仍困扰着设备制造商和广大国内用户[9 ] [10 ]。

气流磨自20世纪40年代问世以来，技术已趋于成熟，目前主要机型有圆盘式、循环管式、对喷式、靶式和流化床式等五大类。

J—O—Mizer型循环管式气流磨是目前应用较广的气流磨，其工作原理：物料经加料器进入下部位置的粉碎区，气流经过一组研磨喷嘴进入粉碎室并将物料颗粒加速，使颗粒相互冲击、碰撞、摩擦而粉碎；气流挟带粉碎后的颗粒沿上行管向上运动进入分级区；在分级区离心场的作用下，使密集的颗粒流分流，内层细料经百叶窗式惯性分级器分级后排出即为成品；外层粗料沿下行管返回继续循环粉碎，直至合格细料。

2. 3 介质搅拌磨介质搅拌磨是当前制备亚微米级产品的唯一可行设备[11 ]湿式搅拌磨可以批量生产细度d97≤2 μm 的超细粉,产品细度最小可达1 μm 以下。

从原理上看,它并不属于新型粉碎机。

最初,介质搅拌磨主要用于涂料等建材工业或食品工业领域中,作为分散机使用,因其分散速度大,适合于短时间内粉体的微细化,是粉碎粒度极限最小的超细粉碎设备之一,近年来,在各工业领域中,作为微粉碎机再次引起人们注意[12 ]。

介质搅拌磨在工业上应用已有半个世纪，至今已发展成为一类种类繁多、品种齐全的超细粉碎设备，根据结构大致可分为立式、卧式、环式和塔式四种；根据操作方法可分为间歇式、连续式和循环式三种类型。

目前，国外主要机型有：美国联合工艺公司(Union Process)研制的S型、SC型系列搅拌磨及C／H系列立式连续搅拌磨，瑞士AGMW公司制造的WPM 型立式湿法连续式搅拌磨，德国耐驰精磨技术股份有限公司(NETZSCH)的LME卧式砂磨机及法国BEFS Technology MPSP Department的干式和湿式搅拌磨等。

国内搅拌磨生产厂家和科研机构在国外搅拌磨基础上，经过不断摸索、创新，在搅拌器和磨机整体机构等方面做了相应的改进，这突出表现在棒盘式搅拌磨(中国实用新型专利CN2249636Y)、搅拌塔式磨机(中国实用新型专利CN2267858Y)、鼠笼转子搅拌磨(中国实用新型专利CN1203123A)、JCM 型超细立式搅拌高能球磨机(中国实用新型专利CN2341714Y)等搅拌磨的成功研制。

其中，搅拌塔式磨机（图3）采用固定在底端轴承座上的变径螺旋体作为搅拌器，使搅拌在不同压力、浓度区间中处于不同的工作状态，增强了介质与物料之间的摩擦、冲击和碰撞作用，从而提高了制粉效率；螺旋搅拌器的尾轴端设置在底座上的轴承座上，消除了偏心旋转现象，提高了搅拌器的工作稳定性，减少了噪音和振动，降低了能耗，提高了磨机的使用寿命。

2. 4 振动球磨机振动磨产品细度可达到亚微米级,且具有较强的机械化学效应,能耗较低,易于工业规模生产[13 ]。

经过近几年的研究开发,国内振动磨的研制取得了骄人的成绩,但无论是品种规格、整体性能,还是应用范围,都与日本、德国相比存在一定的差距,在内层衬板、研磨介质及工艺性能方面还需进一步研究,以适应不同物料的加工需要,尤其是对铁杂质含量要求严格的非金属矿物的超细粉碎。

如德国研制的转腔式振动磨、异形腔振动磨等新型磨机使介质活化度大大提高,产量提高1. 5～2. 0 倍[14 ],最近又提出了偏心式振动磨;日本中央化工机械株式会社在振动磨的机械化学效应研究和开发方面,已成功地用于钛酸镁的开发,并取得了良好的效果,产品平均粒径d50 ≤1 μm。

振动磨是国内外广泛应用的机械粉碎设备，其工作原理：利用研磨介质(球形或棒形)在作高频振动的简体内对物料进行冲击、摩擦、剪切等作用，从而使物料达到粉碎。

其产品细度可达亚微米级，且具有较强的机械化学效应，能耗较低，易于工业大规模生产，所以振动磨在超细粉碎加工中占有一定的比重，广泛地应用于建材、化工、陶瓷、耐火材料和非金属矿等行业的粉体加工。

2. 5 行星球磨机近年来发展起来的高能球磨法是一种制备超微粉的新方法[17 ],它是一个无外部热能供给的干式高能球磨过程。

Shingu 等首先报道了用高能球磨机制备晶粒< 10nm 的Al - Fe 合金,其原理是把欲合金化的元素粉末混合,在高能球磨机中长时间运转,将回转机械能传递给金属粉末,并在冷态下反复挤压和破碎,使之成为弥散分布的超微粉[18 ]。

Oehring 等在球磨Nb - 25 %Al 时发现,球磨初期首先形成约35nm 的Nb3Al 和少量的Nb2Al ,球磨 2. 5h 后,Nb3Al 和Nb2Al 迅速转变成具有纳米结构(10nm )的固溶体[19 ]。

国内的诸葛兰剑等则通过高能球磨法成功制备了粒径为30～60nm 的α’- Fe (N)粉末[20 ]。

北京科技大学与加拿大多伦多大学联合研制的新型行星式磨机———Szego 磨,设计独特、结构紧凑,使被磨物料能够最大限度的利用输入的能量进行粉碎,避免了普通磨机和振动磨机工作中介质之间的无效空磨,使得立式行星磨的单位容积处理量比具有同样磨矿效果的球磨机的单位容积处理量高约40 倍。

对云母的超细粉碎实验表明,粒度可达10μm或更细,物料在磨内停留时间很短,一般只有5～10s ,平均粒径为15μm 时的能耗为80kWh ;平均粒径为44 μm 时,能耗为50 ±20 kWh[21 ]。

2. 6 射流粉碎机北京航空大学根据空气动力学原理和多相流理论,研制了一种利用高压空气流的J FC高压射流式粉碎机,它将干燥无油的压缩空气加速成超音速气流,该气流携物料作高速运动,使物料相互碰撞、摩擦而粉碎,未达到粒度要求的粉料由分级器返回粉碎室继续粉碎。

这种粉碎机分级精度高,产品粒度细而分布窄,平均粒度(d50)可在0. 5～20 μm范围内任意调节,其工艺特点是气流与物料分路进入粉碎室实现物料之间的相互碰撞而粉碎,故喷嘴和粉碎室磨损小。