超細粉碎技術的發展與應用

超細粉碎技術是近年來開發的一項新興技術。它在化工、冶金、建筑材料、電子、分工、醫藥、農業等領域得到了廣泛的應用。隨著超細粉碎技術的發展，超細粉碎機也得到了改進。至今國內外已開發出氣流磨、雷蒙磨、高壓輥磨、離心磨、膠體磨、振動磨、攪拌磨等超細粉碎設備,與其他粉碎設備相比,攪拌磨因其具有的超細、高效、節能、低污染、操作簡便等諸多優越性能,受到了越來越多的關注。1循環式攪拌磨的結構攪拌磨主要是由一個充填了研磨介質的研磨筒和一個旋轉攪拌器(攪拌裝置)構成。依其工藝布置的不同,又可分為間歇式、連續式和循環式等3種。其中間歇式攪拌磨主要由帶冷卻套的研磨筒、攪拌裝置和循環卸料裝置等組成;連續式攪拌磨的研磨筒的孔徑比較大,筒體上下裝有隔柵,產品的最終細度是通過調節進料流量控制物料在研磨筒內的滯留時間來保證的;循環式攪拌磨是由一臺攪拌磨和一個大容積循環罐組成。攪拌磨的類型按其攪拌器的不同又可分為棒式攪拌磨、圓盤式攪拌磨、螺旋(塔式)攪拌磨、棒盤式攪拌磨、環隙式攪拌磨等。攪拌磨通過攪拌器的旋轉,攪動研磨介質產生沖擊(研磨介質間相互沖擊力、攪拌裝置對介質的撞擊力)、剪切(研磨介質轉動產生的剪切力)和摩檫(研磨介質和物料間的摩檫力)作用,使物料進行超細粉碎。攪拌磨的轉速受離心力和旋轉半徑的限制,一般情況下,攪拌器的圓周速度約為4～20m/s。磨中的介質一般為球形介質,直徑通常小于3mm,莫式硬度最好比被磨物料大3以上,以增大研磨強度,提高粉碎效率。2超細攪拌磨干磨機1928年Klein與Szegvari提出攪拌磨機的基本原理,使用攪拌器和球形介質研磨物料,從而揭開了攪拌磨歷史,并成立了UP(UnionProcessInc.)公司,從事攪拌磨研制與推廣應用。30年代末,美國礦山局開發了砂磨機用于浮選之前清理礦物表面的污染物,后來又作為Szegvari粉碎系統被改進和改型,到1960年首次用來嘗試把高嶺土粗粉研磨至2μm的超微粉。在60～70年代,通過連續開式試驗和連續閉式試驗不斷進行著高嶺土的超細研磨研究,并逐漸用于規模生產。到1972年,這種磨機已以推廣應用到云母、滑石、大理石、熒石等的粉碎研磨。1953年,日本KubotaTowerMill公司的河端重勝博士發明了塔式磨機,并在冶金、黃金、水泥和化工等部門應用,效果較好。1956年Szegvari發明了采用細長鋼棒(或鐵棒)做成攪拌器的攪拌磨。1970年Wilhelm為了處理磨礦粘度5Pa.s的物料而增加了攪拌介質分離器。70年代初,瑞典MatterPartnerAG公司開發了NRZK攪拌磨用于加工水煤漿,相繼改進了攪拌磨排礦裝置,使攪拌器轉速不斷增加。1976年由Durr發明了臥式損拌磨,該設備磨礦效率大為提高。1979美國MPSI公司引進日本塔式磨礦機專利生產立式攪拌磨,20世紀80年代,德國Fryma公司開發了雙錐形砂磨機(Coball磨)。90年代以來,瑞典薩拉公司推出的攪拌磨加大了攪拌軸直徑,增加攪拌棒的數量,從而減少攪拌器磨損,提高磨礦效率,為了減少濕式粉磨的干燥環節,干式攪拌磨成為攪拌磨超細粉碎的新熱點,瑞典、瑞士、德國和日本相繼推出立式連續干式攪拌磨。隨著攪拌磨結構性能的提高,應用廣泛,攪拌磨在超細粉碎作業中的重要地位,已人所共識,市場需求量日益增大。中國攪拌磨的研制始于20世紀60年代末,重慶化工機械廠研制中國第一臺砂磨機,也是中國早期的攪拌磨。80年代初原冶金部秦皇島黑色冶金設計研究院和地質礦產部南昌化驗制樣機廠聯合開發出MQL—500型立式攪拌磨(塔磨機),用于金廠峪金礦選廠代替第二段球磨機效果良好。另有鄭州東方機器制造廠、蘇州非金屬礦工業設計研究院、長沙礦冶研究院等開發了各類型攪拌磨,在金屬礦、黃金、非金屬礦、化工、涂料和粉末冶金行業得到應用。90年代末,清華大學研制的GJM1000型干式連續攪拌磨,徐州采掘機械廠制造的SJM1500型濕法攪拌磨,使國產的攪拌磨在生產能力上有了較大程度的提高。2002年,武漢理工大學非金屬礦研究設計所研制出LQM300型干式離心自磨機產品細度可磨至0.1～3μm。在攪拌磨的理論研究方面,1974年,Sadler通過用一個直徑5英寸的攪拌磨對陶瓷氧化物進行的粉碎研磨試驗,嘗試建立一個基本的數學模型,開始了有關攪拌磨的基礎理論研究工作。然而,在眾多公開發表的文章中,更多的是國內外學者用不同類型的攪拌磨對各種材料的粉碎研磨試驗研究,而對攪拌磨超細粉碎的運動特性、動力學模型等的基礎理論研究卻很少。3降低粉碎過程的能量用攪拌磨對粉體進行超細粉碎主要有干法和濕法2種工藝,在干法粉碎過程中隨著被粉碎物料粒徑的變小其破壞強度和表面能明顯增加,粒子容易凝聚或附著在設備壁上,形成一個粉體緩沖層,致使粉碎時能量無法集中在單個粒子上,妨礙了粉碎過程的進行。而在濕法粉碎過程中,通過水或添加某些藥劑使之降低,粒子的表面能,防止產生凝聚現象,同時也可使被粉碎顆粒的破壞強度降低有利于粉碎過程的進行。所以,從減小顆粒尺寸這一角度上考慮,濕法粉碎優越于干法粉碎。但在生產實踐過程中濕式粉碎的產品需要固液分離和干燥,對干燥過程產生的結塊還必須打散處理,因此工藝較為復雜,且生產成本較高。3.1物料分離、研磨、粉碎攪拌磨的干磨工藝系統如圖1所示,由攪拌磨機、分級機、收集器等構成。從攪拌磨2排出的物料,用振動篩5分離出研磨介質后,進入空氣分級機7。分級所得微細物料為最終產品,粗物料返回再磨細。產品粒度可達d97小于5μm,適用于軟至中硬礦物的粉碎。從磨機中排出的介質與物料分離后可以循環使用。3.2礦漿研磨機運行攪拌磨的濕磨工藝系統如圖2所示,由攪拌磨、料倉、輸送泵等組成。先將物料、水及分散劑在混合倉4制成礦漿,由輸送泵5泵入儲存倉6,再進入攪拌磨8,通過磨內的攪拌器旋轉,攪動研磨介質產生沖擊、剪切和摩擦作用,對物料實現撞擊和研磨,成品由磨機上部流入產品儲倉8內。產品的產量、粒度是靠調整漿料在磨機內的研磨時間進行控制。通常生產出來的產品細度可達d95小于2μm。4攪拌磨粉碎過程的理論研究攪拌磨經過幾十年的不斷發展,在超細粉碎行業得到了廣泛的應用,但是仍然存在著許多問題:由于能量輸入密度不均勻、粉體的二次團聚等原因,目前還基本處于微米級粉的粉碎;由于攪拌器的高速運轉,不可避免要產生磨損和熱量轉移問題,因而該類設備不適合粉碎高硬度的物料和熱敏性物質;此外,攪拌磨粉碎過程中的運動規律的研究、機械化學基礎理論及應用研究,以及助磨劑的助磨效應及各效應影響程度的研究的滯后,也嚴重影響了攪拌磨的發展。針對這些問題,以下幾方面應該是攪拌磨今后的研究方向:4.1其他影響因素顆粒細化的影響因素主要是顆粒自身的狀態和性質(材料種類、產地、預處理狀態、顆粒尺寸、形狀及均質性,以及其集合的配位狀態等)及加載條件(加載方式、加載強度、加載速度和頻率、加載工具形狀、表面處理情況及加載環境溫度等),只要對上述影響因素進行深入研究和實踐,特別是加強對攪拌磨中的漿料和介質形成的多相流體,在研磨過程中的運動規律的研究,以進一步優化攪拌磨結構和工藝參數,提高能量輸入密度,輔以合適的分散劑或分散方法,防止研磨過程中的團聚,許多非金屬材料不但可以被制備成超微粉,還可能制備成納米顆粒。4.2影響產品的振動攪拌磨機的高速轉動的攪拌軸和物料由于摩擦產生大量的熱量,若冷卻系統設計不好,會造成物料溫度升高,嚴重影響產品的性能,而且由于在粉碎過程中,攪拌磨機許多部位受到物料、研磨介質的沖擊,筒體內壁和轉子部分磨損較大,因此合理設計冷卻系統、選用合適耐磨材料,有效控制磨內溫度、提高設備的使用壽命、減少污染十分重要。4.3機械化學變化作用機理超細粉碎過程不僅僅是物料粒度的減小,還包含了許多復雜的粉體物理化學性質和晶體結構的變化——機械化學變化:機械力的作用引起粉體性質和結構的變化。機械化學能賦予材料許多獨特的性能,利用研磨過程的機械能使原科發生晶型轉變