陳彥如，王騰宇，紀(jì) 鴻，鄭水林

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083）

由于高新技術(shù)和新材料產(chǎn)業(yè)對(duì)礦物粉體的特殊要求，粉體工業(yè)正朝著超細(xì)粉碎的方向迅速發(fā)展[1]。超細(xì)粉體的比表面積大、顆粒缺陷少、活性高、反應(yīng)速率快、填充補(bǔ)強(qiáng)性好、溶解度大、燒結(jié)溫度低且燒結(jié)強(qiáng)度高，因此，提高超細(xì)粉碎技術(shù)對(duì)現(xiàn)代高技術(shù)新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著極其重要的意義[2]。超細(xì)攪拌磨是現(xiàn)代超細(xì)粉碎的主要設(shè)備之一,因其具有能量密度高、產(chǎn)品粒度細(xì)、環(huán)境污染小、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于建材、涂料、化工、醫(yī)藥、食品、農(nóng)藥、電子、冶金、陶瓷、顏料等領(lǐng)域[3]。

1 超細(xì)攪拌研磨的結(jié)構(gòu)及工作原理

攪拌研磨機(jī)主要由傳動(dòng)裝置、機(jī)架、筒體和攪拌裝置構(gòu)成。筒體內(nèi)填充有一定數(shù)量的研磨介質(zhì)，研磨介質(zhì)可以是瓷球、玻璃球、氧化鋯珠、鋼球或天然砂等。攪拌裝置可以有多種形式，如軸棒式、圓盤式、穿孔圓盤式、葉片式、圓柱式、圓環(huán)式、螺旋式等，工作方式可以有干法和濕法。對(duì)于立式攪拌磨，物料可以從筒體上部利用傳送裝置給入，也可以從筒體下部經(jīng)泵送入研磨腔內(nèi)[4-6]。

工作時(shí)，研磨介質(zhì)隨攪拌器做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，包括公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)，物料給入研磨腔后與攪拌中的研磨介質(zhì)發(fā)生碰撞、擠壓、摩擦。在整個(gè)筒體內(nèi)剪切力和擠壓力處處存在，這是由于沿徑向方向，位于不同半徑上的物料和磨介的運(yùn)動(dòng)速度不同，沿垂直方向，層與層之間物料和磨球的運(yùn)動(dòng)速度也不相等,存在一個(gè)速度梯度。在攪拌器附近物料粉碎效率高，磨球除了做圓周運(yùn)動(dòng)外,還存在不同程度的上下翻動(dòng)運(yùn)動(dòng),有一部分磨球與攪拌器發(fā)生沖撞、摩擦,在攪拌器附近還存在一定的沖擊力。綜合起來(lái),在整個(gè)研磨室內(nèi)起粉碎作用的力有剪切力、擠壓力和沖擊力。擠壓、研磨(擠壓+剪切)的作用方式是微粉碎的較好方式,而且能量利用率高、新生表面積大。擠壓、研磨的作用力方式使顆粒表層剝落,產(chǎn)生不完全粉碎,顆粒越小,受擠壓、研磨的表面積越大,而且擠壓、研磨還能克服微粒之間的物理化學(xué)力以及粘附、聚結(jié)現(xiàn)象。

2 國(guó)內(nèi)外超細(xì)攪拌研磨的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外

超細(xì)攪拌磨機(jī)是隨著現(xiàn)代材料科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展起來(lái)的。國(guó)外已有專業(yè)制造廠家和許多先進(jìn)的設(shè)備，如美國(guó)聯(lián)合工業(yè)礦物公司(Uinon process Inc.)、日本細(xì)川公司(HOSOKAWA)、德國(guó)的耐馳公司(NETZSCH)、德國(guó)道萊士(Drais)公司和美國(guó)美卓(Metso)礦機(jī)公司等生產(chǎn)的超細(xì)攪拌磨機(jī)成套設(shè)備。

早期的攪拌磨如圖1所示[9]，最初是用于浮選之前清理礦物表面。它由安裝在一個(gè)立式圓筒內(nèi)的轉(zhuǎn)子和定子組成，由轉(zhuǎn)子和定子之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生顆粒之間的磨擦來(lái)清理礦物表面，在定子上端裝有冷卻水管，以散發(fā)機(jī)體內(nèi)的熱量，該裝置是一臺(tái)很有效的細(xì)磨設(shè)備。之后美國(guó)礦山局對(duì)該機(jī)進(jìn)行了大量的細(xì)磨開發(fā)研究，并用來(lái)大規(guī)模加工高嶺土和鈦白粉。

圖1 早期攪拌磨

扎格瓦瑞磨如圖2所示。該磨機(jī)采用了由細(xì)長(zhǎng)鐵棒組成的攪拌器，并在機(jī)體外裝有冷卻水套，粉碎是在垂直的圓筒形容器中進(jìn)行。給料粒度為40～1000μm。典型的產(chǎn)品粒度為10～20μm。磨礦介質(zhì)材料包括不銹鋼、鎢碳鋼、陶瓷等，尺寸從3～6mm不等。

圖2 扎格瓦瑞磨

塔式磨機(jī)(立式磨機(jī))是一種垂直安裝、帶有螺旋攪拌裝置的細(xì)磨設(shè)備(見圖3)。給礦粒度通常小于3mm，由底部泵入，物料經(jīng)筒體內(nèi)介質(zhì)研磨后，合格的產(chǎn)品從磨機(jī)的頂部溢出，在排礦口下端安裝有內(nèi)部分級(jí)機(jī)，將粗粒物料返回磨機(jī)進(jìn)行再磨。塔磨機(jī)的最大給礦粒度為6mm，產(chǎn)品粒度74～20μm。目前，國(guó)外最大的塔磨機(jī)安裝功率1125kW，處理能力超過100t/h。

圖3 塔式磨

艾薩磨機(jī)(ISAMILL)，如圖4所示，是由澳大利亞的Mountlsa礦和NETZSCH公司發(fā)明的一種細(xì)磨設(shè)備，用于該礦的鉛鋅分離。該種磨機(jī)采用水平高速攪動(dòng)研磨原理來(lái)使礦物解理，其產(chǎn)品粒度d80可達(dá)7μm。艾薩磨機(jī)的功率強(qiáng)度很大，使用的磨礦介質(zhì)為陶瓷、河沙、爐渣等。M·高等[10]對(duì)磨腔凈容積為3000L，額定電機(jī)功率為1120kW的設(shè)備采用了新的產(chǎn)品分離器設(shè)計(jì)的Isa磨機(jī)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn) Isa磨機(jī)可非常靈活地將120μm的粗物料磨至5μm甚至更細(xì)。

圖4 ISAMILL磨機(jī)

MaxxMill磨機(jī)如圖5所示[11]，是由德國(guó)愛立許公司生產(chǎn)制造的。該磨機(jī)主要由轉(zhuǎn)鼓、攪拌裝置、入料導(dǎo)流管，出料裝置組成。研磨介質(zhì)可以是鋼珠、玻璃球或陶瓷珠，磨介尺寸在3～10mm，填充率為80%。物料從桶壁上的管道進(jìn)入，經(jīng)粉碎后，細(xì)物料被排出筒體，大部分的磨介由于自重不會(huì)排出筒體，但是對(duì)于粘度高的入料，需要利用篩子來(lái)返回磨介。當(dāng)入料粒度小于5mm時(shí)，該設(shè)備粉碎效果最好，對(duì)粗粒的物料有很好的粉碎效果，可用于粉碎陶瓷，石灰石，石英等。

圖5 MaxxMill磨機(jī)

2.2 國(guó)內(nèi)

我國(guó)超細(xì)攪拌磨機(jī)的研制開始于20世紀(jì)70年代初，到目前為止，已有30年的發(fā)展歷程，取得了較大的進(jìn)步。重慶化工機(jī)械廠研制出我國(guó)第一臺(tái)砂磨機(jī)(Sand mill)，也稱高速攪拌磨機(jī)，應(yīng)用涂料、染料、油墨及顏料等工業(yè)。在吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，相繼開發(fā)了臥式砂磨機(jī)、雙筒砂磨機(jī)、窄隙砂磨機(jī)和密閉型砂磨機(jī)等設(shè)備，其立式砂磨機(jī)有50、80、120、300、500L。80年代初長(zhǎng)沙礦冶研究院和秦皇島黑色冶金設(shè)計(jì)研究院相繼開發(fā)了JM-600、JM-1000和MQL-500型立式螺旋攪拌磨機(jī)(塔式磨機(jī))。90年代中期中科院金屬所開發(fā)出塔式磨浸機(jī)，已成功地應(yīng)用于金礦再磨作業(yè)，取得了較好的成績(jī)。在開發(fā)塔式磨機(jī)的同時(shí)，長(zhǎng)沙礦冶研究院、鄭州東方機(jī)器廠等開發(fā)研制成功了超細(xì)棒式攪拌磨機(jī)，最近幾年，制造廠家增多，但進(jìn)展不大。隨著國(guó)內(nèi)重質(zhì)碳酸鈣、高嶺土等非金屬礦行業(yè)的發(fā)展和需求，蘇州非金屬礦工業(yè)設(shè)計(jì)研究院聯(lián)合江蘇一些制造廠家研制了BP80、BP300、BP500型剝片機(jī)(高速盤式攪拌磨機(jī))，成功地用于高嶺土、重鈣、膨潤(rùn)土等行業(yè)。

張國(guó)旺等[12]研制出了3600L大型立式超細(xì)攪拌磨機(jī)，用其生產(chǎn)亞微米超細(xì)重質(zhì)碳酸鈣，產(chǎn)品細(xì)度-2μm 含量大于68%，處理能力4.6 t/h(固含量72%，按漿料計(jì))時(shí)，能耗小于45kW·h/t；產(chǎn)品細(xì)度-2μm 含量大于90%，處理能力2.1t/h(固含量72%，按漿料計(jì))時(shí)，能耗小于100kW·h/t。用于生產(chǎn)亞微米超細(xì)硫酸鋇，處理能力 3.6～4t/h(漿料，固含量80%)時(shí)，產(chǎn)品粒度-2μm大于90%；用于煤系高嶺土的超細(xì)剝片，給料-325目≥97%，濕磨后-2μm≥90%～95%。處理能力1.3～1.5t/h,固含量42%～46%。

吳建明等[13]研發(fā)了GJ5×2大型雙槽高強(qiáng)度攪拌磨機(jī)。該設(shè)備采用了獨(dú)特的雙槽結(jié)構(gòu)，降低了整體高度解決了操作維修困難的問題。槽體斷面采用方斷面，較六邊形或八邊形斷面產(chǎn)生的紊流更強(qiáng)烈，有利于提高攪拌磨效率，加工也較容易。攪拌裝置采用了獨(dú)特的雙葉輪形式，不僅能使介質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的徑向運(yùn)動(dòng)，而且還會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的軸向運(yùn)動(dòng)。采用了獨(dú)特的壓縮空氣啟動(dòng)方式。在山西朔州某高嶺土公司的應(yīng)用表明，給料粒度-45μm時(shí)，產(chǎn)品粒度可以達(dá)到-2μm含量85%～88%，生產(chǎn)能力為1.5t/h左右。

高春武等[14]2007年成功開發(fā)了Ф0.4×2.86臥式攪拌磨，該設(shè)備的額定產(chǎn)量為300kg/h，研磨筒直徑為0.4m，長(zhǎng)度為2.86m，進(jìn)出料口均配置蓖板，研磨介質(zhì)由Ф25mm、Ф30mm、Ф35mm等三種球形介質(zhì)按一定配比組合而成，有4 個(gè)工作區(qū)域，每個(gè)區(qū)域均盛裝一定配比的等量研磨介質(zhì)。該設(shè)備主要為紙面石膏板生產(chǎn)中通過超細(xì)粉磨原料，以達(dá)到優(yōu)化工藝、減少促凝劑用量、降低能耗等作用。

王清華等[15]開發(fā)了1500L大型攪拌研磨設(shè)備。該設(shè)備電機(jī)動(dòng)力為132kW，配套設(shè)備動(dòng)力30kW；占地40m2，高8m；設(shè)備的處理能力可達(dá)150～1500kg/h。粉磨滑石和重質(zhì)碳酸鈣的平均細(xì)度可達(dá)亞微米級(jí)。該設(shè)備的工作原理是原料與粉碎介質(zhì)分別從頂部給入，在轉(zhuǎn)子攪拌混合下將原料研磨粉碎；被粉碎的產(chǎn)品與介質(zhì)同時(shí)向下移動(dòng)并從磨機(jī)底部向外排出。在磨機(jī)的底部將粉料和介質(zhì)分開后，物料送入超細(xì)分級(jí)機(jī)進(jìn)行分級(jí)處理；細(xì)粉作為產(chǎn)品用除塵器捕集，粗粉送回磨機(jī)再磨。介質(zhì)循環(huán)使用，以便將磨機(jī)內(nèi)熱量帶出。對(duì)生產(chǎn)超細(xì)粉來(lái)說，原料的最大粒徑小于300μm，最好是40～100μm。粉碎介質(zhì)主要采用陶瓷球和鋼球。為獲得高純產(chǎn)品，磨機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子均采用耐磨材料或表面包層。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著造紙、塑料、橡膠、涂料、陶瓷等相關(guān)工業(yè)部門產(chǎn)量的迅速增長(zhǎng)以及對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，非金屬礦業(yè)正在向大型化、現(xiàn)代化生產(chǎn)發(fā)展，因此需要一種高效、實(shí)用、能耗省且價(jià)格適中的大處理量、窄粒亞微米級(jí)超細(xì)攪拌磨機(jī)。

今后超細(xì)攪拌磨機(jī)的研究重點(diǎn)和發(fā)展方向?qū)⒅饕性谝韵聨讉€(gè)方面：①大型超細(xì)攪拌磨機(jī)生產(chǎn)亞微米粉體或漿料(例如：重質(zhì)碳酸鈣、高嶺土、硫酸鋇)；②離心超細(xì)攪拌磨機(jī)生產(chǎn)納米涂料、油墨及顏料；③窄粒級(jí)超細(xì)低污染攪拌磨機(jī)的研究，應(yīng)用于新材料開發(fā)；④大型礦業(yè)用攪拌磨機(jī)應(yīng)用于礦物加工(例如金礦、鉛鋅礦、鐵礦和鑰礦等)的再磨作業(yè)；⑤加強(qiáng)超細(xì)攪拌磨機(jī)粉磨機(jī)理研究，開發(fā)新型高效超細(xì)攪拌磨機(jī)適應(yīng)不同礦物粉體材料制備；⑥在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上發(fā)展人工智能技術(shù)，根據(jù)原料特點(diǎn)和產(chǎn)品要求自動(dòng)優(yōu)化磨機(jī)操作參數(shù)。

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