非金属矿超细深加工技术发展现状及趋势

来源：中国数控机床网

非金属矿超细深加工技术的重要性随着科学技术的发展，各工业部门对新材料及各种工业原料的要求越来越高，粉体技术作为一个生产环节，早已应用于各工业部门，而非金属矿超细深加工技术是与现代高科技和新材料的发展密切相关的，在工业发达国家已愈来愈显示出其强大的生命力，首先非金属矿超细深加工与现代许多技术及新材料产业密切相关。例如，具有特殊功能（电、磁、声、光、热、化学、力学、生物等）的高技术陶瓷是近十年来迅速发展的新材料，被称之为继金属材料和高分子材料后的第三大材料。在制备高性能陶瓷材料时，非金属矿物原料越纯，粒度越细，材料的致密性越好，强度和韧性越高，一般要求原料的粒度小于1μ甚至0.1μm.如果原料细度能到纳米级，则制备的陶瓷称为纳米陶瓷，性能更加优异，是当今陶瓷材料发展的最高境界。因此，非金属矿加工技术是高技术陶瓷发展的关键，只有发展了非金属矿物的高纯加工技术和超细粉体加工制备技术才有高技术陶瓷材料的迅速发展。 

　　再如，显像管是现代微电子、信息产业的重要器件，显像管用的氧化铝微粉平均粒径一般为1.5μm～5.5μm；黑底石墨乳粒径要小于1μm，管颈石墨乳小于4μm，销钉及锥体石墨乳小于10μm；现代重要信息材料的复印粉及打印墨粉要求粒径达到微米级；光纤及压电材料的石英粉要求纯度达到99.999%，杂质含量要求为PPM级；现代高档纸张用的高岭土和碳酸钙涂料要求白度达到90以上，细度-2μm含量超过90%.显然，没有非金属矿超细深加工技术的发展，现代微电子及信息技术的发展将被延缓。复合材料的重要组分之一是无机非金属矿物填料，包括碳酸钙、高岭土、滑石、云母、硅灰石、石英、氧化铝、氧化镁、碳黑等，这些非金属矿物填料的粒度越细、与有机基质的相容性越好，复合材料的综合性能就越好。解决超细问题要依靠超细粉碎技术，而解决与有机基质的相容性问题要依赖一种新的非金属矿深加工技术——矿物表面改性。其他如特种涂料、高级磨料、催化剂载体、吸附材料等要求非金属矿物原料纯度高、粒度细或粒度分布较窄且表面活性好。因此，必须要对其进行提纯、粉碎和分级以及表面改性等加工。其次非金属超细深加工技术与传统产业的技术进步或技术改造密切相关。例如，造纸工业从普通纸张到涂布纸及其他高级纸品的技术进步需要高纯、超细和高白度的高岭土、碳酸钙、滑石等非金属矿物涂料；冶金工业的技术进步要求高品位及一定粒度级配的高铝非金属矿物（硅线石、红柱石、兰晶石等）耐火材料及镁（菱镁矿）碳（石墨）复合材料；高分子材料的技术进步需要相容性好而且具有增强作用的非金属矿物填料，如碳酸钙、高岭土、滑石、硅灰石、云母、石英、长石等。因此，为满足传统产业的技术进步或技术改造对非金属矿产品的技术要求，要对非金属矿进行提纯、超细粉碎和表面改性等加工。

　　还有非金属矿超细深加工技术还与当代环保技术及其产业相关，许多非金属矿物，如凹凸棒石、海泡石、沸石、硅藻土、膨润土、蛋白土、珍珠岩等经过除杂提纯、活化处理、粉碎分级、成型造粒等加工后具有较高的活性和选择性吸附的特性，可广泛应用于处理废水、废气、废物及有毒物质，成为独特的绿色环保产品。由于现代产业发展到对非金属矿物原（材）料要求的提高是非金属超细深加工利用技术发展的原动力；同时，现代科技革命和产业发展提高了非金属矿超细深加工业自动控制、质量检测的技术水平。微型计算机的发展推进了非金属矿超细深加工业的自动化控制水平和产品质量的提高，使超细深加工产品的性能及质量检测手段更加可靠。新材料产业的发展使非金属超细深加工设备的耐磨性、能量利用率及其综合性能大大提高；碳化硅、刚玉、陶瓷、高聚物基复合材料等高硬耐磨内衬材料使磨机及分级机的内衬使用寿命大大延长；不锈钢以及高聚物基复合材料使设备的防酸碱腐蚀和防氧化性能提高。正是现代科技革命和高技术新材料产业的发展以及传统产业的技术进步、环境保护、节能等对非金属矿产品数量的增加和质量要求的提高，推动了现代非金属超细深加工技术的发展。

　　非金属矿物作为一种新型的功能材料与金属矿产和燃料矿产不同，它涉及面广且种类繁多，已被人们认识达180余种，现开发利用的就达80多种，它们的应用价值不仅与矿物种类和纯度有关，而且还与其矿物颗粒的细度、级配、颗粒形状（晶体形态）以及颗粒的表面性能有关，而作为功能材料的非金属矿物，大多数情况下必须经过超细粉碎后，才能充分发挥其功能作用和满足各个应用领域的要求。

　　非金属矿物的超细粉碎、精密分级、晶体保护和表面改性等是非金属矿深加工的技术关键。多年来，一直是国内外研究的热点，由于非金属矿物大多为低附加值矿物，经超细粉碎后的非金属矿产品都有较大的增值，一般可提高4～30倍左右，不仅经济效益十分可观，而且大大提高了矿物的应用价值和应用范围。我国的非金属矿产资源极为丰富，很多矿种的质量和储量均居世界前列，因此，持续、稳定地发展非金属矿超细深加工技术将会前景无限。

　　国外超细深加工技术发展现状超细粉碎的粒度界限如何划分目前尚无定论，习惯上将0.1～10μm的颗粒称为超微细颗粒。迄今为止的超细粉碎方法主要是机械粉碎，即物理法，这种方法制造的超细颗粒的产量大、成本低、工艺简单，而且由于粉碎过程中的机械化学效应，可提高粉体的活性。国外从上世纪40年代起开始这方面的研究，进入上世纪80年代这项技术已日趋成熟。目前，国外使用的超细粉碎与分级设备主要有以下几种类型。

　　超细粉碎设备

　　（1）高速冲击式磨机是指利用围绕水平或垂直轴高速成旋转的回转体（转子、打击锤、叶片等），对被粉碎物料加以强烈的冲击，并使其与固定体或其他的旋转体进行二次冲击，以较强大的力量进行粉碎的机械。与其他型式的粉碎机相比，具有单位功率粉碎能力大，易于调节粉碎粒度（常带内分级装置），应用范围广，机械安装占地面积小，且可进行连续运转等优点。但是，由于机件的高速运转，不可避免地产生磨损问题，因而不适用于处理硬度太大的物质。

　　日本细川公司生产的高速冲击式超细粉碎磨机在目前属于一种国际先进的设备，已广泛应用于非金属矿的超细磨矿，可将8μm以下的物料经过一次粉碎就能生产10μm通过率达70%以上的微细产品。这种粉碎机的最大特点是在粉碎室中设有杂物及粗颗粒自动连续排出装置，有利于提高产品质量和稳定产品粒度。该种设备国内已有引进，现广泛应用于滑石、粘土、重晶石、碳酸钙、云母、叶蜡石及石墨等非金属矿的超细粉碎。

　　此外，法国乌尔特拉芬公司生产的微粒粉磨机，美国P.M.公司生产的喷射粉磨机也已广泛应用于非金属矿的超细粉碎。

　　（2）气流磨气流磨是利用高速气流（300～500m/s）或过热蒸气（300～400℃的能量使颗粒相互产生碰撞和摩擦，从而导致矿物的粉碎。它是一种较成熟的超细磨矿技术，已广泛应用于化工原料及非金属矿的超细粉碎，产品细度一般可达1～5μm.此外，气流粉碎的产品具有粒度分布均匀，颗粒表面光滑、颗粒形状接近球形、纯度高、活性大、分散性好等优点。但是，由于这种设备投资大，附属设备多，因而不适合中小型企业和矿山。

　　原德国Alpine公司研制的流态化逆向喷射（AFG）与其他气流磨相比更为先进。它是将逆向喷射原理与流态化床中的膨胀气体喷射流相结合进行超细磨矿。由于这种设备采用了流态化床原理以及内设平卧式涡轮超细分级器，与其他类型的气流磨相比可节约能量30%～40%；设备磨损较轻，可用于粉碎高硬度物料；设备运转全部自动化，进料中及从分离器分离出的颗粒不用向外排出。AFG流态化床逆向喷射磨应用范围广泛，除非金属矿物如滑石、云母、膨润土、硅灰石、石英外，其他化工原料、热敏性物质、高硬度耐磨材料等的超细磨矿均可采用，国内有引进机型。另外，日本风动工业株式会社生产的气动射流磨机（简称P.J.M），美国斯特蒂文特公司生产的Micronlzer扁平式气流磨，美国特罗斯特气流粉碎机公司生产的Wa-jacJet.Pulverizer型气流磨也都已广泛应用于矿物的超细粉碎。

　　（3）搅拌磨搅拌磨主要由一个静止的外壳和一个高速旋转的搅拌器组成。磨矿室中充填小直径的磨矿介质，主要通过搅拌器搅动磨矿介质产生冲击、摩擦和剪切作用使物料粉碎。这种磨通常分为干式磨和湿式磨两类，主要有TRZK干式搅拌磨，NRZK湿式搅拌磨、塔式磨、涡轮磨等。这种磨机一般用于湿磨，而且磨机给料细度要求很小，国外已广泛应用于各种物料的超细磨矿中。

　　（4）胶体磨胶体磨又称分散磨，它是使液流及细颗粒以高速进入机内窄小的空隙，利用液流产生的强大剪切力（液流剪切作用）使聚合体或颗粒粉碎并分散于液相中以及将液体分散为粒度约1μm液滴的超细磨矿与分散设备。主要由一个快速旋转盘和一个固定盘（或机壳）组成，中间预留一定的间隙从而进行粉碎。美国More-Bouse-Cowles公司生产的胶体磨已用于化工原料及非金属矿的细磨及分散。

　　（5）振动磨振动磨一般由给料装置、起振装置、磨矿装置（装有原料和粉碎介质的圆筒）、装有不平衡重块的传动装置以及冷却装置和电机等组成。圆筒由电机带动做一个近似椭圆轨迹的快速振动，实现物料的超细磨矿。振动磨中由于介质充填率高达80%，因而对矿石的处理量就小。此外，工业生产中的振动磨对机械零件的要求都很高。

　　分级设备在超细粉碎技术中，物料的分级具有与超细粉碎同等重要的地位。目前，微粒的分级主要是利用离心力和惯性力的原理采用气力分级。气力分级方法又可分为利用高速转子离心力而进行分级的方法和无转子的气力分级方法。已应用的分级机主要包括以下几种。

　　（1）涡轮式分级机它的结构为准备分级物为产气流经涡轮式分级机的给料管，进入分级机内，经过锥形体而进入分级区。通过涡轮的旋转对物料进行分级，涡轮的转速是可调的，以改变分级粒度。该分级机的分级粒度范围较广，为0.005～0.1mm.（2）“Microplex”气流分级机这种分级机利用离心力场进行分级。物料由进料口进入分级室，气流由空气入口进入可调导板的外侧，穿过导板后形成涡流；在离心力和空气粘滞力的作用下物料进行分级。粗粒级物料由螺旋运输机排出，细粒级物料由风机送入循环室。该分级机的分级粒度范围为2～40μm.这种设备的缺点是容易在可调导板之间产生堵塞，引起风量波动，降低分级的精度。

　　（3）“Turboplex”ATP型超微细分级机这种设备是原德国Alpine公司研制的新型涡轮式超细分级机。这种分级机有上部给料和物料与空气一起从分级机下部给入式两种装置，单轮式和多轮式两种型式。ATP型超微细气流分级机具有分级粒度细、精度较高、结构较紧凑、磨机较轻及处理量大等优点。一般作为配套设备装备于Alpine公司生产的流态化逆向喷射磨系统。国外利用惯性力场进行气力分级的分级机主要有射流分级机和Virtual-Im鄄pacter分级机等。

　　国内超细深加工技术现状国内超细粉碎起步较晚，于上世纪80年代初期开始。主要靠引进国外先进设备和技术为主，开始几年引进了各种类型的气流磨、高速冲击式粉碎机、搅拌磨、振动磨和相应的粉碎、分级技术。国内很多研究院所、大专院校、工矿企业以消化吸收为主进行了大量的研究和部分仿制工作，并取得了很大的成绩。但总的来说，国内研制的微细粉碎机种类不多，生产能力不大，设备的性能和生产的产品质量还达不到发达国家的先进水平。目前，研制投入市场超细粉碎机及分级设备主要有：

　　（1）气流磨国内的气流磨生产厂家主要分布在上海、绵阳、宜兴、长沙、合肥、青州、沈阳、北京、武汉及梨树等地，生产机型比较全，产品已形成一定的系列，在防磨损方面也取得了较大进展，如金刚石内衬气流磨。另外，世界上较新的机型——流化床气流磨的生产厂家比较多，这是我国气流磨制造业的一个显著特点。但是，部分厂家由于种种原因只生产一种机型和1～2个品种，年销量也很小。从介质来说，国内目前基本上都是采用空气，尚未见采用过热蒸气的系统。此外，设备的材质、加工精度等与国外高质量同类设备相比也不同程度地存在一些差距。

　　（2）高速冲击式超细粉碎机机械冲击式超细粉碎设备是我国近几年发展较快的超细粉碎设备之一。部分国产设备在性能方面与国外同类设备相近，甚至还有其新特点。这种超细粉碎设备虽然总体来说，产品细度不如气流磨，但具有工艺简单、投资少、能耗低、粉碎比大等特点，比较适合一些附加值不高的中低硬度非金属矿物的超细粉碎（生产1000目±的产品）。近年来，这类设备在非金属矿物加工行业的销售量逞强劲增长势头。

　　在这方面，咸阳非金属矿研究设计院重用一批经验丰富的采、选、非矿深加工制品研究、机械设计、计算机、化工等方面的专家。并多次派专业技术人员到国外进行专业考察和培训，及时掌握和跟踪国内外该领域内的最新技术和发展动向，完成了国家重点企业技术开发项目“冲击式气流粉碎机”、国家“八五”科技攻关项目“QF-5、QF-300型空气分级机研制”、国家“八五”科技攻关滚动项目“冲击式超细粉碎与分级机成套设备研制”。在冲击式干法超细粉碎和分级方面取得重大突破性进展，并采用全部国产材料，采用模拟放大理论和工艺技术，制造生产出了CXF-31型、CXF-41型、CXF-51型、CXF-61型系列成套设备各项技术指标均达到或超过国际先进水平，目前已在国内销出200余套，销往东南亚和非洲10余套。并在院内建成既能供用户看样订货，又能承担矿物来料超细加工，集参观考察、生产示范、试验研究、深度开发为一体的“科技示范线”。

　　（3）搅拌磨我国搅拌磨机的生产起步较晚。国产湿式搅拌磨、剥片机已经在高岭土、方解石、锆英砂（石）等的超细加工中得到应用，效果良好。在高岭土及方解石的超细加工中实现了产品中-2μm达90%以上，可获得高品质造纸涂料及涂料颜料级产品。与湿式搅拌磨相比，干式搅拌磨可以减少后续脱水和干燥作业，简化工艺和降低生产成本，因而是一种应用前景看好的设备。其中国产大型搅拌磨在涂料级重质碳酸钙和高岭土的超细加工生产过程中，单机生产能力已达到2t/h（d90<2um）以上。目前，国内生产搅拌磨的厂家主要分布在长沙、郑州、鲁南、江阴、北京等地。总的来说，国产搅拌磨还存在品种规格少、综合配套性能较差等问题，因而使其适用性受到一定限制。

　　（4）振动磨是一种效率较高的超细粉碎设备，虽然国内有一些生产厂家，但由于多数机型采用钢衬板和以钢棒作磨矿介质，因而难以广泛用于非金属矿的超细粉碎。近几年，在研制生产适用于超细粉碎的振动磨方面，我国也有一些进展。如某公司产设备给料-100目，经过20h的研磨，-4μm产品达95%，中粒粒径达0.49μm.国内生产振动磨的厂家主要分布在温州、江都、新乡、烟台等地。但总的来说，我国超细振动磨与工业发达的日本、德国等相比还有一定差距。在品种规格、衬板、介质以及工艺配套等方面还要做很多工作，才能使这种设备满足不同物料的超细粉碎加工要求。

　　（5）其他传统型磨机，如球磨机，棒磨机，辊磨机，塔磨机，柱磨机等在非金属矿超细深加工方面都有应用。特别是把球磨机与大处理量分级设备配合使用于重质碳酸钙的干法生产中，可使单机产量5~7t/h（d97=5-45um）。

　　发展与展望

　　（1）提高现有设备的性能，增加品种型号，逐渐实现系列化、成套化和标准化。国内现有超细粉碎设备和分级设备的机型不少，但是还普遍存在同一机型品种规格少、系列化程度不高等不足，给用户选型带来不便。因此研制生产能力从小到大，能满足不同性质物料和不同细度、不同产品质量要求的定型的和成套的系列设备应为今后研发的重点。

　　（2）实施非金属矿粉体深加工与表面改性为一体的设备一体化工艺创新技术，在现有成果的基础上进行具体条件优化，实现大工业化生产应用，优先开发绿色环保功能材料和尖端国防材料。

　　（3）研究效率高，能耗低，粉体比大，适用于范围广的非金属矿粉体深加工工程技术及装备，重点研究干、湿法超细粉磨及分级、集料、脱水、干燥、煅烧、工艺技术。加大粉体深加工工程技术与其他相关学科交叉性研究的力度。拓宽非金属矿粉体深加工技术及装备的应用范围。

　　（4）提高设备机械化与自动化技术水平，增进加工过程智能化控制水平，重点研制和应用在线快速监测技术和仪器。

　　（5）尽快制定相应的超细粉碎和分级设备的行业或国家标准。