超细粉碎机的发展趋势

本文综述了非金属矿超细粉碎技术和设备的发展现状,指出了目前存在的问题和发展方向。

非金属矿与金属矿、燃料矿一起被称为材料工业的三大支柱。非金属矿工业的发展状况是衡量国家科技进步以及工业发达程度的重要标志之一,许多工业发达国家的非金属矿产值已超过金属矿。由于非金属矿产品独特的物理化学性质,非金属矿产品的应用领域几乎渗透到各个工业部门,并在整个国民经济中起着愈来愈重要的作用。非金属矿的利用取决于对其进行深加工的程度,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。因此,超细粉碎技术的发展就在一定程度上决定了非金属矿产品的合理开发和综合利用效果。经过几十年特别是近十年的研究开发,非金属矿工业取得了巨大的发展,其深加工技术不断完善,缩小了与工业发达国家的差距,基本上能满足自身行业和相关领域所需原料的质量要求。超细粉碎和分级技术已经能够按需求加工10～1μm的各类非金属矿物粉体原料。各类超细粉碎与精细分级设备大多都能生产,设备性能和配套工艺技术逐渐接近或达到国际先进水平,有些设备在结构性能方面还具有新的独到之处。矿物原料的制备技术已能为汽车、造纸、橡胶、塑料、机械、陶瓷、微电子、特种涂料、航空航天、复合材料等工业提供功能性非金属材料。

1 非金属矿超细粉碎的特点

我国非金属矿产品的开发利用始于50年代,到目前为止已经发现有经济价值的非金属矿产就达100多种,产地达5000余处[3]。作为重要的工业资源,非金属矿产量占矿物开采总量的70%[1]。非金属矿大部分经粉碎分级后直接用于农业、化工、造纸、塑料、橡胶和涂料等产品之中。由于非金属矿的种类繁多,根据其用途不同对粉碎产品的粒度分布、纯度等方面都提出各种不同的要求。因此,超细粉碎技术的发展必须适应其特定的要求。一般来讲,对非金属矿的要求有以下几点。

(1)细度。非金属矿产品的应用均要求一定的细度。如高岭土、重质碳酸钙作为造纸原料需要产品细度为-2μm占90%,白度>90%;高档油漆填料重质碳酸钙粉细度为1250目;硅酸锆作为陶瓷乳浊剂需要平均细度为0 5～1μm;硅灰石作为填料,也要求其细度<10μm等。

(2)纯度。非金属矿产品的纯度要求也是其主要指标之一。这意味着在粉碎过程中不得污染,应保持原有的成分。如果是白色的矿物还要求有一定的白度,如造纸用煅烧高岭土、滑石粉的白度要求≥90%，造纸涂料、填料以及高档油漆填料用重质碳酸钙的白度要求>90%等。

(3)粉体形状的特殊要求[4][5]。有些非金属矿产品对其形状提出了严格的形状要求,以适应不同需要。如复合材料增强用的硅灰石,其超细粉体要求尽量保持它原始的针状结晶状态,使硅灰石产品成为天然的短纤维增强材料,其长径比要求>8～10;湿法云母粉由于它的多层结构多被用做电介材料、高档珠光涂料、珠光油漆原料和珠光颜料,要求云母粉为片状,粉碎加工过程中应尽可能地保证所得颗粒的径厚比,其表面不能有太多的划伤,否则会影响它的光学效果,其径厚比>40～60;造纸涂布级高岭土希望在超细粉碎的同时保持片状矿物的特性,提高粉料的涂布遮盖能力。

2 非金属矿超细粉碎设备的发展现状

超细粉碎设备是其整体技术的关键。80年代以前我国超细粉碎设备生产厂家很少,所需产品主要靠进口设备加工或直接进口。80年代以后,通过引进、消化、吸收和组织技术攻关,开始研制和开发各类超细粉碎和精细分级设备。迄今为止,超细粉碎设备的生产厂家已达数十家之多,其设备性能也达到国际先进水平。近几年来,每年都有数十项专利问世。

机械冲击式超细粉碎设备在最近几年发展迅速,其部分性能指标已达到国外同类设备的水平,部分产品还独具新意。它具有投资少、能耗低、工艺布置简单、粉碎比大、适应性强等特点,比较适合于生产1000目以下的中低附加值的中等硬度非金属矿产品的深加工处理。因此,此类设备在非金属矿物加工中的应用呈现出一派兴旺发展势头,但品种还比较单一,材质的磨损问题仍困扰着设备制造厂商和广大的用户。关键是应当完善结构、进一步解决材质问题和加工精度。

气流磨国内生产厂家最多,机型也是所有超细粉碎设备中最为齐全的设备,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。由于它是干法生产,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,设备的折旧费高;能耗高,粉体加工成本太大,给粉体加工厂的经济效益带来负面影响,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10μm左右时效果最佳,在10μm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(产量均在1t/h以下),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,还很少使用过热蒸汽和惰性气体;设备的加工精度和材质的选择使用上还不如国外产品。

砂磨机在硬度较低的非金属加工中效果还可以,如重质碳酸钙的超细粉碎。但对硬度较高的非金属矿物(如锆英砂、磨料等)的粉碎效果不好,甚至无法胜任。搅拌磨是目前取得亚微米级产品的唯一可行设备。

搅拌磨虽起步较晚,但发展迅速,特别是近十年取得了巨大进展。国产湿式搅拌磨在非金属矿物的超细粉碎中得到了广泛应用,并取得了良好的效果。在高岭土和方解石的超细粉碎中实现了产品中-2μm达90%以上,可生产高品质造纸涂料、填料和涂料颜料、油墨颜料级产品。干式搅拌磨已研制成功,它可以减少后续脱水和干燥作业,从而简化工艺、降低成本,尽管其性能仍需进一步完善,但仍不失为一种应用前景良好的超细粉碎设备。总体来讲,搅拌磨的品种规格还较少,处理能力也较小,还有待于进一步改进和完善。 

振动磨作为一种超细粉碎设备,其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。过去多数机型采用钢制衬板和介质,使得其在非金属矿物加工中受到了一定的限制。经过近十年的研究开发,适用于非金属矿物超细加工的振动磨的研制取得了可喜的进展。如某单位生产的振动磨用于石墨的超细加工,给料粒度-100目,经20h的研磨后,其产品粒度95%小于4μm,粒径达0 49μm;某新型高效振动磨机的给料粒度可达-30mm,而产品90%达-15μm,产量400kg/h。但总体上与日本、德国相比还有一定的差距,在品种规格、衬板、介质以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15～2 0倍,最近又提出了偏心式振动磨;日本在振动磨的机械化学效应研究和开发方面,已成功地用于铁电材料(如钛酸镁)的开发以及氢氧基无机固体材料的脱水和非晶化工艺上,并取得了很好的效果。

随超细粉体技术的发展,对超细粉碎技术提出了更高的要求,即在满足产品粒度要求的前提下,尽可能提高粉碎效率。因此,近十几年来出现了多种形式的新型超细粉碎设备。

(1)高速行星式辊轮磨机———Szego磨。它最初是由加拿大为磨碎油菜籽以提高菜籽油的浸出率而开发的,由于它表现出的优异性能而在其它领域得到了广泛应用。我国某单位与其合作对Szego磨进行了开发研究与推广工作,其中用SM2201型Szego磨对云母进行了干磨和湿磨的研究。研究表明经过多次研磨,云母的粒度可达10μm或更细,物料在Szego磨内的停留时间很短,一般只有5～10s。平均粒径为15μm时的能耗为80kW/h;平均粒径为44μm时,能耗为50±20kW/h;湿磨时可得到20～60径厚比的合格产品。

(2)射流粉碎与分级设备。它是根据空气动力学原理和多相流理论设计和研制的最新一代气流粉碎机,它是将干燥无油的压缩空气加速成超音速气流。该气流携带物料作高速运动,使物料相互碰撞、摩擦而粉碎,达到粒度要求的物料通过分级器由收集器搜集;未达到粒度要求的物料由分级器返回到粉碎室继续粉碎;对于易氧化物料,可采用惰性气体进行粉碎与分级。该粉碎机分级精度高,粒度细而分布窄,产量大,产品平均粒度D50在10～20μm范围内任意可调,产品最大粒度可控制在+4μm范围内,可粉碎莫氏硬度1～10的物料,产品纯度高,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。用JFC300生产超细方解石粉时的粒度为D50=1.15μm、D90=1.64μm、D100<3μm。

3 非金属矿超细粉碎加工设备与工艺的选择 

由于非金属矿品种繁多,加工工艺更是五花八门,在此仅就几种非金属矿物的加工设备与工艺的现状加以简述。

3 1 加工设备的选择

(1)高岭土。高岭土的超细与剥片是相关连的,剥片的目的是超细。反之,超细又能达到剥片的目的。在粉碎工艺上应尽量选择剥片原理的粉碎方式和设备,从粉碎机理上来说强化外力对高岭土颗粒的强力剪切,在超细粉碎的同时保持片状矿物的特性。高岭土超细是为了改变颗粒表面的物理和光学性能,借助物理的、化学的和机械学的方法,使其剥裂为50～1μm或更小的颗粒,并使<5μm的占绝大多数。超微细高岭土既是一种优良的造纸涂料,又为改性复合提供了合格原料。能生产微细粒级的粉碎设备主要有:各类球磨机、机械高速旋转冲击剪切式粉碎机、气流粉碎机、搅拌磨。

(2)重质碳酸钙。它的硬度较低,加工过程中要求有较高的白度。在众多的粉碎设备中,几乎都可以用于重质碳酸钙的生产。由于其用量大、单位重量的售价偏低,如何无污染、低成本地达到加工目的是设备和工艺选择的重要问题。目前被大家所接受的是雷蒙磨和球磨机或振动磨与分级机结合的冲击加超细研磨的方式。这种方式得到的粉体中细粉含量较高,有利于用做橡胶和塑料的填料。用于造纸涂布级的超细重质碳酸钙,其原始结晶多为立方多面体,为了达到超细粉碎的目的。则需要强化矿物颗粒的体积粉碎和表面的研磨。近年来,采用剥片机进行湿式超细粉碎的较多,发展较快。

(3)锆英砂。它的主要成分为硅酸锆,原料中常含有铁、钛等杂质。它的性质稳定,耐磨,其微粉作为陶瓷行业釉料的乳浊剂,具有遮盖力强、乳浊效果好等特点,应用愈来愈广。然而,锆英砂的超细粉碎是一个耗能大、设备磨损严重、产品易污染的复杂过程。为实现低成本生产,必须综合分析加工工艺,优化设备组合,在能耗和其他消耗尽可能低的条件下产出高质量硅酸锆微粉。

目前用于锆英砂超细粉碎的设备有气流粉碎机、球磨机和搅拌磨,各类设备的性能差别较大。从多年的使用经验来看,气流粉碎机能耗太大,投资也高,从粉碎机理来说不太适合微米级超细粉碎过程。球磨机借助于球介质的冲击作用将大颗粒粉碎,适合于产品平均粒度在10μm左右的粗粉碎生产过程。为了高细度,对于平均粒径1～2μm左右的超细粉生产,尽量采用搅拌研磨的方式,以达到产品最细、能耗最小。为了保证产品的纯度,还需要配合酸洗等提纯工艺措施。针对现有生产锆英砂微粉的气流粉碎系统,可以进行工艺改造,达到提高细度和纯度、降低成本的目的。

针对锆英砂的粉碎特性和对产品的要求,采用湿式粗研磨机生产平均粒度在5～10μm的产品;然后用超细研磨机将其磨细到平均粒径1～2μm左右,这样能较好地发挥各类型设备的不同特点和长处,以较小的能耗获得最细的产品。选用批次粉磨作业,采用相应的工艺制度来保证产品粒度分布的均匀性和粉磨热量的散发;考虑到将粉磨过程对产品的污染降低到最低限度,选用聚氨酯弹性体为搅拌桶和搅拌棒的保护层,保证物料与金属物不接触;为了提高粉磨效率和降低产品浆料的粘度,适当添加有机外加剂(在干燥的高温中挥发,对产品无影响)。

为保证产品的质量,采用化学提纯的方式,来除掉原料加工过程带入的铁类杂质,使产品的纯度和白度提高。这意味着可用低档的锆英砂,生产高档的锆英砂微粉。无论那个国家的资源都是日益贫乏、品位低下,对产品进行提纯处理,是生产高品质产品的必由之路。因此选用此工艺条件,就可以用钢球来进行研磨,降低成本。

(4)硅灰石。用复合材料增强,在粉碎时应尽量保持它原始的针状结晶状态,使产品成为天然的短纤维增强材料。强力冲击式粉碎能够在矿物颗粒内部短时间形成较强的内应力,使颗粒内部沿着解理面形成裂纹最后分离成细小的针状颗粒。在选择粉碎设备时必须考虑到这一因素。

(5)云母。由于它的多层结构多被用做电介材料和珠光颜料,粉碎加工过程中应尽可能地保证所得颗粒的径厚比。作珠光颜料的云母粉体,其表面不能有太多的划伤,否则会影响它的光学效果。在粉碎设备的选择上应该尽量选用高压射流式粉碎机,利用颗粒内部层间的膨胀压力将颗粒剥离,达到预期的粉碎效果。

3 2 加工工艺的选择

(1)磨料微粉生产工艺。可用于加工微粉磨料的原料矿物主要有碳化硅、白刚玉、棕刚玉及石榴子石等。随着各行业加工技术精细化的发展和国际产业结构的调整,广泛应用于抛光行业的微粉磨料用量越来越大,出口量也逐年增加,微粉磨料的精细加工有广阔的发展前景。磨料加工的特点是物料坚硬、设备磨损大、粒度分布很窄。为防止将被抛光工件表面划伤,应严格控制成品中大颗粒的存在。

(2)湿法分级工艺。传统的微粉磨料生产主要采用球磨机粉磨和湿法分级工艺。这种工艺特点是投资小,工艺流程简单。粉碎过程一般采用批次研磨的方式。用控制时间的方法来控制粒度和粒度分布。分级的方法有旋流器方式、溢流冲洗法和沉降法。较大的颗粒的沉降速度较大,分级多采用溢流冲洗的方法。对于较细小的颗粒,沉降速度较低,分级多采用大容器自由沉降的方式。这一工艺过程中需要对颗粒进行良好的分散处理,才能保证其精度。这种做法的生产效率低、生产能力难于扩大、占地面积大、耗时耗水严重。然而,由于湿法分级可以在水中加入分散剂,液固界面的分散能力要比气固界面的分散能力强,湿法分级的分级效果一般优于干式分级。

(3)干式分级工艺。干式分级系统是由粉碎机和2台以上的分级机、收尘器和风机组成。粉碎机的产品在气流的挟带下进入第1台分级机进行分级处理,控制一定的上限粒级后,大于这一粒级的粗粉返回粉碎机再次进行粉碎;小于这一粒级的细小粉体进入第2台分级机分级控制一定的下限粒级。经过处理后的产品1和产品2即为窄粒级的磨料,过细的产品3由收尘器搜集。在这样的系统中,调整好粉碎机的粉碎能力、产品的粒度分布和分级后产品的粒度分布,减少过细粉体的生成量是很关键的,它决定了整个系统的效率。该工艺的特点是加工现代化程度高、处理量大、分级精度高等特点,适合于干法大批量生产微粉磨料。该工艺的缺点是当产品太细的情况下,由于气体的分散能力所限,分级效果明显变差。

4 非金属矿超细粉碎技术的发展方向

现代工程技术将需要越来越多的高纯超细粉体,超细粉碎技术在高新技术研究开发中将起着越来越重要的作用。高新技术产业与非金属矿物有着密切的联系,在未来非金属矿深加工技术开发和产业发展中要考虑高新技术及其产业的发展;现代非金属深加工技术与传统产业加工技术相互渗透,其发展必须考虑传统产业的技术改造和进步;为了更好地应用有限的非金属矿资源,必须考虑其综合利用问题。同时,在其开发利用及其深加工过程中还必须考虑人类的生存和可持续发展,注意环境保护。

未来非金属矿物原料或材料总的发展趋势是高纯、超细和功能化。以高纯超细非金属矿物深加工原料为龙头,综合开发利用各种非金属矿产。虽然可以通过化学合成法制备高纯超细粉体,但成本过高,至今未能用于工业化生产。获得超细粉体的主要手段仍然是机械粉碎方式,用机械方式制取超细粉体所依赖的超细粉碎与分级技术的难度不断增大,其研究深度永无止境。超细粉碎技术是多方面技术的综合,其发展也有赖于相关技术的进步,如高硬高韧耐磨构件的加工、高速轴承、亚微米级颗粒粒度分布测定等。因此,超细粉碎技术的发展应集中在以下几个方面。

(1)开发与超细粉碎设备相配套的精细分级设备及其它配套设备。超细粉碎与分级设备相结合的闭路工艺,可以提高生产效率,降低能耗,保证合格产品粒度。可以说,大处理量、高精度分级设备是超细粉碎技术发展的关键。要更多地从整个工艺系统的角度来进行研究与开发,在现有粉碎设备的基础上改进、配套和完善分级设备、产品输送设备等其它辅助工艺设备。

(2)提高效率,降低能耗,不断提高和改进超细粉碎设备。超细粉碎技术的关键是设备,因此,首先要开发新型超细粉碎设备及其相应的分级设备,后者似乎更为迫切。助磨剂和表面活性分散剂将应用于超细粉碎工艺中。

(3)设备与工艺研究开发一体化。超细粉碎与分级设备必须适应具体物料特性和产品指标,规格型号多样化,而不存在对任何物料都是高效万能的超细粉碎与分级设备。

(4)开发多功能超细粉碎和表面改性设备。如将超细粉碎和干燥等工序结合、超细粉碎与表面改性相结合、机械力化学原理与超细粉碎技术相结合,可以扩大超细粉碎技术的应用范围。借助于表面包覆、固态互溶现象,可制备一些具有独特性能的新材料。

(5)开发研究与超细粉碎技术相关粒度检测和控制技术。超细粉碎的粒度检测和控制技术,是实现超细粉体工业化连续生产的重要条件之一。粒度测试仪器与测定的控制技术,是与超细粉碎技术密切相关的,必须与这些领域的专家联合攻关。

超细粉碎在朝着纳米级方向进军,与此相关的低污染耐磨材料和纳米级粉体的分散及评价将成为巨大的技术障碍,在这方面的研究将会受到重视。

(6)重视超细粉碎基础理论的研究。基础理论的研究对于超细粉碎技术的开发和应用极为重要,它的最终目的是指导实践,生产出合乎要求的超细粉体。其内容包括微细粉体粒子的粒度与表面物理化学等特性;粉碎过程的描述;超细颗粒的粉碎特性和破坏过程;超细粉碎机最优工作参数和粉碎机理的研究;不同超细粉碎方法(或机械应力的施加方式),如冲击、研磨、摩擦、剪切、压碎、剥蚀等在不同粉碎环境中的能耗规律、粉碎效率、产品细度与能量利用率以及对粉碎物料的晶体结构和物理化学性能等的影响;粉碎物理化学环境以及助磨剂、分散剂等对产品细度、物化性能和粉碎效率的影响等。如,根据不同超细粉碎方法对物料晶体结构及物化性能的不同影响,结合物料的用途,选择合适的超细粉碎工艺和设备,避免因超细粉碎加工给物料的使用性能带来不利的影响,或利用超细粉碎加工技术对粉体物料进行选择性的机械激活;通过适度地添加助磨剂,有目的地改善超细粉碎的物理化学环境,以提高粉碎效率并降低能耗等。