超细磨技术研究现状与发展趋势.docx

超细粉碎技术研究现状与发展趋势Feigeoer摘要：超细粉碎技术在工业矿物深加工中占有重要的地位，相关应用领域对各类超细粉体产品需求量不断增大,超细粉碎技术急需提高。对目前超细粉碎技术的研究现状进行了分析，指出了今后超细粉碎技术的发展趋势。关键词：超细粉碎；气流磨；搅拌磨；振动磨；行星球磨机1 前言一般将加工粒径为0.110Um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。物料细化后,往往会出现许多新的优良性能。由于超细粉体粒度极细，比表面积大,且分布均匀，加之缺陷少，因而其表面活性高,化学反应速度快,溶解度大,烧结温度低且烧结体强度高,填充补强性能好，又具有独特的光、电、磁性能等,故被广泛应用于高档涂料、医药、高技术陶瓷、微电子及信息材料、高级耐火及保温材料、填料和新材料产业。因此,提高超细粉碎技术对现代高技术新材料产业的发展有着极其重要的意义。2 超细粉碎机理研究粉碎与单个材料的破坏不同，它是指对于集团的作用，即被粉碎的物料是粒度和形状不同的颗粒体的集团。诚然,该颗粒集团的粉碎总量与作用于它的能量大小有关。但是,粉碎还是以单个颗粒体的破碎为基础,其破碎的总和就是粉碎的总量。由于各个颗粒体在粉碎时所处的状态不同，要一一追求其各自的状态几乎是不可能的，因此,只能确定其近似的状态,这也就是确定粉碎理论困难的原因。由于物料粉碎至微米及亚微米级，与粗粉或细粉相比,超细粉碎产品的比表面积和比表面能显著增大，因而在超细粉碎过程中，随着粒度减小至微米级，微细颗粒之间互相团聚（形成二次颗粒或三次颗粒）的趋势增加,在一定的粉碎条件和粉碎环境下,经过一定的粉碎时间后，超细粉碎作业处于粉碎一团聚的动态平衡过程,在这种情况下,微细物料的粉碎速度趋于缓慢，即使延长粉碎时间（继续施加机械应力），物料的粒度也不再减小,甚至出现“变粗”的趋势。这是超细粉碎过程最主要的特点之一。超细粉碎过程出现这种粉碎一团聚平衡时的物料粒度称之为物料的“粉碎极限”。当然,物料的粉碎极限是相对的,它与机械力的施加方式（或粉碎机械的种类）和效率、粉碎方式、粉碎工艺、粉碎环境等因素有关。在相同的粉碎工艺条件下,不同种类物料的粉碎极限-般来说也是各不相同的。超细粉碎过程不仅仅是粒度减小的过程，同时还伴随着被粉碎物料晶体结构和物理化学性质程度不同的变化。这种变化对相对较粗的粉碎过程来说是微不足道的,但对于超细粉碎过程来说，由于粉碎时间较长,粉碎强度较大以及物料被粉碎至微米级或亚微米级，这些变化在某些粉碎工艺和条件下显著出现。这种因机械超细粉碎作用导致的被粉碎物料晶体结构和物理化学性质的变化称为粉碎过程机械化学效应。这种机械化学效应对被粉碎物料的应用性能产生一定程度的影响，目前,有关专家正在有目的地将其应用于粉体物料进行表面活化处理。3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、溶胶一凝胶法、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,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。3.1 高速机械冲击式磨机目前，国外冲击式磨机主要机型有日本细川公司的SUPer-Micron型超细粉磨机、德国Alpine公司的CirCoPIeX分级研磨机、美国P/.C公司的喷射粉磨机等，国内主要机型有咸阳非金属矿研究院和西安飞机制造公司联合研制的CM型系列超细粉磨机、清华大学和沈阳重型机械厂共同开发的CZM型分级研磨机。高速机械冲击式磨机是我国超细粉碎技术与设备研制开发成效最显著的领域之一。近几年来涌出了大量的这方面发明专利：立式高速离心超细粉碎机（中国实用新型专利CN2290402Y）、多功能超细微粉机（中国实用新型专利CN2230184Y）、旋风式无介质超细磨（中国实用新型专利CN2321522Y）、离心超细粉磨机（中国实用新型专利CN2274985Y）、湍流超细粉磨机（中国实用新型专利CN2247561Y）等。Circoplex分级研磨机（见图D是一种集粉碎、分级功能于一体的典型冲击式磨机,现在己被广泛应用于糖、合成树脂、可可、化工原料及非金属矿等中等硬度以下物料的超细粉碎中。其工作原理:原料由控制阀3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。龄料（一般情况）图1Circoplex分级研磨机Fig.1CircoplexgradeIappmgIInChine1.电机2.分级机3a控制阀5.粉碎机3.2 气流磨气流磨是一种技术较成熟的干式超细粉碎设备,它借助由喷嘴喷出的高速气流（300500m/s,013-019MPa）或热气流（300400C,0172MPa）的能量,使颗粒相互发生碰撞、剪切、摩擦,致使物料破碎。由于气流磨采用干法生产,从而省去了物料的脱水、烘干等工艺;其产品纯度高、活性大、分散性好,粒度细且分布较窄,颗粒表面光滑,所以气流磨在粉碎行业很受欢迎,广泛地应用于非金属矿、化工原料、颜料、磨料、保健药品等行业的超细粉碎中。但气流磨也存在一些不足之处：（D设备制造成本高,能耗大,加工成本较大；（2）单机处理能力较差（产量均小于1t/h）,不适合大规模生产；（3）产品粒度难以达到亚微米级。在IOHnI左右时效果最佳,在IOHm以下时产量大幅度下降,加工成本急剧上升。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-0-Mizer型循环管式气流（见图2）是目前应用最广的气流磨,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1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。目前，国内循环管式气流磨主要品种有上海化工机械三厂研制的QON75、QONlOO及宜新清新粉体机械有限公司开发的JOM系列,还有对喷式流化床超细气流粉碎机、QYF-720型流化床气流磨粉碎机。图2JetO-Mzer型循环管式气流磨Fig.2Jet-O-MZerCirdetUbIefluidRIIergymill1 .研磨喷嘴2.推料喷嘴3.导叶4出口管3.3 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可,湿式搅拌磨可以批量生产细度d972m的超细粉,产品细度最小可达IUrn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。世界上著名的搅拌磨机有美国联合工艺公司（UnionProCeSS）制造的S型及SC型系列搅拌磨;瑞典Matter&Partner公司制造的TRZK干式搅拌磨和NRZK湿式搅拌磨；瑞典UPST制造的DPM干式搅拌磨和TVPM湿式搅拌磨；日本塔式磨有限公司制造的塔式磨；德国耐驰精磨技术股份有限公司（NETZSeH）的LME卧式砂磨机;德国HOSOKAWAALPINE的ATR干式和湿式搅拌磨；法国BEFSTechnologyMPSPdepartmenl的干式和湿式搅拌磨；德国CObaIl-MiII的双锥砂磨机等。当今国外搅拌磨的技术发展水平主要体现在两个方面:一是配料（介质粒径配比、矿浆浓度等）和物料停留时间的自动控制；二是大型设备处理能力大,单位产品能耗和生产成本更低。国内搅拌磨生产厂家与科研机构经过不断摸索,在搅拌装置和磨机整体结构方面，当前取得了突破性进展,每年单与搅拌磨有关的新技术新工艺专利就达20%以上。如棒盘式搅拌磨（中国专利CN2249636Y）、塔式搅拌磨（中国专利CN2267858Y）、鼠笼转子搅拌磨（中国专利CN1203123A）的出现。其中，棒盘搅拌磨采用十字交叉排列的半椭圆型搅拌棒,起动力矩小、单位产品能耗低,已用于高岭土、重钙等非金属矿的湿式粉碎,产品细度（k=2um。塔式搅拌磨则采用固定在底端轴承座上的变径螺旋体作搅拌器,使搅拌在不同浓度、不同压力区间具有不同的工作状态,增强了介质与物料间的摩擦、冲击及剪切作用，从而提高研磨效率。鼠笼转子搅拌磨的鼠笼转子结构能使介质产生圆周运动、径向运动、轴向运动、高频振动等复杂运动，提高了分散作用。3.4 振动磨9/。振动磨是国内外广泛应用的机械粉碎法设备，其工作原理：利用研磨介质（球形或棒形）在作高频振动的筒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。国外振动磨主要机型有德国HUmboIdt公司的PaIIa型振动磨、美国AUisCHALMERS公司的CHLMERS型单筒式振动磨、日本的CH型及CKC型等。其中,最著名的是德国的PalIa型振动磨。该磨机的直径和长度分别达到200650nun和1300430Omm,电机最大功率为20Ok巩振动强度可达68g,是目前世界上应用较广的一种机型。德国柏林工业大学在研究管式振动磨内动力和运动学的基础上,研制了一种新型管式振动磨一旋转腔式振动磨,与常规管式振动磨相比较,其显著特点：（1）提高了能量利用率,主要表现在处理量提高0.51.0倍、单位能耗降低20%40乐（2）消除了内衬及研磨介质的不均匀磨损,并使产品粒度分布较均匀。我国对振动磨的研制开始于60年代,80年代取得了较大进展。目前国内振动磨主要机型有:洛阳矿山机械研究所和青岛矿山设备厂研制的ZMF型内分级式振动磨、西安理工大学振动研磨技术研究中心研制的WGM3型超细振动磨、烟台卓悦机械有限公司制造的CZM900单筒式超细振动磨、MGZ1型高幅振动磨等。3.5 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:,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IOnm的AbFe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.。Oehring等在球磨Nb-25%AI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（IOnm）的固溶体间。国内的诸葛兰剑等则通过高能球磨法成功制备了粒径为3060nm的'-Fe（N）粉末。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一一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IoHm或更细,物料在磨内停留时间很短,一般只有510s,平均粒径为15nm时的能耗为80kWh;平均粒径为44Hnl时，能耗为50±20kWh。3.6 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JFC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0.520In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。这种粉碎机已在工业矿物、化工原料、食品等中得到应用，用JFC-300生产超细方解石粉时的粒度组成d5o=l.15um,d90=1.64mn,dl00<3mn,71o中国矿业大学研制的高压射流式粉碎机-中国发明专利CN1148520A,利用高压(2060MPa)水射流的强大冲击力和压力突然降低所导致的穴蚀效应,使物料因冲击和爆裂作用而被粉碎。它借助高压水作动力，使被处理的浆料在料罐内处于高压状态，高压状态的料浆通过喷嘴高压喷出,从而实现超细化与均匀化的目的。河北廊坊恒宇工具有限公司开发的NMGI82200、NMG75-200>PEL-20纳米机是近年来最主要的进展之一。它们最大限度地利用超高速流发生的乱流冲击能量,使物料瞬间完成破碎、分散和乳化,最大处理量575Lh,可用于医药、食品、化工、电子及高新领域的材料粒子超微细化。笔者曾利用其中的PEL-20型纳米机进行煤样的超细粉碎,所得产品用UaIVern粒度仪测得d5o=l.62m,36.83m,最可机粒径(粒度分布表征时,粉体颗粒最大频度所对应的粒径)mode-0.90m<)4超细粉碎技术的发展趋势在21世纪，人类社会将面临高技术和新材料产业发展壮大、传统产业技术进步加快、相关应用领域对各类超细粉体产品的需求量昌益增大的良好机遇，同时也面临对超细粉体产品粒度及粒度分布、颗粒形状、纯度等要求的提高以及节约能源、保护自然环境和自然资源的严峻挑战。作为与高技术新材料产业及传统产业技术进步密切相关的原材料深加工技术的超细粉碎工程技术面对这些机遇和挑战,将在加强理论研究的基础上发展新技术、新设备、新工艺的研究,超细粉碎技术是多方面技术的综合,其发展依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,超细粉碎技术研究和发展的重点是以下几个方面：4.1 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，与现有超细粉碎设备相比,新型超细粉碎设备的特点应是能量利用率高、生产能力大、粉碎比大、粉碎极限粒度小、磨耗少、污染轻、适用范围宽或可用于特殊物料,如低熔点、高韧性、高硬度、易燃易爆物料等的加工,或者可实现超细粉碎与表面改性等的复合加工。如日本的MlCRO超细磨，是一种利用射流冲击的高压均化器和射流粉碎机,已在非金属矿行业得到应用。这类设备利用高压射流的强大冲击力,使得被粉碎物料沿层间解离或在缺陷处爆裂,达到超细剥片的目的。这类设备适用于云母、高岭土等低硬度和层状结晶的非金属矿物的超细粉碎和剥片。其特点有能耗低、噪音小、处理能力大、占地面积小等。4.2 2开发与超细粉碎设备相配套的精细分级设备及其它相关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,处理量大、高精度分级设备是超细粉碎技术发展的关键,在现有超细粉碎设备基础上,更多地从整个工艺系统的角度来进行研究与开发,完善工艺配套,开发分级粒度细、精度高、处理能力大的精细分级设备和产品输送设备等其它辅助工艺设备,将是主要发展方向之O4.3 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。同时要大力开发开发非机械力超细粉碎加工技术。与目前工业上广泛采用的机械超细粉碎技术相比,这种技术的特点是工艺简单、能耗低、效率高、生产能力大,同时便于实现工业化生产。4 .4开发研究与超细粉碎技术相关的粒度检测与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。快捷、方便、准确、实用的粒度分析仪、在线粒度监控（分析）仪,有助于实现生产过程产品细度和级配自动监测控制及提高粉碎效率。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。在这些方面的研究将会受到重视。5 结语随着现代工程技术的飞速发展,越来越多的超细粉碎技术在高新技术、新材料的研究开发中发挥着重要作用,超细粉碎技术在很大程度影响着现代工业技术的发展。正因如此,世界各国都加大了该领域的研究。参考文献1郑水林.超细粉碎原理、工艺设备及应用Ixl.北京:中国建材工业出版社,1993.张少明,刘亚云,等.粉体工程M.北京:中国建材工业出版社,1994.3杨伏生,周安宁,葛岭梅.我国超细粉碎技术现状与发展趋势ULIM&P化工矿物与加工，2001,(5):1-6.4盖国胜.超细粉碎与分级技术进展J.中国粉体技术，1999,2(1):22-26.5张平亮.湿式搅拌磨微粉碎技术的研究J.化工装备技术，1995,6:12.6卢寿慈.值得重视的几个矿物加工技术发展趋向J.黑龙江矿学院报,2000,10(3):6-12.7唐爱东.功能粉体加工技术的发展J.矿产保护与利用，1997,4:42-45.8王罗帆.振动磨理论及其装备技术进展J.中国建材装备，1998,(5):14-17.9郭天德.振动磨的发展及降低能耗途径J.中国非金属矿工业刊，1999,(5):79.10阎民,郭天德,普维庆.振动磨理论研究进展J.西安理工大学学报,1998,(4).11潘洪平,梁迎春,董申.陶瓷球超声振动研磨装置的研究J.机械工程师，1999,(5):3-5112陈世柱,黎文献,尹志民.行星式高能球磨机工作原理研究J.矿冶工程，1997,17(4):62-65.13 ShinguPH,etalSupplTrans.JpnInstMetals.1988,29:3.14 OehringM,etal.Proceedingofthe7thInternationalCon2FerenceonRapidlyQuenchedMaterials.Stockholm:1991,1330.15诸葛兰剑,吴雪梅.球磨法制备'-Fe(N)超细粉末J.材料科学与艺,1999,7(4):103106.16孙春宝，李睿华，卢寿慈.一种新型高效粉碎设备一Szego磨C.中国颗粒学会首届年会，1997.17沈志刚,麻树林.射流粉碎与分级技术J.非金属矿，1997,增刊:68.