超細(xì)粉碎技術(shù)及設(shè)備的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

超細(xì)粉碎技術(shù)在20世紀(jì)40年代已發(fā)展起來(lái)，目前是世界上重要的非金屬礦和其他重要材料的深加工技術(shù)之一。由于各國(guó)科研技術(shù)水平不一,到目前為止超細(xì)粉碎仍沒(méi)有嚴(yán)格的統(tǒng)一定義。一般將加工粒徑為0.1～10μm的超細(xì)粉體的粉碎和相應(yīng)的分級(jí)技術(shù)稱為超細(xì)粉碎物料細(xì)化后,往往會(huì)出現(xiàn)許多新的優(yōu)良性能。由于超細(xì)粉體粒度極細(xì)、比表面積大,且分布均勻,加之缺陷少,因而其表面活性高、化學(xué)反應(yīng)速度快、溶解度大、燒結(jié)溫度低且燒結(jié)體強(qiáng)度高、填充補(bǔ)強(qiáng)性能好,又具有獨(dú)特的光、電、磁性能等,故被廣泛應(yīng)用于高檔涂料、醫(yī)藥、高技術(shù)陶瓷、微電子及信息材料、高級(jí)耐火及保溫材料、填料和新材料產(chǎn)業(yè)。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1超細(xì)粉碎技術(shù)國(guó)外對(duì)于超細(xì)粉碎技術(shù)的研究起步較早,從40年代就開始注重了以超細(xì)粉碎、分級(jí)及改性為基礎(chǔ)的深加工技術(shù),到60年代該技術(shù)已取得迅速發(fā)展。目前英、日、美、德等國(guó)具備較高水平的超細(xì)粉碎技術(shù)和設(shè)備,可以加工細(xì)度為0.5～10μm任意窄級(jí)別的超細(xì)粉體。相對(duì)而言,國(guó)內(nèi)對(duì)超細(xì)粉碎技術(shù)的研究起步較晚。但經(jīng)過(guò)近年來(lái)努力,到目前為止,我國(guó)已能生產(chǎn)各種類型的超細(xì)粉碎設(shè)備,其性能可與國(guó)外先進(jìn)機(jī)種相媲美,基本上能滿足我國(guó)非金屬礦實(shí)際生產(chǎn)中的需要。發(fā)展至今,超細(xì)粉體的制備有諸多方法,但用于實(shí)際生產(chǎn)中的主要有兩種:機(jī)械粉碎法和化學(xué)合成法。其中,化學(xué)合成法成本高、產(chǎn)量低,且生產(chǎn)工藝復(fù)雜;而機(jī)械粉碎法成本較低,產(chǎn)量高,工藝簡(jiǎn)單,且能改良物料性能。因此,除了少量超細(xì)粉碎不得已用化學(xué)合成法外,絕大數(shù)非金屬礦的粉碎采用機(jī)械粉碎法。國(guó)內(nèi)外制備超細(xì)粉體的機(jī)械粉碎設(shè)備主要有高速機(jī)械沖擊式磨機(jī)、氣流磨、介質(zhì)攪拌磨、振動(dòng)磨等。其中,高速機(jī)械沖擊式磨機(jī)和氣流磨屬于干法超細(xì)粉碎設(shè)備,而介質(zhì)攪拌磨和振動(dòng)磨既可用于干法超細(xì)粉碎也可作為濕法超細(xì)粉碎。1.1高速機(jī)械沖擊式磨機(jī)高速機(jī)械沖擊式磨機(jī)是一種應(yīng)用較普遍的粉碎設(shè)備,其工作原理是利用高速旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)體(錘頭、葉片等),對(duì)物料進(jìn)行猛烈的打擊,使其與固定體、物料之間產(chǎn)生沖擊、摩擦,從而達(dá)到細(xì)碎目的。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,粉碎效率高,粉碎比大,且可連續(xù)作業(yè),運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),故被廣泛地應(yīng)用于礦業(yè)、化工、食品、藥物、建材等行業(yè)。但由于回轉(zhuǎn)體的高速運(yùn)轉(zhuǎn)及與物料的沖擊、摩擦、碰撞,必造成一定的磨損,所以沖擊式磨機(jī)適于加工中硬、軟物料。目前,國(guó)外沖擊式磨機(jī)主要機(jī)型有日本細(xì)川公司的Super-Micron型超細(xì)粉磨機(jī)、德國(guó)Alpine公司的Circoplex分級(jí)研磨機(jī)、美國(guó)P.M.C公司的噴射粉磨機(jī)等,國(guó)內(nèi)主要機(jī)型有咸陽(yáng)非金屬礦研究院和西安飛機(jī)制造公司聯(lián)合研制的CM型系列超細(xì)粉磨機(jī)、清華大學(xué)和沈陽(yáng)重型機(jī)械廠共同開發(fā)的CZM型分級(jí)研磨機(jī)。高速機(jī)械沖擊式磨機(jī)是我國(guó)超細(xì)粉碎技術(shù)與設(shè)備研制開發(fā)成效最顯著的領(lǐng)域之一,近幾年來(lái)涌出了大量的這方面發(fā)明專利:立式高速離心超細(xì)粉碎機(jī)(中國(guó)實(shí)用新型專利CN2290402Y)、多功能超細(xì)微粉機(jī)(中國(guó)實(shí)用新型專利CN2230184Y)、旋風(fēng)式無(wú)介質(zhì)超細(xì)磨(中國(guó)實(shí)用新型專利CN2321522Y)、離心超細(xì)粉磨機(jī)(中國(guó)實(shí)用新型專利CN2274985Y)、湍流超細(xì)粉磨機(jī)(中國(guó)實(shí)用新型專利CN2247561Y)等Circoplex分級(jí)研磨機(jī)(圖1)是一種集粉碎、分級(jí)功能于一體的典型沖擊式磨機(jī),現(xiàn)在已被廣泛應(yīng)用于糖、合成樹脂、可可、化工原料及非金屬礦等中等硬度以下物料的超細(xì)粉碎中。其工作原理是原料由控制閥3給入分級(jí)室,經(jīng)預(yù)先分級(jí)后,合格細(xì)粒物料從產(chǎn)品出口排出,粗粒物料進(jìn)入研磨室由沖擊錘粉碎。粉碎后的物料在由進(jìn)氣管進(jìn)入的上升氣流作用下,輸送到渦輪超細(xì)分級(jí)器進(jìn)行分級(jí)。分級(jí)后,合格細(xì)粒物料從產(chǎn)品出口排出并收集為成品,不合格粗粒物料再次進(jìn)入研磨室進(jìn)行粉碎至合格產(chǎn)品為止。該機(jī)特點(diǎn)是:(1)內(nèi)置的超細(xì)分級(jí)器既有預(yù)先分級(jí)功能,又具有檢查分級(jí)功能,從而提高了粉碎效率,降低了能耗;(2)由于沖擊粉碎機(jī)和分級(jí)機(jī)采用一體組合,故結(jié)構(gòu)緊湊,運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),整體性好;(3)根據(jù)需要,通過(guò)調(diào)節(jié)渦輪分級(jí)器的轉(zhuǎn)速可得到不同細(xì)度的產(chǎn)品;(4)沖擊錘和研磨軌道等易磨損部件可以更換,粉碎部與分級(jí)部由法蘭連接,在液壓驅(qū)動(dòng)下可將裝置方便打開,從而使維修方便。1.2煙氣流磨主要為5大類型氣流磨是一種技術(shù)較成熟的干式超細(xì)粉碎設(shè)備,它借助由噴嘴噴出的高速氣流(300～500m/s,3×10氣流磨自40年代問(wèn)世以來(lái),至今已有幾十種規(guī)格,技術(shù)也趨于成熟,目前主要機(jī)型有圓盤式、循環(huán)管式、對(duì)噴式、靶式和流化床式等5大類。J-O-Mizer型循環(huán)管式氣流近10年來(lái),國(guó)內(nèi)在吸收國(guó)外先進(jìn)設(shè)備技術(shù)基礎(chǔ)上,對(duì)氣流磨特別是靶式氣流磨和流化床式氣流磨做了相應(yīng)的改進(jìn),提高了設(shè)備的耐磨性、粉碎效率等性能。例如,在Alpine流化床式氣流磨基礎(chǔ)上改進(jìn)后的對(duì)噴式流化床超細(xì)氣流粉碎機(jī)(中國(guó)實(shí)用新型發(fā)明專利CN1129610A),提高了粉碎效率、分級(jí)精度,減小了磨損,保證了產(chǎn)品粒度的均勻性,同時(shí)又提高了產(chǎn)量。又如,江蘇昆山超微粉碎機(jī)廠在引進(jìn)德國(guó)630AFG機(jī)型的基礎(chǔ)上研制的QYF-720型流化床氣流磨粉碎機(jī),提高了國(guó)產(chǎn)流化床氣流磨粉碎機(jī)的單機(jī)處理能力。1.3非金屬礦超細(xì)粉碎設(shè)備介質(zhì)攪拌磨主要由一個(gè)靜置的內(nèi)填小直徑研磨介質(zhì)(鋼球、陶瓷球、玻璃球等)的研磨筒和一個(gè)旋轉(zhuǎn)攪拌器構(gòu)成,其工作原理:通過(guò)攪拌器攪動(dòng)研磨介質(zhì)產(chǎn)生沖擊、摩擦、剪切等作用使物料粉碎。由于攪拌磨在超細(xì)粉磨設(shè)備中效率較高,能耗較低,可以得到平均粒徑1μm以下的產(chǎn)品,所以被廣泛應(yīng)用于高級(jí)陶瓷原料、顏料、云母、硅灰石等非金屬礦的超細(xì)粉碎。介質(zhì)攪拌磨在工業(yè)上應(yīng)用已有半個(gè)世紀(jì),至今已發(fā)展成為一類種類繁多、品種齊全的超細(xì)粉碎設(shè)備,根據(jù)結(jié)構(gòu)大致可分為立式、臥式、環(huán)式和搭式4種;根據(jù)操作方法可分為間歇式、連續(xù)式和循環(huán)式3種類型。目前,國(guó)外主要機(jī)型有:美國(guó)聯(lián)合工藝公司(UnionProcess)研制的S型、SC型系列攪拌磨及C/H系列立式連續(xù)攪拌磨;瑞士AGMW公司制造的WPM型立式濕法連續(xù)式攪抖磨;德國(guó)耐馳精磨技術(shù)股份有限公司(NETZSCH)的LME臥式砂磨機(jī)以及法國(guó)BEFSTechnologyMPSPDepartment的干式和濕式攪拌磨等。國(guó)內(nèi)攪拌磨生產(chǎn)廠家和科研機(jī)構(gòu)在國(guó)外攪拌磨基礎(chǔ)上,經(jīng)過(guò)不斷摸索、創(chuàng)新,在攪拌器和磨機(jī)整體機(jī)構(gòu)等方面做了相應(yīng)的改進(jìn),這突出表現(xiàn)在棒盤式攪拌磨(中國(guó)實(shí)用新型專利CN2249636Y)、攪拌塔式磨機(jī)(中國(guó)實(shí)用新型專利CN2267858Y)、鼠籠轉(zhuǎn)子攪拌磨(中國(guó)實(shí)用新型專利CN1203123A)、JCM型超細(xì)立式攪拌高能球磨機(jī)(中國(guó)實(shí)用新型專利CN2341714Y)等攪拌磨的成功研制1.4旋轉(zhuǎn)腔式振動(dòng)磨振動(dòng)磨是國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的機(jī)械粉碎法設(shè)備,其工作原理是利用研磨介質(zhì)(球形或棒形)在作高頻振動(dòng)的筒體內(nèi)對(duì)物料進(jìn)行沖擊、摩擦、剪切等作用,從而使物料達(dá)到粉碎。其產(chǎn)品細(xì)度可達(dá)亞微米級(jí),且具有較強(qiáng)的機(jī)械化學(xué)效應(yīng),能耗較低,易于工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn),所以振動(dòng)磨在超細(xì)粉碎加工中占有一定的比重,廣泛地應(yīng)用于建材、化工、陶瓷、耐火材料和非金屬礦等行業(yè)的粉體加工。國(guó)外振動(dòng)磨主要機(jī)型有德國(guó)Humboldt公司的Palla型振動(dòng)磨;美國(guó)Allis-CHALMERS公司的CHLMERS型單筒式振動(dòng)磨;日本的CH型及CKC型等。其中,最著名的是德國(guó)的Palla型振動(dòng)磨,該磨機(jī)的直徑和長(zhǎng)度分別達(dá)到200～650mm和1300～4300mm,電機(jī)最大功率為200kW,振動(dòng)強(qiáng)度可達(dá)6～8g,是目前世界上應(yīng)用較廣的一種機(jī)型。德國(guó)柏林工業(yè)大學(xué)在研究管式振動(dòng)磨內(nèi)動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)學(xué)的基礎(chǔ)上,研制了一種新型管式振動(dòng)磨——旋轉(zhuǎn)腔式振動(dòng)磨,與常規(guī)管式振動(dòng)磨相比較,其顯著特點(diǎn):(1)提高了能量利用率,主要表現(xiàn)在處理量提高0.5～1.0倍、單位能耗降低20%～40%;(2)消除了內(nèi)襯及研磨介質(zhì)的不均勻磨損,并使產(chǎn)品粒度分布較均勻。我國(guó)對(duì)振動(dòng)磨的研制開始于60年代,80年代取得了較大進(jìn)展,目前國(guó)內(nèi)振動(dòng)磨主要機(jī)型有:洛陽(yáng)礦山機(jī)械研究所和青島礦山設(shè)備廠研制的ZMF型內(nèi)分級(jí)式振動(dòng)磨;西安理工大學(xué)振動(dòng)研磨技術(shù)研究中心研制的WGM-3型超細(xì)振動(dòng)磨;煙臺(tái)卓悅機(jī)械有限公司制造的CZM900單筒式超細(xì)振動(dòng)磨;MGZ-1型高幅振動(dòng)磨等。其中,MGZ-1型高幅振動(dòng)磨是我國(guó)80年代時(shí)期研制較成功的振動(dòng)磨,現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。該磨機(jī)振幅高達(dá)15mm,其生產(chǎn)能力比同規(guī)格的Palla型高出30～40倍,功率消耗降低約30%。西安理工大學(xué)研制的WGM-3型超細(xì)振動(dòng)磨,采用了三維動(dòng)力有限元法對(duì)磨機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維振型分析,使磨機(jī)振動(dòng)參數(shù)得到了控制。該磨機(jī)得到的產(chǎn)品粒度均勻,產(chǎn)量高,且單位能耗低,噪音污染輕,耐磨性能較好,振動(dòng)頻率、強(qiáng)度均可調(diào)。經(jīng)過(guò)近20年的努力國(guó)內(nèi)振動(dòng)磨雖然取得了長(zhǎng)足發(fā)展,但仍存在著一些問(wèn)題:單機(jī)處理能力差,能耗大,缺乏與之相配套的分級(jí)裝置等。1.5超細(xì)剝片均化機(jī)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)研制的CBY型超細(xì)剝片均化機(jī)(中國(guó)實(shí)用新型專利CN1148520A),利用高壓射流的強(qiáng)大沖力和壓力突然降低后的穴蝕效應(yīng),使物料因沖擊和爆裂作用而被粉碎。該設(shè)備借助高壓水作動(dòng)力,使被處理的礦漿在料罐里處于高壓狀態(tài),高壓狀態(tài)的料漿通過(guò)細(xì)小噴嘴高壓噴出,射在特制的靶體上,從而達(dá)到料漿超細(xì)粉碎和均化的目的。這種設(shè)備適用于中等硬度以下物料,如高嶺土、云母、伊利石等的濕式超細(xì)粉碎或剝片。以CBY-C型超細(xì)剝片均化機(jī)為例,主要技術(shù)參數(shù):裝機(jī)容量小于125kW,處理能力(折干計(jì))1400～6000kg/h,工作壓力20～40MPa,流量80～200L/min,主機(jī)重量3.5t。重慶萬(wàn)達(dá)超細(xì)粉體工程設(shè)備有限公司研制的CXM氣旋流粉碎機(jī)是一種新型干式超細(xì)粉碎設(shè)備,其工作原理:利用高速回轉(zhuǎn)裝置產(chǎn)生的高壓高頻脈動(dòng)旋轉(zhuǎn)氣流場(chǎng),使顆粒物料做氣固三元螺旋運(yùn)動(dòng),通過(guò)相互沖擊碰撞、摩擦、剪切等作用實(shí)現(xiàn)超細(xì)粉碎。該設(shè)備主要特點(diǎn):(1)機(jī)件磨損和物料污染較輕;(2)粉碎比大,能量利用率較高;(3)結(jié)構(gòu)緊湊,占地面積小;(4)產(chǎn)品細(xì)度和粒度分布可在不停機(jī)情況下得以調(diào)整。以CXM-110型氣旋流粉碎機(jī)為例,主要技術(shù)參數(shù):進(jìn)料粒徑不大于40μm,產(chǎn)品細(xì)度5～40μm,單位時(shí)間產(chǎn)量350～4000t/h,粉碎主機(jī)功率110kW。沈陽(yáng)新光動(dòng)力機(jī)械公司生產(chǎn)的JTM系列立式膠體磨,利用快速旋轉(zhuǎn)盤式轉(zhuǎn)齒和靜止定齒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切、摩擦、沖擊等作用力,使被處理的物料通過(guò)二者之間的間隙時(shí),在上述諸力及高頻振動(dòng)的作用下,被有效分散、粉碎。該磨機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊,操作維修方便,且其產(chǎn)品精度高、粒度均勻。以JTM120型立式體磨為例,主要技術(shù)參數(shù):電機(jī)功率13kW,單位產(chǎn)量300～100kg/h,產(chǎn)品粒度1～20μm,機(jī)重140kg。2完善、優(yōu)化超細(xì)粉碎設(shè)備及配套隨著高新技術(shù)和新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展壯大,實(shí)際生產(chǎn)對(duì)超細(xì)粉體產(chǎn)品粒度、純度及粒度分布等各項(xiàng)精度要求也相應(yīng)提高,同時(shí)又面臨著節(jié)約能源、保護(hù)自然環(huán)境等資源可持續(xù)性發(fā)展戰(zhàn)略的嚴(yán)峻挑戰(zhàn),超細(xì)粉碎技術(shù)面臨的困難也越來(lái)越大。為了滿足今后社會(huì)生產(chǎn)的需要,在今后超細(xì)粉碎技術(shù)研究中應(yīng)注重以下方面:(1)加強(qiáng)超細(xì)粉碎基礎(chǔ)理論的研究(2)改進(jìn)現(xiàn)有超細(xì)粉碎設(shè)備,發(fā)展新型設(shè)備。在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上,通過(guò)改進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)、完善設(shè)備生產(chǎn)工藝,開發(fā)多功能一體化超細(xì)粉碎設(shè)備,提高單機(jī)處理能力、自動(dòng)控制能力和綜合配套性能,降低能耗、噪音、污染等不利因素,使得到的超細(xì)粉體粒度細(xì)、粒度分布窄、精度高,又能適應(yīng)易燃易爆、高硬度物料等的加工。(3)完善、優(yōu)化超細(xì)粉碎設(shè)備和精細(xì)分級(jí)設(shè)備的配套(4)注重超細(xì)粒子的測(cè)試和測(cè)試儀器研究。由于超細(xì)粒子的粒度、比表面、表面電荷等其