超細石英砂粉體的機械球磨工藝優(yōu)化研究

宋杰光 王芳 吳世斌 劉銀銀 馬永紅 王偉元蘇明霞 黃浩 劉榮進

(1.九江學院機械與材料工程學院九江市綠色再制造重點實驗室，江西九江332005，2.桂林理工大學材料科學與工程學院有色金屬及材料加工新技術教育部重點實驗室，廣西桂林541004)

0 引言

在當今工業(yè)原料需求量大大增加的時期里，各種能夠被利用的高品位天然或合成的礦物原料都被廣泛的利用于工業(yè)生產，高品位石英砂就是其中一種[1]。隨著科技的進步和高品位天然資源的消耗，不少新興產業(yè)隨之產生，在這些產業(yè)中，絕大部分是利用工業(yè)廢料或低品位原料制備高性價比的“綠色”產品[2]。部分石英砂被用于房屋建筑的混合砂漿原料，使得石英砂的性價比值較低，幾乎很難體現(xiàn)它的經濟價值[3]。

近年來，由于全國范圍建筑業(yè)的大發(fā)展，出現(xiàn)了粗制濫造的不良傾向。最近國家質量技術監(jiān)督局對建筑材料質量進行監(jiān)督抽查發(fā)現(xiàn)，相當一部分存在質量問題，很難達到國家標準或國際標準[4]。隨著城市建設的推進，國內外墻體材料工業(yè)也得到迅猛發(fā)展，燒結粘土磚消耗了大量的土地（粘土）資源，我國將節(jié)約土地（粘土）資源提上了日程，于是國內紛紛出現(xiàn)各種各樣的非粘土燒結磚或粘土燒結空心磚，以便達到節(jié)約土地（粘土）資源的目的[5-6]。工業(yè)發(fā)達國家新型墻體材料已占整個墻體材料的60%～90%，新建住宅80%～100%采用高效保溫材料，目前，發(fā)達國家墻體材料的發(fā)展方向主要反映在耐久、節(jié)能和功能三大方面，并注重墻體材料生產資源的開發(fā)研究[7]。

近年來水土流失加劇，連續(xù)發(fā)生特大洪水造成大量泥沙淤積在長江中下游航道，嚴重影響航行，顯然航道整治離不開河道采砂。只要選址得當，開采適量，在保證河勢穩(wěn)定的前提下利用長江沿岸低品位石英砂作為原料生產高質量的新型建筑材料可以獲得可觀的經濟效益[8]。利用長江沿岸低品位石英砂開發(fā)研制新型保溫隔熱磚，必須控制其內部顯微結構。本文研究了球磨參數對低品位石英砂粒度的影響，為得到高性能的保溫隔熱磚奠定原料基礎。

1 實驗方法及設備

圖1 球磨時間對石英砂粒徑的影響Fig.1 Effect of ball milling time on grain size of quartz sand

圖2 球磨時間對石英砂粒度顯微結構的影響Fig.2 Effect of the ball milling time on the particle size distribution and microstructure of quartz sand powder(a-quartz sand;b-25min;c-60min;d-120min;e-180min)

圖3 轉速對石英砂粒徑的影響Fig.3 Effect of ball milling speed on grain size of quartz sand

將來至長江沿岸的低品位石英砂在太陽下曬干，首先對低品位石英砂原料進行粗選，然后用50目篩進行篩選，將河砂中顆粒尺寸較大的顆粒礦物去除，避免影響球磨。最后放入QM-BP型行星式球磨機球磨罐中，在一定條件下球磨后，取出石英砂粉體備用，用BT-9300H型粒度分析儀對球磨后的石英砂進行粒度分析，用捷克TESCAN VEGAⅡ型掃描電鏡觀察其形貌。

2 結果與討論

1.1 球磨時間對石英砂粒度的影響

球磨罐中裝料量為200g/L低品位石英砂，在球磨機轉速為300r/min，大小球質量比值為0.75的條件下，球磨一定時間取樣并對其進行粒度分析，結果如圖1所示。從圖可以看出，隨著時間的延長，石英砂的平均粒徑逐漸減少。球磨時間60min以前，球磨使得平均粒徑減小幅度較大，而球磨時間大于60min后，石英砂平均粒徑減小幅度較小，基本趨于平緩趨勢。因為石英砂顆粒在球磨初始由于粒徑較大，在球磨機的作用下被沖擊的概率較大而被粉碎，隨著球磨時間延長石英砂顆粒減小到一定程度，使得其在大小球的間隙中不受到沖擊而使粒徑減小速度變緩[9]，從圖2中也可以看出。所以，當其他參數不變的情況下，隨著球磨時間的延長，石英砂粒徑減小。綜合性能和能耗之間整個工藝考慮，球磨時間定為60min較好。

2.2 球磨強度對石英砂粒度的影響

在球磨罐中裝料量為200g/L低品位石英砂，大小球質量比值為0.75，球磨轉速不同的條件下，球磨60min后，取樣進行粒度分析，結果如圖3所示。從圖可知：隨著球磨轉速的增加，石英砂的平均粒徑逐漸減小。由于球磨轉速的不斷增加，球磨介質對石英砂的沖擊次數和研磨作用力相對增加，從而增強了球磨機對礦物的球磨效果[10]，使得石英砂的粒徑逐漸減小。所以，在其他參數不變的情況下，隨著球磨轉速的增加，石英砂粒徑逐漸減小,從圖4也可以應證。球磨轉速為300r/min時，球磨效果較好，此時石英砂平均粒徑為12.54μm。

圖4 球磨轉速對石英砂粉體粒度分布及顯微形貌的影響Fig.4 Effect of the ball milling speed on the particle size distribution and microstructure of quartz sand powder（a-200r/min,b-250r/min,c-300r/min)

圖5 裝料量對石英砂粒徑的影響Fig.5 Effect of the milling charge on grain size of quartz sand

圖6 球磨裝料量對石英砂粒度的影響Fig.6 Effect of the milling charge on the particle size distribution and microstructure of quartz sand powder（a-100g/L,b-200g/L,c-300g/L）

2.3 球磨裝料量對石英砂粒度的影響

在球磨轉速為300r/min，大小球質量比值為0.75，球磨機裝料量不同的情況下，球磨60min，取樣并進行粒度分析，結果如圖5所示。從圖得到：隨著球磨機裝料量的增多，石英砂平均粒徑逐漸變大。因為裝料量增加，球磨介質不變，球料比減小，球磨介質對石英砂的沖擊次數和研磨作用減弱[11]，使得石英砂的平均粒徑增大，即球磨效果變差。所以，當其他參數不變的情況下，隨著球磨機裝料量的增加，石英砂的平均粒徑增加,從圖6中也得以證明。綜合考慮，認為球磨裝料量為200g/L較為合適。

2.4 大小球質量比值對球磨石英砂粒度的影響

在球磨轉速為300r/min，球磨機裝料量分別為200g/L，大球為Φ10mm，小球為Φ5mm，大小球質量比值不同的情況下，球磨60min，取樣并進行粒度分析，結果如圖7所示。由圖可以看出，隨著大小球質量比值的增加，石英砂平均粒徑逐漸增加。因為大小球質量比值的增加，增大了大球的數量，在球體撞擊時，形成較多較大的空隙，對球磨細顆粒無疑是不利的。大小球質量比值的減小，變相地減少了大球的數量，這對于球磨粗顆粒是不利的[12]，因此，大小球的質量比值要適當。所以，在其他參數不變的情況下，隨著球比的增加，石英砂粒徑逐漸增加。綜合考慮，大小球質量比值為0.75較好。

圖7 球比對石英砂粒徑的影響Fig.7 Effect of the grinding media ratio on grain size of quartz sand

圖8為球磨前后的石英砂粉體掃描電鏡照片，從圖片中可以看到，石英砂原料顆粒粗大，石英砂松散堆積；而球磨后的石英砂成粉狀，不如石英砂原料那樣松散堆積，而是由于顆粒細小相互之間吸附團聚，使石英砂粉體形狀各異，大小顆粒都有，這樣多樣性的顆粒有利于保溫隔熱磚坯體的成型。

3 結論

原料石英砂通過分組后的球磨，取樣并進行粒度分析得到實驗結果，對其進行分析討論后，得到以下結論：

(1)隨著球磨時間的延長，石英砂粒徑減小。隨著球磨轉速的增加，石英砂粒徑逐漸減小。隨著球磨機裝料量的增加，石英砂的粒徑增加。隨著大小球比的增加，石英砂粒徑逐漸增加。

(2)球磨工藝為：球磨時間為60min，球磨轉速為300r/min，球磨機裝料量為200g/L，大小球質量比值為0.75。

圖8 石英砂粉體掃描電鏡照片F(xiàn)ig.8 SEM micrographs of the quartz sand powder

1宋杰光,吳伯麟.粘土含量對高性能石英燒結磚的性能影響研究.新型建筑材料,12005,2,132～33

2 MAHLLAWY M S.Characteristics of acid resisting bricks made from quarry residues and waste steel slag.Construction and Building Materials,2008,22:1887～1896

3宋杰光,越祖朕,蘇明霞.利用低品位石英砂制備保溫磚的孔結構研究.新型建筑材料,2010,33(5):27～29

4汪福生.高檔燒結磚的市場分析和發(fā)展前景.磚瓦世界, 2007,1:13～15

5 RAIMONDO M,DONDI M,MAZZANTI F.Equilibrium moisture content of clay bricks:The influence of the porous structure.Building and Environment,2007,42:926～932

6 Lin K L.Feasibility study of using brick made from municipal solid waste incinerator fly ash slag.Journal of Hazardous Materials,2006,137:1810～816

7 ROBERTS S.Altering existing buildings in the UK.Energy Policy,2008,36(12):4482～4486

8 LU X X.Vulnerability of water discharge of large Chinese rivers to environmental changes.Regional Environmental Change,2004,4:182～191

9胡秀穎,周仕學,王振華.球磨時間對鎂碳復合儲氫材料結構和性能的影響.功能材料,2008,39(3):424～429

10 MASSOT C Z,Bolay N L.Effect of ball milling in a tumbling ball mill on the properties of multi-wall carbon nanotubes. Chemical Engineering and Processing,2008,47:1350～1356

11 CHEN X S,LI Q,FEI S M.Constrained model predictive control in ball mill grinding process.Powder Technology, 2008,186:31～39

12李慶利,曹建新,趙麗媛.球磨制度對壓電陶瓷預燒粉體粒度的影響.科學技術與工程,2008,8(5):1306～1310