高能球磨機(jī)技術(shù)探索

李 浩 李鴻操

（北方重工集團(tuán)有限公司傳動(dòng)設(shè)備分公司，遼寧 沈陽 110027）

球磨機(jī)是粉磨工業(yè)領(lǐng)域中最具歷史的并被廣泛采用的一類粉磨設(shè)備。但是由于至今還沒有完全弄清楚球磨機(jī)的粉磨機(jī)理，在提高效率、降低能耗和減少鋼耗等方面的研究仍未取得突破性進(jìn)展。

在球磨機(jī)的工作過程中，研磨介質(zhì)在旋轉(zhuǎn)的筒體內(nèi)高速運(yùn)動(dòng)，通過相互沖擊與碰撞傳遞能量，物料在這種運(yùn)動(dòng)過程中被粉碎與研磨。球磨機(jī)的工作參數(shù)在很大程度上影響了其內(nèi)部研磨介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，合適的工作參數(shù)配置能使球磨機(jī)具有更大的研磨效能，球磨機(jī)的工作參數(shù)大致可以分為結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作參數(shù)和研磨體參數(shù)等。

1 高能球磨法的基本原理

高能球磨法是利用球磨機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)或振動(dòng)，使硬球?qū)υ线M(jìn)行強(qiáng)烈的撞擊、研磨和攪拌，把金屬或合金粉末粉碎為納米級微粒的方法。如果將兩種或兩種以上金屬粉末同時(shí)放入球磨機(jī)的球磨嘴中進(jìn)行高能球磨，粉末顆粒經(jīng)壓延，壓合，又碾碎，再壓合的反復(fù)過程(冷焊一粉碎一冷焊的反復(fù)進(jìn)行)，最后獲得組織和成分分布均勻的合金粉末。由于這種方法是利用機(jī)構(gòu)能達(dá)到合金化，而不是用熱能或電能，所以，把高能球磨制備合金粉末的方法稱做為機(jī)械合金化。

高能球磨制備納米晶，需要控制以下幾個(gè)參數(shù)和條件，即正確選用硬球的材質(zhì)(不銹鋼球，瑪瑙球，硬質(zhì)合金球等)，控制球磨溫度與時(shí)間，原料一般選用微米級的粉體或小尺寸條帶碎片，球磨過程中顆粒尺寸、成分和結(jié)構(gòu)變化通過不同時(shí)間球磨的粉體的X光衍射，電鏡觀察等方法來進(jìn)行監(jiān)視。

2 球磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性

球磨機(jī)工作時(shí)是利用以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的，轉(zhuǎn)筒內(nèi)的鋼球隨筒壁轉(zhuǎn)動(dòng)上升到一定高度后在其重力作用下脫離筒壁砸向原料再又隨轉(zhuǎn)筒壁轉(zhuǎn)動(dòng)上升，周而復(fù)始地對原料進(jìn)行粉磨及混合。球磨機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷是基本恒定的，即使是連續(xù)進(jìn)、出料型球磨機(jī)進(jìn)料不一定均勻，但對于負(fù)荷影響不大。連續(xù)進(jìn)、出料型球磨機(jī)(包括圓筒混合機(jī))一旦啟動(dòng)后很少停機(jī)，故其啟動(dòng)沒有間歇進(jìn)、出料型球磨機(jī)頻繁，而且它可以在啟動(dòng)之后再開始進(jìn)料，故正常啟動(dòng)不一定是滿載工況。但考慮到運(yùn)轉(zhuǎn)中途可能會(huì)因斷電等原因停機(jī)，再次啟動(dòng)時(shí)為滿負(fù)荷啟動(dòng)。當(dāng)然，球磨機(jī)應(yīng)盡量在滿載下運(yùn)轉(zhuǎn)，因?yàn)檠心ンw所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，空載與滿載運(yùn)轉(zhuǎn)的功率消耗相差無幾。

3 球磨機(jī)研磨體運(yùn)動(dòng)分析

球磨機(jī)工作時(shí)筒體作等速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)裝填于簡體內(nèi)的研磨體運(yùn)動(dòng)，使物料受到?jīng)_擊與研磨作用而粉碎。研究研磨體在筒體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況對于了解研磨體對物料的作用實(shí)質(zhì)，掌握影響效果的各項(xiàng)因素和提高粉磨效率，縮短球磨時(shí)間，確定球磨機(jī)的主要工作參數(shù)(轉(zhuǎn)速、功率、裝填量等)，以及工作件的受力分析和強(qiáng)度計(jì)算等，有很大的實(shí)際意義。

由球磨機(jī)的透明模型實(shí)驗(yàn)觀察可以看到，機(jī)中研磨體的運(yùn)動(dòng)是比較復(fù)雜的，有隨筒壁的上升運(yùn)動(dòng)，有研磨體與筒壁之間的相對滑動(dòng)，有拋落運(yùn)動(dòng)等。

在不同的筒體轉(zhuǎn)速下，研磨體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可簡化為三種基本形式：在轉(zhuǎn)速很低時(shí)，研磨體靠摩擦力作用隨筒體升至一定高度，當(dāng)面層研磨體超過自然休止角時(shí)，研磨體向下滾動(dòng)瀉落，主要以研磨的方式對物料進(jìn)行細(xì)磨，由于研磨體的動(dòng)能不大，故碰擊力量不足；在筒體轉(zhuǎn)速很高時(shí)，研磨體受慣性離心力的作用貼附在筒體內(nèi)壁隨筒體一起回轉(zhuǎn)，不對物料產(chǎn)生碰擊作用，主要靠研磨;筒體在某個(gè)適宜的轉(zhuǎn)速下，研磨體隨筒體的轉(zhuǎn)動(dòng)上升一定高度后拋落，物料受到碰擊和研磨作用而粉碎。

4 高能球磨機(jī)的分類和工作原理

目前使用的球磨機(jī)可以分為普通球磨機(jī)和高能球磨機(jī)兩類。而常用的高能球磨機(jī)又分為攪拌式、行星式和振動(dòng)式三種。

4.1 普通球磨機(jī)

由于各行業(yè)用途及工藝要求的不同，所使用的球磨機(jī)品種類型也不盡相同。礦山選礦廠、水泥廠、化工廠等行業(yè)使用的球磨機(jī)為連續(xù)進(jìn)、出料類型。該類型又分為周邊齒輪傳動(dòng)型(、膠輪傳動(dòng)型(即托輾式)、中心傳動(dòng)等型式;輕工業(yè)用于涼席竹片打磨，陶瓷廠用于長石、石英、泥料等原料進(jìn)行濕法間歇細(xì)磨與混合等所使用的球磨機(jī)為間歇進(jìn)、出料類型，即球磨機(jī)一次性裝料粉磨完成后須停機(jī)卸料再重新裝料啟動(dòng)運(yùn)行。此類型球磨機(jī)多為周邊皮帶傳動(dòng)型。目前市場上出售的用于礦山、建材等行業(yè)的連續(xù)進(jìn)、出料型球磨機(jī)的型號規(guī)格從MQ1200x2400至MQ2700x3600，電動(dòng)機(jī)功率由37kW至380kW不等，并有向更大規(guī)格方向發(fā)展的趨勢。鋼鐵廠所使用的圓筒混合機(jī)的電動(dòng)機(jī)功率由四五百千瓦至一千多千瓦;而輕工業(yè)企業(yè)所用間歇進(jìn)、出料型球磨機(jī)型號規(guī)格從QMP30kg至QMP100t，主電動(dòng)機(jī)功率由0.75kW至250kW。

4.2 高能球磨機(jī)

攪拌式高能球磨機(jī)。攪拌球磨機(jī)是指由一個(gè)靜置的內(nèi)填研磨介質(zhì)的筒體和一個(gè)旋轉(zhuǎn)攪拌器構(gòu)成的一類超細(xì)研磨設(shè)備。

攪拌球磨機(jī)的筒體一般做成帶冷卻夾套，研磨物料時(shí)，冷卻夾套內(nèi)可通入冷卻水或其他冷卻介質(zhì)，以控制研磨時(shí)的溫升。研磨筒內(nèi)壁可根據(jù)不同研磨要求鑲襯不同的材料或安裝固定短軸(棒)和做成不同的形狀，以增強(qiáng)研磨作用。

攪拌器是攪拌球磨機(jī)最重要的部件，主要有軸棒式、圓盤式、穿孔圓盤式、圓柱式、圓環(huán)式、螺旋式，等等。

連續(xù)研磨時(shí)或研磨后，研磨介質(zhì)和研磨產(chǎn)品(料漿)要用分離裝置分離。這種介質(zhì)分離裝置種類很多，目前常用的是圓筒篩，篩孔尺寸一般為 50～1500μm。

攪拌球磨機(jī)主要通過攪拌器攪動(dòng)研磨介質(zhì)產(chǎn)生不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，對物料施加撞擊或沖擊、剪切、摩擦等作用使物料粉碎。

超細(xì)研磨時(shí)，攪拌球磨機(jī)一般使用平均粒徑小于6mm的球形介質(zhì)。研磨介質(zhì)的直徑對研磨效率和產(chǎn)品粒徑有直接影響。此外，研磨介質(zhì)的密度(材質(zhì))及硬度也是影響攪拌球磨機(jī)研磨效果的重要因素之一。常用的研磨介質(zhì)有氧化鋁、氧化鋯或剛玉珠、鋼球(珠)、鋯珠、玻璃珠、天然砂等。

行星式高能球磨機(jī)。行星式球磨機(jī)的特點(diǎn)是磨球的運(yùn)動(dòng)方式更為復(fù)雜，獲得的能量更高，此種球磨機(jī)在相同的工藝參數(shù)下，可以同時(shí)制備幾組物料，便于進(jìn)行科學(xué)研究，應(yīng)用最廣泛。其工作原理是，在旋轉(zhuǎn)盤的圓周上裝有幾個(gè)隨轉(zhuǎn)盤公轉(zhuǎn)又做高速自轉(zhuǎn)的球磨罐。球磨罐內(nèi)的磨球在慣性力的作用下，對物料形成很大的高頻沖擊和摩擦，進(jìn)行快速細(xì)磨。振動(dòng)式高能球磨機(jī)。振動(dòng)式高能球磨機(jī)是利用研磨介質(zhì)(球形或棒狀)在做高頻振動(dòng)的筒體內(nèi)對物料進(jìn)行沖擊、摩擦、剪切等作用而使物料粉碎的細(xì)磨與超細(xì)磨設(shè)備。工作中，介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)取決于振動(dòng)類型、磨筒形狀和充填率。振動(dòng)的振幅、頻率越高，物料粒度越細(xì)，物料充填率越大，則粒度越粗，介質(zhì)的充填率以60%～80%為宜，在一定范圍內(nèi)，物料的比表面積與粉碎時(shí)間成正比，根據(jù)給料粒度，通過選擇適宜的介質(zhì)尺寸，調(diào)節(jié)振動(dòng)的振幅和頻率以及給料量和介質(zhì)的充填率等可以得到所要求的物料細(xì)度。

結(jié)束語

高能球磨機(jī)集強(qiáng)力沖擊、研磨及振動(dòng)等高能動(dòng)作于一體，研磨罐在周期性運(yùn)動(dòng)過程中，研磨球高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與樣品相互撞擊，達(dá)到研細(xì)樣品的目的。我們從業(yè)者要深入的研究，以使其在工作中發(fā)揮重要作用。

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