雙向旋轉(zhuǎn)球磨機(jī)的粉碎機(jī)理及應(yīng)用研究

李立奎（萊蕪鋼鐵集團(tuán)粉末冶金有限公司，山東　萊蕪　271104）

雙向旋轉(zhuǎn)球磨機(jī)的粉碎機(jī)理及應(yīng)用研究

李立奎
（萊蕪鋼鐵集團(tuán)粉末冶金有限公司，山東萊蕪271104）

摘要：作為一種運(yùn)行速度較低的細(xì)磨機(jī)，雙向旋轉(zhuǎn)球磨機(jī)在很多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，對(duì)常規(guī)材料實(shí)施超細(xì)化或者是對(duì)金屬粉末進(jìn)行合金化等，對(duì)現(xiàn)代工作的發(fā)展具有重要的意義。但是當(dāng)前，學(xué)界的相關(guān)研究主要集中于工程應(yīng)用方面，對(duì)于雙向旋轉(zhuǎn)球磨機(jī)的運(yùn)行機(jī)理等研究較少，對(duì)于其進(jìn)一步發(fā)展與推廣而言不利，本文就球磨機(jī)的結(jié)構(gòu)機(jī)理等進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：雙向旋轉(zhuǎn)球磨機(jī)；超細(xì)化；粉碎機(jī)理

顆粒的粒徑小于30μm的粉質(zhì)成為超細(xì)粉體，物質(zhì)在通超細(xì)化之后，其分子的排列、晶體與電子的分布結(jié)構(gòu)等都發(fā)生很大的變化，具有大顆粒物質(zhì)不具有的納米材料的小尺寸等效應(yīng)，這些性能的存在能夠在各行各業(yè)中得到應(yīng)用。抄襲粉體的制備在我國(guó)主要通過(guò)機(jī)械粉碎與合成兩種方式，前者應(yīng)用與制備原料在1μm以上的粉體，其產(chǎn)量大、成本低、工藝簡(jiǎn)單，但是純度與細(xì)度相對(duì)于第二種方法而言要差；合成法主要是通過(guò)粉體之間的離子等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成抄襲粉體，具有純度高、細(xì)度好、顆粒的均勻性高等優(yōu)點(diǎn)，但是其產(chǎn)量較低、工藝復(fù)雜且成本相對(duì)高昂。本文中探討的雙向旋轉(zhuǎn)球磨機(jī)就是一種典型的機(jī)械粉碎方式，其效率高，能耗較其他機(jī)械粉碎方式更低，同時(shí)保證粉碎研磨產(chǎn)品的純度。

1　雙向旋轉(zhuǎn)球磨機(jī)的機(jī)理研究

1.1雙向旋轉(zhuǎn)球磨機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理。本文中研究的雙向旋轉(zhuǎn)球磨機(jī)的主要結(jié)構(gòu)為：筒體、空腔、攪拌裝置以及在筒體內(nèi)壁中的襯板。雙向旋轉(zhuǎn)球磨機(jī)的內(nèi)酯和筒體的反方向旋轉(zhuǎn)攪拌軸經(jīng)過(guò)空腔以及斷面的蓋板，在空腔中有攪拌棒進(jìn)行粉體的攪拌，和斷面的蓋板相連的筒體支撐件在空腔外部的旋轉(zhuǎn)軸上對(duì)稱設(shè)置，軸承與傳動(dòng)及同樣在內(nèi)旋轉(zhuǎn)軸上。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)為，與普通臥式球磨機(jī)相比，增設(shè)了攪拌裝置，容易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)有效的提高魔球的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，筒體的內(nèi)部摩擦、碰撞等相互作用增強(qiáng)，改善裝置中的有效粉碎區(qū)域，提高生產(chǎn)效率。其中通體比與旋轉(zhuǎn)軸的中控設(shè)計(jì)，便于球磨機(jī)鍵入冷水進(jìn)行散熱，提高機(jī)器的安全性能。

1.2雙向旋轉(zhuǎn)球磨機(jī)的機(jī)理分析

1.2.1球磨機(jī)中內(nèi)磨球的運(yùn)動(dòng)區(qū)域。如果球磨機(jī)的筒體中為純液體，基于相關(guān)原理能夠知道筒體當(dāng)中不同區(qū)域的運(yùn)行速度梯度，可以將旋轉(zhuǎn)球磨機(jī)的內(nèi)部劃分成為四大區(qū)域，磨球的碰撞頻率高度與強(qiáng)度主要取決于流體的速度梯度，通過(guò)這樣的區(qū)域劃分能夠讓磨球通過(guò)這些區(qū)域，從而獲得更優(yōu)的研磨效果。

1.2.2筒體的理論臨界轉(zhuǎn)速。通常，筒體中外層的球磨隨著內(nèi)壁進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)的速度就是臨界速度，基于相關(guān)公式與影響滑動(dòng)的相關(guān)理論知識(shí)，臨界的轉(zhuǎn)速與磨球的摩擦系數(shù)有著明顯的相關(guān)關(guān)系，摩擦系數(shù)的區(qū)別，實(shí)際的臨界轉(zhuǎn)速也會(huì)有區(qū)別。要讓磨球的工作效率更高，則球磨機(jī)的筒體轉(zhuǎn)速要適當(dāng)小于臨界轉(zhuǎn)速，相關(guān)研究證實(shí)，雙向旋轉(zhuǎn)球磨機(jī)筒體的轉(zhuǎn)速在70r/min～84r/min更好。

1.2.3球磨機(jī)的最小填充率。研究中的介質(zhì)為物料與磨球混合之后形成的均勻密度的物體，介質(zhì)的填充率對(duì)球磨機(jī)的工作效率影響也很大，對(duì)于本文中研究的球磨機(jī)，要實(shí)現(xiàn)最佳的工作狀態(tài)應(yīng)該具有一個(gè)最小的介質(zhì)填充率，通過(guò)研究論證，當(dāng)介質(zhì)的填充率在14%以下時(shí)，攪拌棒不能夠發(fā)揮出作用，這樣球磨機(jī)的狀態(tài)與常規(guī)的球磨機(jī)類似，攪拌棒還會(huì)產(chǎn)生無(wú)用的功耗造成浪費(fèi)，因此，填充率至少要高于理論值。

1.3雙向旋轉(zhuǎn)球磨機(jī)的粉碎機(jī)制。雙向旋轉(zhuǎn)球磨機(jī)根據(jù)不一樣的作用力具有三種粉碎機(jī)制，分別是摩擦粉碎、沖擊粉碎和擠壓粉碎。摩擦粉碎是指基于顆粒的表面切線方向上發(fā)揮剪切作用，讓細(xì)小顆粒能夠脫落，顆粒呈現(xiàn)兩種峰值狀態(tài)；沖擊粉碎則是讓顆粒受到強(qiáng)烈快速的沖擊，同樣讓顆粒變小，相對(duì)粒徑在20%～70%之間；擠壓粉碎為顆粒受到緩慢且強(qiáng)烈的擠壓作用，然后發(fā)生破碎，顆粒會(huì)變小，相對(duì)粒徑在50%～80%之間。總之，雙向球磨機(jī)的粉碎以摩擦為主，擠壓粉碎方式為輔。

2　雙向旋轉(zhuǎn)球磨機(jī)的應(yīng)用

2.1雙線旋轉(zhuǎn)球磨機(jī)的測(cè)試。應(yīng)用試驗(yàn)分為量大部分，首先對(duì)樣品進(jìn)行研磨，然后對(duì)得到的成品進(jìn)行測(cè)試。首先是研磨試驗(yàn)：首先將雙線旋轉(zhuǎn)球磨機(jī)清洗干凈，確保產(chǎn)品的純度不會(huì)受到殘留物的干擾；將雙向旋轉(zhuǎn)球磨機(jī)啟動(dòng)，空轉(zhuǎn)運(yùn)行約10min，檢查機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)是否穩(wěn)定、正常；確認(rèn)無(wú)異常之后將稱重完成的鋯珠放入到筒體當(dāng)中，倒入溶液浸潤(rùn)，開機(jī)繼續(xù)運(yùn)行10min；稱取實(shí)驗(yàn)用的物料以及量取溶液，與燒杯當(dāng)中將兩者混合均勻倒入筒體中進(jìn)行混合，將球磨機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行約5min，讓筒體中的鋯珠、物料等混合均勻，關(guān)閉機(jī)器后檢查混合狀態(tài)，沒有異常的情況下設(shè)置好研磨的工藝參數(shù)開始研磨；在試驗(yàn)過(guò)程中間隔一段時(shí)間進(jìn)行取樣，同時(shí)要密切注意筒體當(dāng)中物料的變化，當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重的粘連筒體內(nèi)壁的情況時(shí)，需要添加一定量的溶液。其次是進(jìn)行研磨樣品的測(cè)試：首先對(duì)鋯珠實(shí)施超聲清洗，將其表面的附著物清除；將上層液體中加入分散劑和蒸餾水；實(shí)施超聲分散約10min；將微米與納米粒度儀啟動(dòng)并預(yù)熱30min；首先進(jìn)行微米的測(cè)量，如果樣品的粒徑達(dá)到納米界別，則使用納米粒度儀進(jìn)行測(cè)定，對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和保存，以便于后期的分析。

2.2試驗(yàn)結(jié)果與分析。通過(guò)對(duì)碳酸鈣使用干法粒度儀實(shí)施測(cè)試發(fā)現(xiàn)，物料的粒度普遍在1μm～40μm之間，粒度分析儀結(jié)果限制D50=8.9μm，D90=25.27μm；通過(guò)SEM測(cè)試分析得到原料的粒度和粒度測(cè)試的結(jié)果是基本相同的，而粒子的外表面多呈現(xiàn)不規(guī)則的形狀；通過(guò)粒度與研磨時(shí)間的關(guān)系探究，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的粒度隨著時(shí)間的增長(zhǎng)不斷變小，在0h～1h之間的變化關(guān)系最為明顯，當(dāng)研磨時(shí)間超過(guò)4h之后，變化則非常小，根據(jù)這一趨勢(shì)，研磨在6h之后趨于穩(wěn)定，考慮到研磨時(shí)間不足會(huì)造成力度下降，而實(shí)踐過(guò)長(zhǎng)會(huì)造成較大的能耗、工作效率也下降，在此建議研磨的最佳時(shí)間為5h～7h之間。通過(guò)兩種粒度測(cè)試儀的交過(guò)，發(fā)現(xiàn)使用微米粒度儀測(cè)試的結(jié)果較大，這主要是因?yàn)殡x子產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象造成的，使用SEM則能夠清晰的現(xiàn)實(shí)出納米級(jí)的粒度。

結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)雙向旋轉(zhuǎn)球磨機(jī)的工作原理、機(jī)理以及粉碎機(jī)制進(jìn)行探討，然后分析其在碳酸鈣粉碎中的應(yīng)用，具有成本較低、工作效率高以及生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，為相關(guān)的工業(yè)化生產(chǎn)提供一定的指導(dǎo)。隨著科技的進(jìn)步，雙向旋轉(zhuǎn)球磨機(jī)還會(huì)出現(xiàn)更大的進(jìn)步，研究也需要對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行深化改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

[1]鮑克偉.雙向旋轉(zhuǎn)球磨機(jī)的粉碎機(jī)理及應(yīng)用研究[D].南京理工大學(xué)，2013.

中圖分類號(hào)：TD453

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：李立奎，畢業(yè)于青島化工學(xué)院機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)為萊蕪鋼鐵集團(tuán)粉末冶金有限公司工程師。