GJM攪拌球磨機(jī)制備超細(xì)粉體的應(yīng)用研究

袁樹禮　盧世杰　周宏喜　孫小旭　劉佳鵬

(1.北京礦冶研究總院；2.北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司)

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GJM攪拌球磨機(jī)制備超細(xì)粉體的應(yīng)用研究

袁樹禮1,2盧世杰1,2周宏喜1,2孫小旭1,2劉佳鵬1,2

(1.北京礦冶研究總院；2.北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司)

摘要介紹了GJM系列攪拌球磨機(jī)最新應(yīng)用進(jìn)展，分析了該設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點以及作用機(jī)理，結(jié)合云母、滑石攪拌磨礦工藝參數(shù)優(yōu)化，介紹了攪拌磨放大選型的方法，可以為設(shè)備的高效應(yīng)用和精確化選型提供參考。

關(guān)鍵詞GJM攪拌磨機(jī)非金屬超細(xì)粉體

隨著礦物加工行業(yè)對產(chǎn)品性能要求的提高，超細(xì)粉碎技術(shù)成為礦物加工領(lǐng)域物料粉碎技術(shù)的熱點和難點，實現(xiàn)物料超細(xì)粉碎的加工設(shè)備主要有氣流磨、雷蒙磨、振動磨、膠體磨、攪拌磨等，其中以攪拌磨的發(fā)展和應(yīng)用尤為突出[1]。攪拌磨具有研磨效率高、處理能力大、能耗低、污染少等特點，是目前礦物細(xì)磨和超細(xì)磨的重要發(fā)展方向，已經(jīng)在現(xiàn)代工業(yè)、高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和新材料產(chǎn)業(yè)等相關(guān)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[2]。

通常情況下物料粉碎粒度達(dá)到10 μm以下即可稱為超細(xì)粉體，超細(xì)粉體的物理及化學(xué)性能會發(fā)生改變，應(yīng)用價值也更高。首先，超細(xì)的意義在于顆粒粒度極小而且分布均勻。以滑石、高嶺土等非金屬礦物為例，在造紙、涂料、精細(xì)化工等應(yīng)用領(lǐng)域中要求產(chǎn)品粒度d90≤2 μm，在特殊的高性能材料應(yīng)用領(lǐng)域中要求d97≤2 μm，同時還要求產(chǎn)品d50≤0.6 μm，以保證產(chǎn)品粒度分布的均勻性；其次，超細(xì)粉體還要具有一定的純度，在深加工過程中要最大限度地降低由設(shè)備造成的污染危害，尤其是鐵污染對產(chǎn)品性能影響較大，對于滑石、高嶺土、重質(zhì)碳酸鈣等白色礦物都有相應(yīng)的白度要求，如滑石通常情況下要求白度在95%以上，高嶺土和重質(zhì)碳酸鈣要求白度在90%以上，高級石墨產(chǎn)品的純度要求在97%以上；第三，要保持礦物的微觀形貌，以云母、石墨最為典型，該類型礦物為片狀結(jié)構(gòu)，礦物磨細(xì)的過程也是厚徑比不斷減小的過程，超細(xì)研磨過程中要保持礦物的片形結(jié)構(gòu)特點，才能最大限度地發(fā)揮超細(xì)粉體的物化性能。

1　GJM攪拌磨機(jī)的特點

為實現(xiàn)礦物超細(xì)粉體的制備，北京礦冶研究總院北礦機(jī)電科技有限公司自主研發(fā)了大型粉磨設(shè)備GJM系列高效攪拌磨機(jī)，在國內(nèi)的非金屬礦物超細(xì)粉碎領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，并取得了良好的應(yīng)用效果，成為石墨、高嶺土、滑石、云母等礦物超細(xì)粉體制備的標(biāo)準(zhǔn)型設(shè)備。

1.1GJM攪拌磨機(jī)的結(jié)構(gòu)及性能

GJM攪拌磨機(jī)主要由槽體、驅(qū)動裝置、攪拌器等部分組成，如圖1所示。兩個立方體形槽體在底部連通，兩槽中1個設(shè)有給料口，用作預(yù)磨；另一個設(shè)有排料口，用作精磨。槽體內(nèi)裝有粒度小于5 mm的陶瓷介質(zhì)，介質(zhì)和礦漿體積占槽體容積的一半以上。每個槽內(nèi)各設(shè)有1套驅(qū)動裝置和攪拌器。兩槽底部各設(shè)有1個卸料口和壓縮空氣入口。槽頂部設(shè)有排氣管和加球孔，槽體兩側(cè)各有1個人孔，輔助設(shè)備檢修。

圖1　GJM攪拌磨機(jī)結(jié)構(gòu)1—給料口；2—預(yù)磨槽體；3—驅(qū)動裝置； 4—排礦口；5—攪拌器；6—精磨槽體

GJM攪拌磨機(jī)工作時，攪拌器高速旋轉(zhuǎn)，對介質(zhì)和礦漿進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌，使礦物顆粒受到強(qiáng)烈粉磨。被磨礦漿首先從給料口進(jìn)入預(yù)磨槽預(yù)磨，然后從底部進(jìn)入精磨槽精磨，最后經(jīng)隔離篩從排料口排出。雙槽結(jié)構(gòu)形式使物料研磨時間更加充分，盡可能達(dá)到磨礦指標(biāo)，多臺設(shè)備串聯(lián)使用可以將礦物磨至更細(xì)，產(chǎn)品粒度最低可達(dá)到d90<1 μm。槽體內(nèi)部所有與物料接觸的部件都有高耐磨的襯層，對物料無任何污染，并且使用壽命更長，保證了設(shè)備運轉(zhuǎn)率，每年檢修次數(shù)不高于1次。GJM攪拌磨機(jī)在應(yīng)用中一般采用開路磨礦工藝配置，無需配套輔助分級設(shè)備。物料從上部進(jìn)料口自流給入或給礦泵給入后，經(jīng)過磨機(jī)的預(yù)磨槽和精磨槽，再從出料口溢流排出。從磨機(jī)底部壓力給礦，然后從排料口溢流出料，能最大限度地延長磨礦作用時間，保證磨礦效果。

1.2GJM攪拌磨機(jī)系列參數(shù)

GJM攪拌磨機(jī)在非金屬礦的應(yīng)用中積累了大量的工業(yè)數(shù)據(jù)，并形成了滿足不同生產(chǎn)需求的設(shè)備參數(shù)配置。目前該攪拌磨機(jī)的最大型號為GJM30，磨機(jī)容積達(dá)到30 m3，單槽容積15 m3，設(shè)備裝機(jī)功率264 kW，在高嶺土超細(xì)磨中，磨礦產(chǎn)品粒度達(dá)到d90=2 μm時的干礦處理能力為4.5～8.0 t/h；在滑石超細(xì)磨中，磨礦產(chǎn)品粒度達(dá)到d75=2 μm時的干礦處理能力為3～5 t/h。GJM磨機(jī)的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　GJM攪拌磨機(jī)技術(shù)參數(shù)

2　GJM攪拌磨機(jī)的應(yīng)用

GJM攪拌磨機(jī)選型試驗是確保設(shè)備投產(chǎn)后高效運行的重要手段，采用實驗室裝機(jī)功率為2.2 kW、容積為5.4 L的磨機(jī)對礦漿濃度、磨礦介質(zhì)粒度、分散劑添加量等工藝條件進(jìn)行前期的探索研究，并獲得不同工況條件下的磨礦時間，可實現(xiàn)工藝參數(shù)優(yōu)化和工業(yè)設(shè)備選型。

2.1云母選別

選用河南伊川某云母選礦廠粗選精礦作為試驗原料，開展云母超細(xì)磨工藝參數(shù)及磨礦選型試驗研究。試驗原料組成成分分析如表2所示，主要礦物為白云母和絹云母，云母是典型的難破碎物料，測定真密度為2.71 g/cm3，試樣的粒度分布如圖2所示。云母在破碎后有幾何還原特性，隨著物料破碎粒度的變小，黏性顯著增加，超細(xì)粉碎難度增加。

表2　試樣化學(xué)元素分析

圖2　試樣粒度分布

2.1.1介質(zhì)直徑影響

在礦物粉碎過程中，磨礦介質(zhì)直徑與物料粒度d90匹配才能發(fā)揮最優(yōu)的磨礦效率。圖3所示為礦漿濃度為50%、分散劑用量為試驗礦樣質(zhì)量的0.2%時，介質(zhì)直徑對磨礦效率影響的結(jié)果。

圖3　介質(zhì)直徑對磨礦效率的影響■—2 mm;●—3 mm;▲—4 mm;▼—5 mm

由圖3可知，在相同的磨礦時間內(nèi)，φ4 mm介質(zhì)的磨礦效率最高，最終產(chǎn)品d90達(dá)到5 μm，其次是φ5 mm介質(zhì)；φ2 mm介質(zhì)的磨礦效率最差，但從曲線的變化過程中可以發(fā)現(xiàn)，d90<20 μm時，φ2 mm介質(zhì)的磨礦效率反而比φ4 mm介質(zhì)的磨礦效率更高，因此φ2 mm介質(zhì)更適于對超細(xì)顆粒的研磨，而在整體磨礦過程中其磨礦效率較φ4 mm介質(zhì)的磨礦效率要差。

2.1.2礦漿濃度影響

在磨礦介質(zhì)直徑為φ4 mm介質(zhì)、分散劑用量為試驗礦樣質(zhì)量的0.2%條件下，考察礦漿濃度對磨礦效率的影響，結(jié)果見圖4。

圖4表明，礦漿濃度對磨礦效率的影響不大，礦漿濃度為50%時的磨礦效率相對最優(yōu)。試驗過程中觀察發(fā)現(xiàn)，礦漿濃度為50%時，云母礦漿具有較好的流動性，而且隨著礦漿濃度的提高其流動性逐漸變差，礦漿濃度高于60%時，礦漿流動性很差，因此，確定礦漿濃度為50%。

圖4　礦漿濃度對磨礦效率的影響■—45%;●—50%;▲—55%;▼—60%

2.1.3分散劑用量影響

選取工業(yè)級六偏磷酸鈉作為分散劑，在磨礦介質(zhì)直徑為4 mm，礦漿濃度為50%，分散劑添加量分別為試驗礦樣的0.1%、0.2%、0.3%條件下，考察分散劑用量對磨礦效率的影響，結(jié)果見圖5。

圖5　分散劑用量對磨礦效率的影響■—0.3%;●—0.2%；▲—0.1%

由圖5可知，在分散劑添加量為0.2%時，磨礦效率最佳。確定分散劑用量為0.2%。

2.1.4磨礦時間確定

根據(jù)現(xiàn)場的生產(chǎn)要求，磨機(jī)內(nèi)初加介質(zhì)為按照不同介質(zhì)直徑配比添加。一方面針對原礦粗粒級分布寬的特點，增加φ5 mm的大粒徑介質(zhì)配比，同時采用φ2 mm介質(zhì)增強(qiáng)對細(xì)粒礦物的磨礦作用，通過綜合分析介質(zhì)直徑對磨礦效率的影響，按照介質(zhì)直徑φ5 mm∶φ4 mm∶φ2 mm=1∶2∶1的制度作為初加介質(zhì)配比，在礦漿濃度為50%、分散劑用量為0.2%條件下，考察磨礦時間對磨礦效果的影響，結(jié)果見圖6。

圖6　磨礦時間對云母礦石磨礦效果的影響

從圖6可以得出，從d90=100 μm磨到d90=10 μm所需的磨礦時間為24 min，根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)的磨礦處理能力1.3 t/h，計算出滿足該處理能力所需的設(shè)備容積為20 m3，選用2臺GJM10攪拌磨機(jī)并采用串聯(lián)的配置方式完全滿足了現(xiàn)場的生產(chǎn)需求。

2.2滑石選別

選用四川涼山州某滑石選礦廠的干磨精粉作為試驗原料，利用實驗室SJ19半工業(yè)型試驗設(shè)備開展實驗室工藝參數(shù)研究。試驗原料礦物真密度為2.67 g/cm3，在給礦粒度為d75=38 μm，要求產(chǎn)品粒度為d75=2 μm的條件下，最佳磨礦介質(zhì)粒度為φ2 mm，礦漿濃度為50%，試驗采用聚丙烯酸鈉作為分散劑，分散劑有效成分的添加量為試驗礦樣的0.4%。試驗結(jié)果如圖7所示。

圖7　磨礦時間對滑石礦石磨礦效果的影響

圖7表明，從d75=38 μm(d90=55 μm)，磨到d75=2 μm(d90=4 μm)的研磨時間為24 min，根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)要求的處理能力2.5 t/h，可以計算出所需的設(shè)備容積為40 m3，選用2臺GJM20攪拌磨機(jī)完全滿足了生產(chǎn)需求。

3　結(jié)　論

GJM系列攪拌磨機(jī)具有工藝配置簡單、操作維護(hù)簡便、易損件使用壽命長等優(yōu)勢，為該設(shè)備的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。結(jié)合工業(yè)應(yīng)用項目開展工藝參數(shù)研究可為設(shè)備高效化應(yīng)用提供最優(yōu)的生產(chǎn)條件，以磨礦時間的選型方法準(zhǔn)確地確定設(shè)備型號，為項目提供最佳的設(shè)計選型方案。

參考文獻(xiàn)

[1]吳建明，曹永新．GJ5×2大型雙槽高強(qiáng)度攪拌磨機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用[J].有色金屬：選礦部分，2009(3)：46-51.

[2]袁樹禮，吳建明，楊俊平．大型單槽高強(qiáng)度攪拌磨機(jī)的研制及在石墨行業(yè)的應(yīng)用[J].中國非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊，2013(2)：37-39．

(收稿日期2016-05-05)

袁樹禮(1985—)，男，工程師，碩士，100160 北京市豐臺區(qū)南四環(huán)西路188號。