砂磨機(jī)在油墨生產(chǎn)中的選用與發(fā)展趨勢(shì)

■ 文/天津東洋油墨有限公司 李金泉

1 概述

現(xiàn)在的油墨生產(chǎn)工藝大致分為：配料（濕法生產(chǎn)將配料工序改為擠水）、研磨、調(diào)整和灌裝。在研磨工序中，砂磨機(jī)起著至關(guān)重要的作用。

砂磨機(jī)屬于研磨設(shè)備，是從球磨機(jī)發(fā)展而來(lái)，廣泛應(yīng)用在油墨生產(chǎn)過(guò)程中的顏料分散及研磨。砂磨機(jī)有不同的分類(lèi)方式：根據(jù)攪拌軸的結(jié)構(gòu)形狀可分為盤(pán)式，棒式，棒盤(pán)式； 根據(jù)研磨筒的布置形式可以分為立式、臥式；根據(jù)筒體容積大小可分為實(shí)驗(yàn)室型、小型、中型、大型，超大型；根據(jù)介質(zhì)分離方式可分為靜態(tài)砂磨機(jī)，和動(dòng)態(tài)分離砂磨機(jī)。

生產(chǎn)不同品種的油墨，使用砂磨機(jī)的結(jié)構(gòu)形式也不同。大概遵守以下規(guī)律：凹版油墨生產(chǎn)一般使用銷(xiāo)棒（5 L～50 L）或者盤(pán)式砂磨機(jī)（10 L～100 L）；輪轉(zhuǎn)膠印油墨一般使用立棒式（5 L～130 L）或臥盤(pán)式砂磨機(jī)（60 L～500 L），而高黏度單張紙油墨生產(chǎn)經(jīng)常使用高能量密度的錐形砂磨機(jī)。

砂磨機(jī)是在球磨機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，現(xiàn)在很多人至今還將砂磨機(jī)稱(chēng)做球磨機(jī)，而在國(guó)外被稱(chēng)作攪拌式球磨機(jī)（攪拌軸＋球磨機(jī)組合）。球磨機(jī)、攪拌磨和砂磨機(jī)三者到底有什么關(guān)聯(lián)呢？從破碎原理來(lái)理解，三者共同點(diǎn)是利用研磨介質(zhì)之間的碰撞、擠壓、摩擦等原理破碎物料。因此，可以將三者歸類(lèi)到介質(zhì)磨家族。

總之，砂磨機(jī)發(fā)展大概經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段，如圖1所示。

圖1 砂磨機(jī)主要發(fā)展階段

第一階段：從球磨機(jī)到立式攪拌磨（底部篩網(wǎng)分離器+棒式研磨原件）。第二階段：從立式攪拌磨到立式圓盤(pán)砂磨機(jī)（盤(pán)式+頂部篩網(wǎng)分離器）。第三階段：從立式圓盤(pán)砂磨機(jī)到立式銷(xiāo)棒砂磨機(jī)（棒式+頂部縫隙分離器）。第四階段：從立式銷(xiāo)棒砂磨機(jī)到臥式圓盤(pán)砂磨機(jī)（盤(pán)式+動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)子離心分離器）。第五階段：從臥式圓盤(pán)砂磨機(jī)到臥式銷(xiāo)棒循環(huán)砂磨機(jī)（棒式+超大過(guò)濾面積分離器）。

球磨機(jī)無(wú)論是研磨原理還是研磨細(xì)度及應(yīng)用領(lǐng)域都與砂磨機(jī)不大相同。立式攪拌磨不借助地球重力，具有獨(dú)立能量輸入的特點(diǎn)，可以認(rèn)為是研磨設(shè)備的一場(chǎng)技術(shù)革命。

攪拌磨由于轉(zhuǎn)速低，介質(zhì)尺寸較大，沿銷(xiāo)棒徑向線(xiàn)速度梯度變化大，因而研磨效率較低，產(chǎn)品粒徑分布寬。所以，攪拌磨逐步被砂磨機(jī)擠出市場(chǎng)，現(xiàn)僅用于硬質(zhì)合金、鐵氧體研磨或預(yù)研磨。

2 砂磨機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)及運(yùn)行參數(shù)

砂磨機(jī)的功能首先是將物料磨碎，其次是將物料與研磨介質(zhì)分離。結(jié)構(gòu)參數(shù)是砂磨機(jī)本身所具有的（由制造廠家確定），而其運(yùn)行參數(shù)是實(shí)際生產(chǎn)中由操作人員（用戶(hù)）掌握。砂磨機(jī)的材質(zhì)選擇對(duì)于所加工產(chǎn)品的質(zhì)量至關(guān)重要。

2.1 砂磨機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)

（1）研磨原件結(jié)構(gòu)型式：盤(pán)式/ 銷(xiāo)棒式/ 凸塊式。

（2）研磨筒布置方式：臥式/立式。

（3）介質(zhì)分離器類(lèi)型：靜態(tài)/動(dòng)態(tài)。

（4）攪拌軸密封形式：唇封/機(jī)械密封。

（5）筒體和磨盤(pán)材質(zhì)：不銹鋼/離心澆鑄鋼/陶瓷/高分子材料（PU）。

臥盤(pán)式砂磨機(jī)研磨腔內(nèi)介質(zhì)分布均勻，研磨效率較高，帶載啟動(dòng)容易，操作方便，可以設(shè)計(jì)成大型或超大型。但由于能量密度（單位容積裝機(jī)功率）較低，研磨細(xì)度受到一定限制。

立盤(pán)式砂磨機(jī)介質(zhì)分布不均，研磨效率較低，帶載啟動(dòng)困難。優(yōu)點(diǎn)是無(wú)機(jī)械密封，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

臥棒式砂磨機(jī)能量密度大，研磨筒短，介質(zhì)分離器過(guò)濾面積大，物料停留時(shí)間短，散熱效果好，研磨效率高，產(chǎn)品粒徑分布窄。一般用于難研磨物料的大流量循環(huán)研磨工藝。

立棒式砂磨機(jī)不僅攪拌軸上布有銷(xiāo)棒，而且在筒體內(nèi)壁也往往布有銷(xiāo)棒。能量密度大，研磨強(qiáng)度高。主要用于高黏度物料，如膠印油墨、UV 油墨的生產(chǎn)。

研磨介質(zhì)既不是設(shè)計(jì)參數(shù)，也不是運(yùn)行參數(shù)，但它是一個(gè)最重要傳輸能量的中介體。研磨效率是否高，產(chǎn)品質(zhì)量是否合格，設(shè)備運(yùn)行是否可靠，部件壽命是否長(zhǎng)？都與介質(zhì)的種類(lèi)、尺寸、比重有關(guān)。

介質(zhì)分離系統(tǒng)是砂磨機(jī)的一個(gè)重要組成部分，它的功能是將已磨過(guò)的物料與研磨介質(zhì)分開(kāi)。

常用的介質(zhì)分離原理如圖2 所示，其中左上圖、左下圖、右上圖所示的分離原理為靜態(tài)分離，不能使用很小的研磨介質(zhì)。

圖2 砂磨機(jī)常用介質(zhì)分離器結(jié)構(gòu)形式

如圖3所示，結(jié)構(gòu)右下圖屬于動(dòng)態(tài)離心分離原理，可以使用小的介質(zhì)，可達(dá)到較高研磨效率。左上圖為靜態(tài)彈夾介質(zhì)分離，出口容易堵塞，但是清洗方便（被動(dòng)防守）。右上圖為旋轉(zhuǎn)分離篩筒，不易堵塞，物料從空心軸輸出，但分離筒磨損嚴(yán)重。左下圖為轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)分離篩筒結(jié)構(gòu)，離心分離原理，設(shè)備出口不易堵塞。右下圖為轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)分離結(jié)構(gòu)，并設(shè)置出口物料返回管道，當(dāng)砂磨機(jī)出口堵塞時(shí)，壓力急劇上升。

圖3 砂磨機(jī)常用介質(zhì)分離器結(jié)構(gòu)形式

2.2 砂磨機(jī)的運(yùn)行參數(shù)

（1）砂磨機(jī)的流量：影響產(chǎn)品細(xì)度，產(chǎn)量以及粒度分布。

（2）攪拌軸線(xiàn)速度：影響研磨效率，物料細(xì)度及磨損。

（3）介質(zhì)尺寸：影響研磨效率，產(chǎn)品細(xì)度。

（4）介質(zhì)填充率：影響研磨效率，產(chǎn)品細(xì)度。

（5）介質(zhì)比重：影響研磨效率，產(chǎn)品細(xì)度。

（6）砂磨機(jī)流量：流量和產(chǎn)量是兩個(gè)不同的概念，在連續(xù)研磨工藝時(shí)兩者絕對(duì)值相等，在循環(huán)研磨時(shí)，產(chǎn)量是流量的1/n（n為循環(huán)次數(shù)）。

（7）砂磨機(jī)線(xiàn)速度：線(xiàn)速度大小影響研磨介質(zhì)施加給物料顆粒的動(dòng)能強(qiáng)度，一般為8 m/s～15 m/s。

（8）研磨介質(zhì)尺寸：砂磨機(jī)使用的研磨介質(zhì)多為圓球，直徑越小，單位體積中裝填的介質(zhì)數(shù)目越多，磨球之間接觸點(diǎn)就越多，在研磨時(shí)間相同情況下產(chǎn)品細(xì)度提高，過(guò)小的研磨介質(zhì)往往引起砂磨機(jī)出口分離器的堵塞。因而，砂磨機(jī)分離器的結(jié)構(gòu)及縫隙寬度決定研磨介質(zhì)尺寸大小，在一般情況下，研磨介質(zhì)直徑為砂磨機(jī)分離器縫隙寬度的2～4倍。

（9）研磨介質(zhì)的裝填率：研磨效果的所需量，臥式砂磨機(jī)的裝填率一般為80%～85%。立盤(pán)式砂磨機(jī)的裝填率一般為75%～80%。立棒式砂磨機(jī)的裝填率一般為85%～95%。總之，研磨介質(zhì)裝填率過(guò)高，容易引起砂磨機(jī)溫升過(guò)高或者出口堵塞。若研磨介質(zhì)裝填率過(guò)低，則研磨效率低，磨損加劇，研磨時(shí)間延長(zhǎng)。

（10）研磨介質(zhì)的比重：介質(zhì)比重越大，動(dòng)能越大，研磨效率越高。生產(chǎn)膠印油墨時(shí)一般使用直徑為1.6 mm～2.5 mm 的鋼球，而研磨噴繪油墨使用直徑0.3 mm～0.8 mm的氧化鋯珠。

3 砂磨機(jī)的研磨工藝選擇

砂磨機(jī)研磨工藝一般有下面四種：?jiǎn)螜C(jī)連續(xù)、串聯(lián)連續(xù)、組合循環(huán)和單筒循環(huán)。

（1）單機(jī)連續(xù)研磨工藝一般用于細(xì)度要求不高的產(chǎn)品，如金屬礦、非金屬礦、汽車(chē)底漆等。

（2）串聯(lián)研磨屬于連續(xù)研磨，且細(xì)度要求較高產(chǎn)品，如膠印油墨、化纖消光劑、碳酸鈣等。

（3）組合循環(huán)研磨工藝是連續(xù)研磨與循環(huán)研磨的結(jié)合，第一次小流量研磨的目的是打碎粗顆粒，從第二遍開(kāi)始循環(huán)研磨，產(chǎn)品粒徑分布窄。一般用于汽車(chē)面漆的生產(chǎn)研磨。

（4）單桶循環(huán)研磨工藝前提是循環(huán)次數(shù)必須大于5，循環(huán)桶上配置有攪拌器，以保證物料充分混合，避免循環(huán)桶中出現(xiàn)死角。該研磨工藝的優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單、設(shè)備投資小。一般用于噴繪油墨、陶瓷原料（如碳化硅、氮化硅、碳化硼）等的研磨。

4 砂磨機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

研磨介質(zhì)分離系統(tǒng)的進(jìn)步隨著對(duì)產(chǎn)品細(xì)度要求的不斷提高，使用研磨介質(zhì)的尺寸越來(lái)越小。小尺寸研磨介質(zhì)的分離是砂磨機(jī)研發(fā)中最難解決的難題之一。

傳統(tǒng)砂磨機(jī)使用的縫隙環(huán)（很小的過(guò)流面積）及靜態(tài)篩網(wǎng)很難分離小尺寸介質(zhì)分離。因而越來(lái)越多地使用動(dòng)態(tài)離心分離系統(tǒng)。分離轉(zhuǎn)子帶動(dòng)介質(zhì)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的離心力使介質(zhì)被甩向轉(zhuǎn)子外周?chē)?，而轉(zhuǎn)子中心主要是料漿，而將分離篩網(wǎng)布置在轉(zhuǎn)子中心，可使?jié){料順利地通過(guò)篩網(wǎng)縫隙而流出，不會(huì)發(fā)生堵塞和磨損。所以將干法氣流分級(jí)原理用于砂磨機(jī)介質(zhì)分離是砂磨機(jī)發(fā)展史上的技術(shù)飛躍。

渦輪離心納米砂磨機(jī)是新一代納米超細(xì)研磨設(shè)備。該設(shè)備極為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)子外周邊設(shè)計(jì)成凸塊結(jié)構(gòu)，具有銷(xiāo)棒和盤(pán)式的綜合優(yōu)點(diǎn)，定子及轉(zhuǎn)子磨損小。篩網(wǎng)縫隙最小可達(dá)0.05 mm，可以使用0.2 mm 的研磨介質(zhì)，產(chǎn)品研磨細(xì)度可達(dá)到納米級(jí)。篩網(wǎng)過(guò)流面積大、不堵塞。所有與物料接觸的部件可以選擇特耐磨鋼、陶瓷及高分子材料。該設(shè)備主要用于片式多層陶瓷電容器（MLCC）、化學(xué)機(jī)械拋光材料（CMP）、氧化銦錫（ITO）、噴繪油墨及納米超細(xì)材料的生產(chǎn)。