球料質(zhì)量比和大小研磨球質(zhì)量比對Cr2O3粉體球磨效果的影響

黃章恒 趙 靖 黃冠騰 鄭朝洲 羅姍姍 歐景娟 李杏燕

1）百色學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院 廣西百色533000

2）廣西壯族自治區(qū)鋁基新材料工程研究中心 廣西百色533000

3）百色學(xué)院信息工程學(xué)院 廣西百色533000

Cr2O3為六方晶系，遇熱非常穩(wěn)定，是生產(chǎn)高鉻磚、鉻剛玉磚等優(yōu)質(zhì)耐火材料的一種主要添加劑［1］。工業(yè)生產(chǎn)中，Cr2O3主要通過重鉻酸鈉與硫酸銨熱分解法、氫氧化鉻分解法、鉻酸酐熱分解法、重鉻酸鉀硫磺氧化還原法等工藝制備［2－3］。通過上述方法制備的Cr2O3在用于實(shí)際使用時(shí)，需要進(jìn)一步減小粒度，一般情況下都是借助于球磨或者砂磨完成的。

行星式高能球磨機(jī)用于制備超細(xì)粉體，其工作原理是磨罐在工作中通過磨球在公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)產(chǎn)生合力的作用下把物料撞擊粉碎［4－5］。影響球磨效果的因素有球磨時(shí)間、球磨轉(zhuǎn)速、球磨物料的固含量等。其中，球料質(zhì)量比和不同球質(zhì)量比是十分重要的控制參數(shù)。球料質(zhì)量比越大，球磨介質(zhì)的量就越多，這將會(huì)使物料受到的剪切應(yīng)力和沖擊頻次增大，進(jìn)而保證較好的粉碎效果。然而，球料質(zhì)量比持續(xù)增大，各個(gè)球之間的自磨損會(huì)加劇，這一定程度上降低了球和物料兩者的相互作用，使得細(xì)顆粒的含量下降，研磨不夠均勻，大顆粒較多，能耗也會(huì)隨之增加。同時(shí)，球料質(zhì)量比的增大會(huì)導(dǎo)致物料中的雜質(zhì)增多；球料質(zhì)量比太小，顆粒破碎效率較低。因此，球料質(zhì)量比存在一個(gè)最佳范圍［6］。而如果其他參數(shù)保持一致，不同球質(zhì)量比也有一個(gè)最佳的范圍，從磨球大小分析，尺寸大則撞擊效果好，有利于粉碎粗硬的原料顆粒，但滾碾面積下降，不利于細(xì)顆粒研磨，二者相互制約，最好是大小搭配［7－8］。只有當(dāng)球料質(zhì)量比和不同球質(zhì)量比較為合適時(shí)，才能確保磨球的沖擊研磨效果最佳，進(jìn)而使得球磨機(jī)的效率得以提升，使產(chǎn)量最大化［9－11］。

現(xiàn)今，關(guān)于Cr2O3單獨(dú)研磨的研究，尤其是研磨過程中如何控制球料質(zhì)量比和不同球質(zhì)量比相關(guān)的研究較少。因此，在本工作中，通過試驗(yàn)確認(rèn)Cr2O3粉體在研磨過程中最佳的球料質(zhì)量比和不同球質(zhì)量比，以獲得分散性好、粒度均勻的粉體，使之可以更好地應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)中所用的主要原料為w（Cr2O3）＝99.26%，初始粒度d50＝4.348μm的Cr2O3粉末；采用D－134聚羧酸鹽為分散劑，添加量為0.6%（w）；研磨介質(zhì)為純水，球磨Cr2O3的固含量為50%（w）。采用球磨機(jī)進(jìn)行2 h濕法球磨，研磨選用剛玉罐和剛玉球，設(shè)定球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為公轉(zhuǎn)150 r·min－1，自轉(zhuǎn)300 r·min－1。

試驗(yàn)分為兩個(gè)系列：第一系列全部選擇直徑為6 mm的剛玉球，球料質(zhì)量比分別為1∶1.5、1∶1.3、1∶1.1、1.1∶1、1.3∶1和1.5∶1進(jìn)行6組試驗(yàn)；第二系列固定球料質(zhì)量比為1.3∶1時(shí)，分別選用直徑6和10 mm的剛玉球，依照直徑6 mm剛玉球和直徑10 mm剛玉球的質(zhì)量比分別為1∶2、1∶1、2∶1、3∶1、4∶1和5∶1進(jìn)行6組試驗(yàn)。

球磨后利用LA－960激光粒度分析儀測試粒度，采用掃描電子顯微鏡觀察漿料經(jīng)120℃烘干后的粉體形貌，并觀察不同球料質(zhì)量比和不同球質(zhì)量比的漿料靜置1～15 d的沉降。

2 結(jié)果與討論

2.1 Cr2O3粉研磨前后的顯微形貌

圖1所示為球磨前后Cr2O3粉體的SEM照片。

圖1 球磨前后的Cr2O3粉的SEM照片

從圖1（a）可以看出，未研磨的Cr2O3顆粒較大，呈六方晶型，且粒度分布不均勻。從圖1（b）看出：球料質(zhì)量比為1.3∶1時(shí)，球磨后的Cr2O3晶粒較細(xì)，粗大的六棱錐顆粒已消失。從圖1（c）看出：不同球質(zhì)量比為5∶1時(shí)，球磨后的Cr2O3粒度比球料質(zhì)量比為1.3∶1球磨后的Cr2O3粉體更細(xì)，且粒度分布均勻。從圖1還可以看出，Cr2O3粉體研磨前后均產(chǎn)生了聚集，但產(chǎn)生的原因卻不相同。研磨前Cr2O3粉體粒度相差較大，且因其形狀不規(guī)則，顆粒的表面電荷極易集中在顆粒的拐角及凸起處，這些帶電粒子極不穩(wěn)定。為了趨于穩(wěn)定，帶電粒子相互吸引，尖角處互相接觸連接，使顆粒產(chǎn)生團(tuán)聚。而研磨后的粉體因粒度較小，且在烘干的過程中粉體間相互頻繁地碰撞，電荷轉(zhuǎn)移和界面原子的相互耦合使分散性遭到破壞，導(dǎo)致了粉體顆粒團(tuán)聚。

2.2 粒度分析

不同球料質(zhì)量比條件下Cr2O3粉的粒度測試結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯觯何囱心サ腃r2O3粒度較粗，其粒徑分布主要集中在1.0～10.0μm。研磨后，顆粒分布主峰向細(xì)的一側(cè)移動(dòng)，如圖2（a）所示。研磨后的粒度分布沒有出現(xiàn)多峰的情況，說明Cr2O3顆粒已經(jīng)被充分研磨。從圖2（b）可以看出，隨著球料質(zhì)量比的增加，Cr2O3粉的d10相差不大。而從d50的變化趨勢中可以看出，研磨球較少時(shí)（球料質(zhì)量比為1∶1.5、1∶1.3和1∶1.1），d50約為2.3μm；隨著研磨球的增加（球料質(zhì)量比為1.1∶1），d50下降到2.0μm附近；球料質(zhì)量比進(jìn)一步增加時(shí)（1.3∶1和1.5∶1），d50相對穩(wěn)定。

圖2 不同球料質(zhì)量比球磨的Cr2O3粒度曲線

在整個(gè)研磨過程中，d90的變化隨著球料質(zhì)量比變化的趨勢最大。結(jié)合球磨的過程和試驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)球磨罐繞水平軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，球磨罐內(nèi)部的剛玉球和Cr2O3漿料受到摩擦力和離心力的雙重作用。磨料介質(zhì)之間的相互滑動(dòng)也會(huì)對Cr2O3漿料產(chǎn)生一定的研磨效果。從圖2的結(jié)果可以判斷，球料質(zhì)量比為1.3∶1時(shí)，Cr2O3的研磨效果最好。

不同球質(zhì)量比條件下Cr2O3球磨后的粒度測試結(jié)果如圖3所示。從圖3（a）看出：隨著不同球質(zhì)量比增加，即6mm剛玉球數(shù)量增加后，粒度變小。由圖3（b）可知，當(dāng)不同球質(zhì)量比為1∶1時(shí)，Cr2O3粉的d10＝0.580μm，d50＝1.864μm；當(dāng)不同球質(zhì)量比為2∶1時(shí)，Cr2O3粉的d10和d50有小幅上升；隨后，隨著不同球質(zhì)量比增加，Cr2O3粉的d10和d50有緩慢下降的趨勢；而當(dāng)不同球質(zhì)量比為5∶1時(shí)，Cr2O3粉的d10下降到0.550μm，d50下降到1.843μm。從圖3的結(jié)果可以判斷，當(dāng)不同球質(zhì)量比為5∶1時(shí)，Cr2O3粉研磨后的整體粒度最小。

圖3 不同球質(zhì)量比球磨的Cr2O3粉的粒度曲線

2.3 沉降結(jié)果分析

圖4示出了研磨前和經(jīng)不同球料質(zhì)量比研磨后的Cr2O3漿料在放置不同時(shí)間后的沉降照片?？梢钥闯?，沉降1 d后，未研磨的Cr2O3粉配制漿料的沉降效果最為明顯；而各個(gè)球料質(zhì)量比條件下Cr2O3漿料的分層現(xiàn)象并沒有明顯區(qū)別，如圖4（a）所示。沉降5 d后，除了未研磨粉體漿料外，球料質(zhì)量比為1.5∶1、1.1∶1、1∶1.3的漿料沉降過程也基本完成，上層的漿料已經(jīng)非常清澈，如圖4（b）所示。沉降15 d后，不同的球料質(zhì)量比球磨后的漿料都有了非常明顯的分層（如圖4（c）所示），說明經(jīng)過15 d時(shí)間基本已經(jīng)沉降完畢。而球料質(zhì)量比為1.3∶1的漿料沉降速度較慢，懸浮穩(wěn)定效果最好。

圖4 研磨前和經(jīng)不同球料質(zhì)量比研磨后的Cr2O3漿料放置不同時(shí)間后的沉降情況

圖5是研磨前和經(jīng)不同球質(zhì)量比研磨后Cr2O3漿料經(jīng)不同時(shí)間沉降后的照片。如圖5（a）所示，經(jīng)過1 d的沉降后，所有漿料都出現(xiàn)了固液相的分層。當(dāng)靜置時(shí)間延長至5 d時(shí)（見圖5（b）），未研磨的Cr2O3粉體配制的漿料和不同球質(zhì)量比為1∶2的漿料沉降得更快。而Cr2O3漿料沉降15 d后，不同球質(zhì)量比為2∶1的漿料上層的液體也變得很清澈，其余不同球質(zhì)量比漿料的液相層還是混濁的狀態(tài)（見圖5（c））。說明不同球質(zhì)量比為1∶1、3∶1、4∶1和5∶1時(shí)研磨后的漿料沉淀較慢。

圖5 研磨前和不同球質(zhì)量比研磨后Cr2O3漿料放置不同時(shí)間后的沉降情況

3 結(jié)論

（1）Cr2O3研磨前顆粒形貌呈現(xiàn)六方晶型，研磨后粒度減小，顆粒分布均勻。

（2）不同球料質(zhì)量比研磨后的Cr2O3粉粒度隨球料比的增加整體呈下降趨勢，當(dāng)球料質(zhì)量比為1.3∶1時(shí)所測得粉體的d10＝0.694μm，d50＝2.042μm，d90＝4.569μm，粒度最小。在其他參數(shù)都相同的條件下，經(jīng)不同球質(zhì)量比研磨后的Cr2O3粉體的粒度隨球質(zhì)量比的增加而不斷下降，當(dāng)不同球質(zhì)量比為5∶1時(shí)所測得粉體的d10＝0.550μm，d50＝1.843μm，d90＝4.516μm，為最優(yōu)的粒度值。

（3）顆粒的沉降速度與顆粒的大小有關(guān)，球料質(zhì)量比為1.3∶1時(shí)，研磨后漿料的沉降最慢。不同球質(zhì)量比大于3∶1時(shí)，研磨后的漿料較穩(wěn)定。最佳球磨參數(shù)為球料質(zhì)量比1.3∶1，6 mm球與10 mm球質(zhì)量比5∶1。