超細粉體加工設備研究現(xiàn)狀

汪光輝 沈進杰 劉亞輝

（中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司）

超細粉體尚無統(tǒng)一定義，國外一般視粒徑小于3 μm的為超細粉體，國內普遍視粒徑小于30μm的為超細粉體，并進一步細分為微米級（1～30μm）、亞微米級（1～0.1μm）和納米級（0.001～0.1μm）。由于超細粉體顆粒體積變小而引起的體積效應和表面原子數(shù)目比例增加，進而引起表面效應，使其光學、磁學、聲學、電學和力學等性質與常態(tài)有很大差異，因此被廣泛應用于醫(yī)藥、化工、電子、能源和建筑裝修等領域［1-4］。

超細粉體制備從原理上主要分為化學合成法和物理粉碎法2種［5］，其中物理粉碎法是目前主要的制備方法，具有工藝簡單、產(chǎn)量大、成本低等優(yōu)點。相關設備主要有攪拌球磨機、振動球磨機、行星式球磨機、雷蒙磨、膠體磨、氣流粉碎機等［6-13］。因此，系統(tǒng)了解超細粉體加工設備的現(xiàn)狀，有利于加深行業(yè)技術人員對設備性能及相關技術的認知，促進粉體加工行業(yè)的進步。

1 攪拌磨機

普通臥式球磨機筒體旋轉消耗能量大，磨礦效率低的問題較突出［14-15］，而攪拌磨機的筒體靜止，能量利用率高，同時研磨介質直徑更小，產(chǎn)品粒度更細，攪拌線速度高，單位容積能量密度高，當待磨物料粒度小于100μm時，細磨效率遠高于普通球磨機，相同處理量下其規(guī)格更小，且更節(jié)能。不同磨礦階段球磨機和攪拌磨機的能耗對比見圖1［16-18］。

攪拌磨機中攪拌裝置主要有螺旋式、棒式、盤式3種。螺旋式、棒式攪拌磨機主要為立式，盤式攪拌磨機有立式和臥式2種［19］。

1.1 立式攪拌磨機

立式攪拌磨機的代表為立式螺旋攪拌磨機，攪拌器是最核心的部分，襯板為最主要的耐磨件，主要靠研磨介質（直徑12～30 mm高鉻球或陶瓷球等）重力和螺旋攪拌器帶來的摩擦力實現(xiàn)細磨，工作時攪拌裝置的線速度較低，在2.5～4.0 m/s，產(chǎn)品粒度可達到20μm左右［20］。

目前，世界上最大的VTM-4500-C型立式攪拌磨機筒體直徑為5.9 m，有效容積達145 m3，電機功率達3 356 kW［21］。

1.2 臥式攪拌磨機

臥式攪拌磨機的典型代表為Isa磨機，主要由8個安裝在軸上的磨盤組成，形成8個單獨的磨礦腔室，工作時磨盤線速度在21～23 m/s，能量輸入密度可達300 kW/m3［22］，主要利用極高的研剝力和能量密度實現(xiàn)超細磨，大大增加了磨礦效率。兩磨盤之間的磨礦介質由于沿盤面向外的徑向加速度不同從而形成內循環(huán)，因此物料在磨機內不可能形成短路。

Isa磨機排礦端安裝的產(chǎn)品分離器具有分級功能，將粒度合格的磨礦產(chǎn)品排出磨機，而將介質和粗顆粒留在磨機中。MT1系列磨礦介質的直徑一般在2～6 mm，主要成分為氧化鋁，密度為3.7 kg/m3左右，堆密度22.54～23.52 N/dm3，維氏硬度HV為1 300～1 400，同時采用可轉動的筒體內襯，一體式的、用后可棄的橡膠襯里有效降低了磨損，檢修簡單，適用于礦物（有色或非金屬）、化工、顏料行業(yè)的超細磨，適宜給礦粒度F80=38μm左右，產(chǎn)品粒度一般P80=10μm或更細［23-25］。

2 氣流粉碎機

氣流粉碎機的原理是利用高速氣流使物料與沖擊部件發(fā)生碰撞、沖擊、剪切等作用而粉碎。氣流粉碎產(chǎn)品粒度細、分布窄，顆粒表面整潔光滑、粒形規(guī)整、分散性好、活性高［26］。氣流粉碎機廣泛用于加工硬度不大的非金屬礦物，如化工原料、食品、藥材等［27］。根據(jù)氣流粉碎機的結構或工作方式的不同可劃分為扁平式、循環(huán)管式、對撞式、靶式、流化床式［28］。

2.1 對撞式氣流粉碎機

對撞式氣流粉碎機又稱對噴式氣流磨、逆向噴射磨，以Majac型（圖2）為典型代表。設備工作時，兩股經(jīng)過加速的物料與高速氣流一起在水平直線上的某點相遇并發(fā)生對撞完成粉碎，隨氣流進入分級室的固體顆粒在分級轉子的作用下，粗顆粒留在外緣并返回至粉碎室再粉碎，滿足粒度要求的細顆粒繼續(xù)上升，流出后經(jīng)氣固分離成為產(chǎn)品。由于破碎過程主要依靠顆粒間的高速碰撞，撞擊力強，粉碎速度快，能量利用率高，產(chǎn)品粒度也較細，可有效減輕部件的磨損及產(chǎn)品被污染，缺點是設備安裝所需場地面積較大，產(chǎn)品能耗高，且粒度分布范圍較寬［26，28］。對撞式氣流粉碎機適用于粉碎硬度較大，具有脆性或粘性的物料。

2.2 扁平式氣流粉碎機

扁平式氣流粉碎機（圖3）又稱水平圓盤式氣流磨。設備工作時，高壓氣流以超高速從噴嘴噴出，物料經(jīng)文丘里噴嘴加速后送至粉碎室作高速循環(huán)運動，通過沖擊、碰撞、摩擦而粉碎。在離心力作用下，粗顆粒被甩向粉碎室內壁作循環(huán)粉碎，細顆粒隨氣流溢出被收集。

該設備的優(yōu)點為結構簡單、操作方便。缺點是粉碎硬度較大物料時會造成磨腔受損，產(chǎn)品受污染。能耗隨產(chǎn)品粒度變小而成倍提高，能量大部分為無用功，物料一般只加工到D50=1μm左右。

2.3 流化床氣流粉碎機

流化床氣流粉碎機（圖4）常用于陶瓷、化工原料、耐火材料、電池材料、制藥等行業(yè)的物料超細粉碎、打散及整形。設備工作時，高壓空氣通過若干個噴嘴高速噴入粉碎室，給入的物料被粉碎室內的高壓氣流加速，在各噴嘴交匯點處通過碰撞、摩擦完成粉碎，并隨氣流進入分級室完成分級，粗物料沉降返回至粉碎區(qū)繼續(xù)粉碎，合格產(chǎn)品溢出由旋風分離器收集。

流化床氣流粉碎機具有效率高、產(chǎn)品粒度分布窄、適合大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點，但價格較高，要求被粉碎的物料足夠細且密度不宜過大。

3 其他粉體加工設備

3.1 雷蒙磨

雷蒙磨的產(chǎn)品粒度上限一般在325～400目［29］，若配套分級系統(tǒng)，可連續(xù)生產(chǎn)粒度上限在800～1250目的微粉［30］。在離心力的作用下，磨輥被緊緊壓在磨環(huán)上，物料被鏟子送到磨環(huán)和磨輥之間，在研磨壓力的作用下，材料破碎成粉末。然后在風機的作用下，粉狀物料被吹起，符合細度要求的物料被收集，不符合要求的物料返回研磨室繼續(xù)研磨。

雷蒙磨由主機、風機、分析儀、管道除塵系統(tǒng)組成，還可配置破碎機、提升機、料倉、電磁振動給料機、電氣控制柜等，具有占地面積小、成套性強、處理量大、能耗低、產(chǎn)品細度好等優(yōu)點，但噪音大，振動比較厲害［31］。雷蒙磨廣泛應用于冶金、建材、化工等領域非金屬礦物的磨碎，適合加工莫氏硬度七級以下、濕度6%以下的各種非易燃易爆礦物。

3.2 膠體磨

膠體磨分為立式、臥式、管道式等，是一種離心式設備，其線速度一般為13～40 m/s［32］。膠體磨工作時，轉齒（轉子）與定齒（定子）相對高速旋轉，物料向下透過兩齒時受到強大的剪切、摩擦、振動等作用，從而達到超細粉碎效果。膠體磨主要用于食品、涂料、化妝品、醫(yī)藥、日用化工等行業(yè)。主要優(yōu)點是結構簡單、保養(yǎng)維修方便，適用于較高粘度、較大顆粒的物料粉碎，但其中不允許混有石英砂、碎玻璃、金屬屑等硬物質，所加工的產(chǎn)品粒徑可達幾微米甚至1μm以下。主要缺點是作離心運動的流量不恒定，且隨物料粘性變化顯著；轉、定子和物料間的高速摩擦產(chǎn)生的較大熱量使物料變性，表面較易磨損，導致細化效果顯著下降。

3.3 行星式球磨機

行星式球磨機由于筒體既產(chǎn)生公轉又產(chǎn)生自轉，物料受球磨介質產(chǎn)生的強烈沖擊、摩擦、碾壓等作用被粉碎。行星式球磨機可分為立式、臥式2種，可干式或濕式研磨和混合物料，研磨產(chǎn)品粒徑最小可至0.1μm。優(yōu)點是質量輕，制造、安裝容易且費用低，單位電耗低，磨球規(guī)格僅為管式球磨機磨球的1/4等。缺點是結構復雜，襯板和研磨體磨損快，連續(xù)加料或卸料裝置有待改進。行星式球磨機特別適用于制備高硬度、低密度、超細粉體以及大批量生產(chǎn)粉體［33］，廣泛應用于冶金、化工、醫(yī)藥、美容、環(huán)保等行業(yè)。

3.4 振動磨

振動磨工作時作高頻振動的研磨介質對物料產(chǎn)生沖擊、剪切、研磨等作用，進而被迅速粉碎，產(chǎn)品粒度可達幾微米。振動磨具有結構緊湊、維修方便、產(chǎn)品粒度均勻等優(yōu)點，但是其能量利用率低、噪音大，對相關零件技術要求高，磨筒直徑一般限制在650 mm。在磨制細粉和超細粉時比傳統(tǒng)磨機效率高2～5倍，節(jié)能70%～80%，工藝配置及流程靈活多變［34］。振動磨可廣泛應用于建材、化工、陶瓷、玻璃、耐火材料等行業(yè)。

4 結 語

超細粉體因具有優(yōu)異的性能而備受相關科研工作者或企業(yè)重視。我國超細粉體加工設備種類多，通過攪拌磨濕法制備超細粉體處理量大、能耗低，但需另行配置過濾、烘干等設備。氣流粉碎技術已成為研制各種高性能微粉材料的首選，但在某些領域由于其單機處理量低、能耗高而限制了該技術的發(fā)展。試驗及生產(chǎn)實踐中具體選擇何種技術及裝備，需要綜合考慮原料的物理化學性質、應用環(huán)境及后續(xù)加工工藝特征等因素。