超細濕法攪拌磨研究現(xiàn)狀與展望

/超細濕法攪拌磨討論現(xiàn)狀與展望（中國礦業(yè)大學，北京/吳翠平，紀鴻，管大元，李慧）粒徑為10～0.1m的粉體稱為超細粉體，具有快速的化學反應性、溶解度大、高吸附性、低溫燒結性及高填充補強性等等優(yōu)良性能。非金屬礦物超細粉體廣泛應用在高尖端陶瓷及陶瓷釉料、塑料、化妝品、強耐火材料、醫(yī)藥、微電子及石油化工等行業(yè)。攪拌磨因其結構特點得名，由一個靜置內填研磨介質的筒體和一個旋轉攪拌器構成，是一種高效率的超細粉磨設備。由于干法研磨有相應的干法分級粒度要求存在不可克服的障礙、磨機無法利用很細小的研磨介質、干法環(huán)境使磨機無法突破小顆粒的高強度、礦物細磨后團聚、研磨時有熱散失等自身限制，而利用液體（大多為水）作為研磨背景的濕法研磨可完全克服以上缺點，所以濕法研磨較干法研磨更有優(yōu)勢。我國超細攪拌研磨技術開始于1990年，之后的二十多年，超細濕法攪拌技術快速進展，單機處理本領不斷提高，目前，d972m單機生產(chǎn)本領達到2000kg/h以上。新研制超細濕法攪拌磨機的粉碎極限漸漸降低，例如DCP型和SC型超細濕法攪拌磨可以生產(chǎn)d50=0.3m的超細粉。本文以塔式磨機，立式砂磨機，臥式砂磨機和Isa攪拌磨（IsaMill，因由澳大利亞MountIsa鉛鋅礦與德國Netzsch—Feinmahltechnik公司共同研制而命名）四種典型的濕法攪拌磨為例，綜述超細濕法攪拌磨近年來的討論進展，并對大處理量納米級濕法攪拌磨的研制前景進行展望。1濕法攪拌磨的優(yōu)勢亞微米、微米級粉體制備技術已特別成熟，國內外也大量應用相應技術設備，而納米級粉體生產(chǎn)制備技術開發(fā)是近幾年討論熱點。粉體物料顆粒粒徑的降低導致顆粒粉體材料自身缺陷削減，使得其強度增大，難以粉碎和分級。實踐閱歷表明，干法氣流粉碎和分級無法完成亞微米級粉體材料的制備，只有濕法超細粉碎才能完成亞微米級乃至納米級粉體材料的制備。濕法振動磨可以完成亞微米級粉體的制備，但由于無法采納更小粒徑的研磨介質，所以不再能完成更細粒度材料制備。濕法攪拌磨能夠利用攪拌器帶動研磨腔內研磨介質高速不規(guī)定運動，使腔內研磨顆粒與顆粒、顆粒與物料、物料與攪拌器、物料與腔壁以及攪拌器與物料和顆粒三者間產(chǎn)生猛烈碰撞從而制得納米級粉體顆粒材料。所以，在制備納米級粉體方面，濕法攪拌磨具有巨大優(yōu)勢。2立式濕法攪拌磨立式攪拌磨意指筒體垂直于水平面安置的攪拌磨。其基本部件包括筒體、攪拌裝置、傳動裝置和機架。傳動裝置將電機動能傳遞給攪拌裝置使其旋轉，旋轉的攪拌裝置帶動筒體內的研磨介質與物料做多層次的旋轉和位移運動，使研磨介質和物料進行研磨、擠壓、撞擊、揉搓和剪切等作用，達到磨碎和剝離礦物的效果。國內外討論者在對新式立式濕法攪拌磨的研制方面成果頗豐。張國旺等結合攪拌磨中針對能量利用率的提高和不同工業(yè)礦物的研磨最佳工藝討論較少的情形，經(jīng)過分析塔式磨、砂磨機、棒式攪拌磨和環(huán)隙式攪拌磨等四種超細攪拌磨的優(yōu)缺點，設計了一種稱為立式螺旋棒式攪拌磨機的超細攪拌研磨裝置，該裝置筒體的材質采納合金鋼、聚氨酯、不銹鋼，外形設計為異形結構，研磨過程采納直徑為Ф1～10mm或更細的研磨介質，適合工作速度為3～6m/s，具有能量利用率高和操作維護便利的特點。當前應用最廣、最典型的立式濕法攪拌磨是塔式磨機和立式砂磨機。2.1塔式磨機20世紀中葉由Kubota公司最初制造的塔式磨機具有研磨介質球小、設備結構簡單、噪音小、產(chǎn)品粒度分布均勻和能量利用率高等特點，被廣泛用于石墨、金礦石和氧化鐵粉的細磨。其攪拌器呈螺旋狀，可以進行高速回轉，并可以在20～5000m的寬粒度范圍接受給礦。正由于其良好性能特點，近年來，國內外專家對其原理、結構設計和過程模擬等工作始終在積極進行。母福生等針對螺旋直徑、導程與直徑比和轉速等關鍵結構參數(shù)對塔式磨機進行鋁土礦三水平正交研磨試驗。討論認為，在研磨機理上，塔式磨機的磨礦過程符合Charles定律；在磨機結構上，較大的攪拌器直徑與筒內徑比可以使介質球獲得較高動能，合理選擇螺旋升角有利于將能量轉化為剪切能，同時適當提高轉速有利于磨礦效率的改善，但過高轉速會降低能量利用率，較為適合的線速度為6～8m/s。該文建立了用于描述筒內環(huán)形區(qū)域間研磨介質球速度的數(shù)學模型。MattSinnott等利用三維離散單元法（DEM，DiscreteElementMethod）對塔式磨機進行了裝置結構參數(shù)、筒內顆粒流作用形式和研磨機內能量消耗等方面的模擬分析。在額定功率1.5kW、角速度100rpm、筒內容量39L的設定環(huán)境下模擬，模擬結果表明塔式磨機攪拌器的螺旋結構可使磨機內環(huán)境獲得螺旋軸向的一股能量強大的漩渦流和一股猛烈的螺旋軸向介質回流，使介質流在軸向中心方向先沿軸向上移動，后再由螺旋與研磨筒壁之間的環(huán)形區(qū)域向下回流。這種圓柱形對稱的整體回流不倚靠于軸線在筒內的位置，可以使筒內30%的介質球參加猛烈剪切研磨過程，提高了能量利用率。模擬中發(fā)覺，大約每0.1J的能量對應不小于0.01的碰撞頻率。筒內速度、壓力和介質能量汲取率最高值顯現(xiàn)在直徑為14cm螺旋攪拌器的邊緣。MattSinnott等還利用DEM、SPH（SmoothedParticleHydrodynamics，光滑粒子流體力學）和DEM/SPH單向耦合的方法對塔式磨機的礦漿流流動速度分布和動態(tài)多孔隙介質中礦漿黏性效應進行認真模擬分析。由于兼顧固體顆粒粉碎，模擬試驗中察看到顆粒的粉碎加強了礦漿的滲透性和流動性。礦漿依靠黏性而隨著研磨顆粒被螺旋攪拌器提升并達到研磨效果，這使得低黏度礦漿的提升效率降低。礦漿被提升的比率影響著礦漿在筒內的駐留時間，所以應結合不同材料特性適當掌控礦漿黏度以得到最佳駐留時間，提高研磨速度并防止過磨。討論采納的SPH技術及DEM/SPH耦合技術手段特別值得借鑒。2.2立式砂磨機近年來，國產(chǎn)立式砂磨機進展快速，設備整體設計趨于先進化、模塊化，其設備大型化也漸漸成熟，可應用于粒度要求d975m的萬噸級碳酸鈣生產(chǎn)線。國內學者重要對立式砂磨機的結構優(yōu)化和改進打開工作。夏紅波在分析了砂磨機中攪拌器功率、攪拌磨轉速、物料填充系數(shù)合研磨介質等運行參數(shù)后，針對國產(chǎn)SB260—A立式砂磨機進行了優(yōu)化設計，實在包括反向裝配焊接有犁刀螺旋片的定距套管兩兩相對反向安裝以防止流體軸向單向流動；為降低分散盤徑向速度梯度改善漿料運動情形，改進了分散盤表面為上下加工有均勻凸起且螺旋相反的螺旋線；將中軸改良為內徑58mm中空軸，并在內孔中通入冷卻循環(huán)水，以冷卻物料及設備；為延長筒體使用壽命將筒內襯換為10mm厚的氧化鋁陶瓷層。經(jīng)優(yōu)化設計后的砂磨機最低調頻37Hz，電機功耗降至17kW，選配40kW電機，可以節(jié)電58.55%。砂磨機在研磨氫氧化鋁制備優(yōu)質晶種工藝中，在將團聚的大顆粒分開的同時還可以把氫氧化鋁顆粒研磨為呈球形、沒有棱角而且分布在1m窄粒級的產(chǎn)品，特別適合作為結晶的種子，于是李健等結合應用于制備微粉氫氧化鋁的國產(chǎn)ssb型立式砂磨機結構及使用中存在的研磨效率低、制備適用性較差、磨損大、故障率高等問題進行優(yōu)化改進。重新設計傳動軸為研磨筒外部傳動軸，更改研磨桶密封方式為機械密封，變傳動連接為聯(lián)軸器連接。傳動結構裝置的改進減輕了原來密封軸套易磨損現(xiàn)象。3臥式濕法攪拌磨臥式濕法攪拌磨的優(yōu)點較為突出，其能量利用率高，功能多（具有研磨、攪拌和分散作用，通過攪拌器推動，研磨介質和物料進行多為循環(huán)運動和自轉運動），能耗也比一般球磨機和振動磨都低。所以，近年來國內外學者對臥式濕法攪拌磨的研磨機理、各種影響研磨效果和能量利用率的因素進行了模擬、試驗探究和優(yōu)化，開展了新式臥式濕法攪拌磨的研制開發(fā)和設備大型化等討論工作。王新文等系統(tǒng)分析討論了WJM—80新型臥式濕法攪拌磨的工況功率，把磨機的工況功率分成轉子運轉功率和研磨介質轉動功率兩，通過先分別討論、再加和的方法進行計算，并將計算結果與實際功率相比較。討論中用到多種求解功率的方法，認為所用方法適用于臥式攪拌磨機功率分析與計算。當前，在浩繁超細臥式攪拌磨中，國內外討論最多、應用最廣并且應用效果和應用前景最好的是臥式砂磨機與Isa攪拌磨。3.1臥式砂磨機目前，無論試驗室還是生產(chǎn)現(xiàn)場用臥式砂磨機，多是密閉式臥式砂磨機。其密閉的結構特點使臥式砂磨機較打開式磨機具有研磨介質填充率高、研磨介質能量密度大、可加壓操作、避開易揮發(fā)溶劑揮發(fā)、溶劑不易發(fā)泡和容器不易結皮等很多優(yōu)點。臥式砂磨機的另一緊要優(yōu)點即可以穩(wěn)定生產(chǎn)細度為d972～20m乃至更細的產(chǎn)品成為近些年臥式砂磨機被重點討論的關鍵原因。SeiyaGoto討論了臥式砂磨機物料平均粒徑與時間的關系，并通過對RMH—03型砂磨機的碳酸鈣研磨試驗的分析建立了描述顆粒粒徑的時間相關回歸函數(shù)模型。試驗條件設置為流量0.03和0.06l/min的兩組試驗，攪拌器速度6～9m/s（對應2293～3439rmp的轉速）。模型中用研磨速率常數(shù)作為時間變量的系數(shù)，分析了影響研磨速率常數(shù)的攪拌槳葉尖端速度和磨機尺寸等因素，提出時間變量的系數(shù)為臥式砂磨機的放大供給了信息基礎的觀點。結果證明，建立的回歸數(shù)學模型能夠精準描述磨機中瞬時平均粒徑并推測研磨結果，按模型實際得出的系數(shù)值進行系數(shù)比例放大即能得到放大后磨機的數(shù)學模型。這種在數(shù)學模型基礎上的探究，對磨機設備改進和磨礦工藝優(yōu)化都有側緊要的啟示作用。砂磨機因其具有高效分散和強粉碎作用被應用到較難進行的鈦白粉制備實踐中。喻暉等利用德國產(chǎn)LME1000K型砂磨機進行了鈦白粉生產(chǎn)研磨試驗。在對砂磨機工作原理和性能參數(shù)進行分析時，系統(tǒng)地將砂磨機總能量調配劃分為五個：輸入能量；主軸、分散盤運動能量；研磨介質運動能量；研磨漿料運動能量；熱量。針對其能量的劃分，分別討論了電流、介質填充率、進料量和漿料黏度的變化率對能量需求的影響，得出鈦白粉研磨加工下上述參考量的最優(yōu)值。這種能量分析法不僅適用于該試驗討論，更可以應用于磨機實際生產(chǎn)分析中的因素參數(shù)優(yōu)化。針對臥式砂磨機的分散性能，李筱瑜等利用臥式砂磨機對MLCC（Multi—layerceramiccapacitors，片式多層陶瓷電容器）陶瓷漿料進行分散試驗討論，由于對漿料要避開瓷粉顆粒團聚、膜片氣孔率削減、致密性的要求提高，陶瓷漿料的分散要求也隨之提高。試驗以直徑為0.5mm氧化鋯球作為研磨介質，在填充率70～80%條件下對MLCC研磨80～90min。試驗結果證明在1900r/min～2100r/min轉速的最優(yōu)條件下臥式砂磨機對MLCC陶瓷漿料分散效果顯著。最初，國內對砂磨機的討論和生產(chǎn)要早于攪拌磨，但當時其應用僅限于顏料工業(yè)的分散或濕式解聚，高硬度、高強度研磨介質的顯現(xiàn)使得砂磨機在濕法超細研磨中的應用范圍變得廣泛。而廣泛的應用也給磨機及磨機介質提出特別的要求，比如制備珠光顏料的云母粉，就要求產(chǎn)品表面光滑；制備硅灰石填料則要求產(chǎn)品具有高強度和韌性；制備陶瓷粉末需要產(chǎn)品超細、高純、高分散、窄粒級和等積形等等。當前砂磨機廣泛用氧化鋯或硅酸鋯作為研磨介質。高硬度研磨介質的應用也使砂磨機在制備非金屬礦物超細粉體方面獲得有效應用。杜高翔等將水鎂石、電氣石和云母置于裝有直徑為0.8～1.4mm氧化鋯陶瓷珠的砂磨機中進行研磨試驗，試驗察看到利用氧化鋯陶瓷珠的砂磨機不僅可以穩(wěn)定制備d501m和d972m的非金屬超細粉體，而且對原有晶形也起到保護作用。3.2Isa攪拌磨Isa攪拌磨由澳大利亞MountIsa鉛鋅礦與德國Netzsch—Feinmahltechnik公司于20世紀90時代共同研制開發(fā)，是目前國際大型超細研磨的主流設備。Isa攪拌磨的最大特點是設備大型化和高輸入能量密度，其最大規(guī)格設備容積可達10m3，電機功率高達2.6～3.0MW，能量密度為300kW/m3。盡管容積巨大，但Isa攪拌磨在使用開路工藝時仍可以得到微米級、窄粒級產(chǎn)品。目前Isa攪拌磨廣泛用于金屬礦浮選前的研磨作業(yè)。磨礦過程中，Isa攪拌磨重要利用攪拌器攪拌機殼內填充的1～3mm河砂或熔煉爐渣等介質運動來進行研磨，機殼在正常工作中靜止。相比于砂磨機，盡管Isa攪拌磨有著設備大型化和理論基礎豐富等優(yōu)點，但不能穩(wěn)定生產(chǎn)出亞微米乃至納米級非金屬超細粉體。這也是Isa攪拌磨的一大缺點和需要改進之處。由于Isa攪拌磨興起于國外的時期較晚，國內還未大范圍引進，國內學者對此討論并不多。但國外關于Isa攪拌磨的討論論文較多。M高等通過對銅反射爐渣和重介質廠廢棄物兩種惰性介質的研磨試驗分析，得到與其他攪拌磨相同的結論：密度較高、細度較細的研磨介質可以得到高效率的研磨效果。同時還通過對比1.5LIsa磨機和3000LIsa磨機試驗數(shù)據(jù)，指出Isa攪拌磨依據(jù)能量—P80粒度關系按比例放大的原理，可以對其他磨礦機械的放大供給原理理論參考。DEM等先進模擬計算方法的引進和相應計算機技術的使用為全面分析和優(yōu)化Isa攪拌磨供給了可有效執(zhí)行的工具和手段。R.Y.Yang等基于DEM模型對試驗室用Isa攪拌磨進行1:1模擬。模擬過程對攪拌磨內流動形式、混合模式、流動速度、受力場和能耗進行了考察。通過分析滑動摩擦系數(shù)和阻尼系數(shù)等材料性質，以及轉軸轉速和磨機固體填充量等操作因素對磨機工作的影響，發(fā)覺在所考察范圍內顆粒阻尼系數(shù)的影響可以疏忽；提高滑動摩擦系數(shù)會加添能量消耗而降低顆粒流的速度；轉軸轉速和固體填充量的提高不僅加添顆粒流速度，同時也會加添磨機的能量消耗。C.T.Jayasundara等利用DEM方法分別對影響Isa攪拌磨工作過程和研磨效果的研磨介質特性和磨機操作參數(shù)兩種因素進行了專門討論。在對研磨介質特性進行討論時，從速度分布、空隙分布、碰撞頻率、碰撞能量和能量消耗五個方面進行考察。經(jīng)過DEM的模擬仿真得到以下四個方面的結果：1）研磨顆粒之間滑動摩擦系數(shù)的加添導致徑向速度梯度降低，同時存在一個值為0.2的閾值，當滑動摩擦系數(shù)小于閾值時，隨著滑動摩擦系數(shù)的加添碰撞頻率削減但碰撞能量加添，而當滑動摩擦系數(shù)大于閾值時，碰撞頻率和碰撞能量同時加添從而研磨效果加強；2）在所考察范圍內，盡管速度和空隙分布以及能量消耗對顆粒的硬度不敏感，但