中國粉體網(wǎng)訊 隨著非金屬礦產(chǎn)資源在經(jīng)濟(jì)社會各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，非金屬礦產(chǎn)資源的開發(fā)力度明顯增強(qiáng)，由于這些非金屬礦在很多領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)存在粉體利用的形式，使行業(yè)內(nèi)對非金屬礦粉體加工技術(shù)提出了更高的要求，比如超細(xì)。
1 超細(xì)非金屬礦物粉體
超細(xì)粉體，是指粒徑在微米級到納米級的一系列超細(xì)材料。目前，非金屬礦物粉體在現(xiàn)代高技術(shù)新材料中的廣泛應(yīng)用是以其特有的功能為前提的。而多數(shù)非金屬礦物功能性的發(fā)揮有賴于粒度大小、分布及粒形。如在高聚物基復(fù)合材料中的增強(qiáng)或補(bǔ)強(qiáng)性、陶瓷材料的強(qiáng)度和韌性、作為造紙和涂料顏料的遮蓋率、著色力以及粉體的電性、磁性、光性、吸波與屏蔽、催化、吸附、流變、抗菌、脫色、粘結(jié)等都與其粒度大小、粒度分布及顆粒形狀有關(guān)[1]。
由于超細(xì)粉體具有比表面積大、表面活性高、化學(xué)反應(yīng)速度快、燒結(jié)溫度低且燒結(jié)體強(qiáng)度高、填充補(bǔ)強(qiáng)性能好、遮蓋率高等優(yōu)良的物理化學(xué)性能。許多應(yīng)用領(lǐng)域要求非金屬礦物原（材）料的粒度微細(xì)（微米或亞微米）。
目前，按照我國礦物加工行業(yè)的共識，將超細(xì)粉體定義為粒徑100%小于30μm的粉體。按照粒度的不同，超細(xì)粉體可分為:微米級(粒徑1～30μm)、亞微米級(粒徑1～0.1μm)和納米級(0.001～0.1μm)。超細(xì)非金屬礦物粉體在光學(xué)、磁學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)和力學(xué)等性質(zhì)上表現(xiàn)出很大的優(yōu)越性，已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化工、電子、能源等多個(gè)領(lǐng)域[2]。
2 超細(xì)非金屬礦物粉體的加工
超細(xì)粉體的制備方法有很多，按照形成介質(zhì)，可以分成三類：氣相法、液相法和固相法。氣相法包括高頻感應(yīng)加熱技術(shù)、等離子體制備技術(shù)等，適合制備純度高、粒子粒徑分布窄、粒徑小且粒度分布均勻的超細(xì)粉體；液相法主要有化學(xué)液相還原法、溶膠-凝膠法、超聲波霧化法和水熱法等；固相法主要采用的是機(jī)械粉碎法。
從制備原理上分，超細(xì)粉體的制備又可以分為化學(xué)法和物理法兩種�；瘜W(xué)法是通過化學(xué)反應(yīng)，由離子、原子等經(jīng)過晶核形成和長大制取所需超細(xì)粉體。優(yōu)點(diǎn)是可制備純度高、粒徑尺寸較小、粒度分布較窄、形貌好的超細(xì)粉體。缺點(diǎn)是產(chǎn)量低、成本高和工藝復(fù)雜；物理法是通過機(jī)械力的作用使物料粉碎。優(yōu)點(diǎn)是成本較低，工藝相對簡單，產(chǎn)量大，適應(yīng)于大批量工業(yè)生產(chǎn)。而且在粉碎過程中產(chǎn)生機(jī)械化學(xué)效應(yīng)，能使粉體活性提高[2-3]。
目前在超細(xì)非金屬礦粉體的加工中，物理法是主要的制備方法。而且一般來說，將原料制成超細(xì)粉體的過程主要分為粉碎和分級兩個(gè)步驟。物料首先進(jìn)入超細(xì)粉碎設(shè)備進(jìn)行粉碎，由于每個(gè)顆粒的結(jié)構(gòu)不同，粉碎所需要的能量存在差異，而且在粉碎設(shè)備中受到的作用力也不相等，所以粉碎完成后的細(xì)小顆粒形狀大小都不相同，只有部分顆粒符合粒度要求。而在實(shí)際生產(chǎn)過程中，經(jīng)常會通過延長粉碎時(shí)間來使顆粒充分粉碎，使其達(dá)到粒度標(biāo)準(zhǔn)，這樣不但增加能耗，還有可能導(dǎo)致過度粉碎現(xiàn)象。因此，需要將粒度達(dá)到要求的顆粒及時(shí)分離出來，所以超細(xì)分級技術(shù)在超細(xì)粉體的制備過程中也具有重要作用[4]。
3 超細(xì)粉碎設(shè)備研究現(xiàn)狀
目前常用的超細(xì)粉碎設(shè)備主要有沖擊式磨機(jī)、攪拌磨機(jī)、氣流磨機(jī)和振動磨機(jī)等。
3.1沖擊式磨機(jī)[5]
沖擊式磨機(jī)是利用圍繞水平或垂直軸高速旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)體（棒、錘和葉片等）對物料產(chǎn)生激烈的沖擊和剪切等作用，使其與器壁或固定體以及顆粒之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊碰撞從而使顆粒粉碎的超細(xì)粉碎設(shè)備，可用于中等硬度物料粉碎，如滑石、大理石和方解石等。入料粒徑一般在8mm以內(nèi)，產(chǎn)品粒度可達(dá)到3～74μm。
高速沖擊磨結(jié)構(gòu)簡圖
沖擊式磨機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是可調(diào)節(jié)細(xì)度、結(jié)構(gòu)簡單、安裝緊湊、操作容易、占地面積小和效率高等；缺點(diǎn)是高速運(yùn)行過程中會產(chǎn)生過熱現(xiàn)象。因此，在完善設(shè)備時(shí)，可考慮使用冷卻方式，同時(shí)為了避免零件磨損較大，應(yīng)采用抗壓耐磨性能好的材料。
3.2攪拌磨機(jī)
攪拌磨機(jī)是具有發(fā)展前景的超細(xì)粉碎設(shè)備之一，具有多種類型，如按照安放方式分為立式攪拌磨機(jī)、臥式攪拌磨機(jī)、盤式攪拌磨機(jī)；按照工藝方式分為螺旋式攪拌磨機(jī)、間歇式攪拌磨機(jī)、循環(huán)式攪拌磨機(jī)、連續(xù)式攪拌磨機(jī)等。
整體而言，攪拌磨機(jī)主要是通過攪拌軸的旋轉(zhuǎn)，攪動筒體內(nèi)充填的磨礦介質(zhì)(鋼球、氧化鋯球、瓷球、剛玉球和礫石等)和物料，使其在筒體內(nèi)運(yùn)動，多被用于非金屬礦深加工，制備顏料等。入料粒徑一般在3mm以內(nèi)，產(chǎn)品粒度在0.1～45μm之間。影響攪拌磨機(jī)磨礦效果的關(guān)鍵工藝參數(shù)包括攪拌器轉(zhuǎn)速、礦漿濃度、料球比、介質(zhì)屬性和滯留時(shí)間等[5-6]。
介質(zhì)攪拌磨結(jié)構(gòu)簡圖
較傳統(tǒng)球磨機(jī)而言，攪拌磨機(jī)磨礦具有更加顯著的優(yōu)勢：①攪拌磨機(jī)工作時(shí)筒體固定、攪拌器旋轉(zhuǎn)，解決了球磨機(jī)筒體旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致能量損耗大的問題；②相比于球磨機(jī)沖擊粉碎和研磨結(jié)合的磨礦方式，攪拌磨機(jī)主要依靠研磨作用輔以少量沖擊實(shí)現(xiàn)物料粉碎，緩解了聲、發(fā)熱和振動等造成的能量消耗，提高了細(xì)磨效率；③攪拌磨機(jī)設(shè)備的占地面積相對較小，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便快捷[6]。
3.3振動磨機(jī)
振動磨機(jī)是以球或棒為介質(zhì)，加工產(chǎn)品細(xì)度可至幾微米的超微細(xì)粉碎設(shè)備，工作原理是利用研磨介質(zhì)在作高頻振動的筒體內(nèi)對物料進(jìn)行沖擊、研磨和剪切等作用，使物料在短時(shí)間內(nèi)被粉碎�？蓮V泛用于化工、冶金、建材、陶瓷、耐火材料和非金屬礦等行業(yè)的超細(xì)粉體加工。入料粒徑一般在6mm以內(nèi)，產(chǎn)品粒度在1～74μm之間。振動磨機(jī)具有體積小、能耗低、產(chǎn)量高、結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡單、維修方便和產(chǎn)品粒度均勻等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是噪音大和對零件要求高等[5]。
3.4氣流磨機(jī)[5-7]
氣流磨機(jī)工作原理是將壓縮空氣通過噴管加速氣流，噴出的射流帶動物料作高速運(yùn)動，使物料碰撞、摩擦剪切而粉碎，大多應(yīng)用于大理石、高嶺土和滑石等中等硬度以下的非金屬礦物超細(xì)粉碎加工中，也可用于保健食品、稀土和化工原料等加工中。進(jìn)料粒度一般控制在1mm以下，成品粒度在1～30μm之間，但生產(chǎn)能力較小。
氣流磨結(jié)構(gòu)簡圖
氣流磨機(jī)具有自動化程度高和產(chǎn)能大的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是設(shè)備造價(jià)高、占地面積大、能耗大、高細(xì)度產(chǎn)品少、零件磨損較大和缺乏自主創(chuàng)新機(jī)型等。由于氣流磨機(jī)是我國研究最多、型號最全、技術(shù)較為成熟的超細(xì)粉碎設(shè)備，因此在市場上很受歡迎。目前可根據(jù)氣流磨結(jié)構(gòu)或者工作方式的不同將其劃分為：水平圓盤式（扁平式）氣流磨。循環(huán)管式氣流磨、對噴式氣流磨、靶式氣流磨、流化床式氣流磨等。
3.5其它設(shè)備
行星式球磨機(jī)：行星球磨機(jī)結(jié)構(gòu)主要分為立式和臥式2種，其單一磨筒與普通球磨機(jī)是幾何相似的，區(qū)別在于行星球磨機(jī)各個(gè)磨筒在自轉(zhuǎn)的同時(shí)需要公轉(zhuǎn)。行星球磨機(jī)的高粉磨能力和高能量利用率使其在超細(xì)粉體的制備、機(jī)械力化學(xué)、機(jī)械合金化等應(yīng)用領(lǐng)域得到較廣泛的應(yīng)用。適用于高硬度材料，粒度可達(dá)0.1μm。特點(diǎn)是研磨介質(zhì)易磨損，適用于小批量生產(chǎn)。
環(huán)輥磨：從本質(zhì)上來看，環(huán)輥磨屬于中小型超細(xì)粉碎設(shè)備，在多年的發(fā)展過程中，環(huán)輥磨的應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大，且表現(xiàn)出了越來越明顯的設(shè)備優(yōu)勢。從其具體的應(yīng)用效果來看，工藝操作相對簡單，且粉碎比相對較大，加工作業(yè)過程中的單位能耗較低，符合節(jié)能環(huán)保要求。根據(jù)當(dāng)下非金屬礦粉體加工中的環(huán)輥磨應(yīng)用，給料粒度應(yīng)不超20mm，在設(shè)備內(nèi)部設(shè)置分級裝置，加工過程中完全可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行產(chǎn)品細(xì)度的有效調(diào)整[8]。
不管粉體行業(yè)如何發(fā)展，獲得超細(xì)非金屬礦物粉體的主要手段仍然是機(jī)械粉碎方式�！肮び破涫�，必先利其器”。未來，應(yīng)加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究和加大科技投入，在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上優(yōu)化工藝流程，不斷提高創(chuàng)新能力，開發(fā)出高技術(shù)含量、綠色經(jīng)濟(jì)、低能耗、低排放、具有高附加值的超細(xì)粉碎設(shè)備。
4 超細(xì)分級設(shè)備研究現(xiàn)狀
超細(xì)粉體的分級是根據(jù)不同粒徑顆粒在介質(zhì)中受到離心力、重力、慣性力等的作用，產(chǎn)生不同的運(yùn)動軌跡，從而實(shí)現(xiàn)不同粒徑顆粒的分離，進(jìn)入到各自的收集裝置中。
超細(xì)分級按采用介質(zhì)的不同，一般分為干式和濕式兩種。濕式分級以液體為分散介質(zhì)，分級精度較高，均勻性好。但濕式分級存在干燥、廢水處理等一系列后續(xù)操作問題，因而限制了它的發(fā)展。
根據(jù)不同的分級原理，干法分級設(shè)備可分為三種：慣性式、射流式以及離心式。其中，根據(jù)不同粒徑的顆粒慣性不同，施加作用力使顆粒沿不同方向運(yùn)動實(shí)現(xiàn)分級的分級機(jī)稱為慣性式分級機(jī)。綜合運(yùn)用Coanda效應(yīng)、慣性分級及迅速分級等原理的分級機(jī)稱為射流分級機(jī)。由于產(chǎn)生離心力場通常比重力場強(qiáng)，因此離心式分級機(jī)是開發(fā)較多的一類超細(xì)分級機(jī)。根據(jù)離心力場中流場的不同又可分為強(qiáng)制渦型和自由渦（或準(zhǔn)自由渦）型兩類。雖然干法分級存在容易造成空氣污染和分級效率較低等缺點(diǎn)，但是由于其使用空氣作為介質(zhì)，成本較低，且無需進(jìn)行干燥、再分散等后處理，分級過程更加簡便、高效節(jié)能，因此廣泛應(yīng)用于粉體制備領(lǐng)域[9]。
目前工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較廣泛的分級設(shè)備為渦輪空氣分級機(jī)，根據(jù)分級輪的安裝形式不同可分為立輪式和臥輪式。
立輪式分級機(jī)的分級輪通常為懸臂吊裝，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會出現(xiàn)一些問題，如分級輪尺寸增大易導(dǎo)致失衡、主軸和軸承因承受過大載荷易斷裂和密封效果差等。而臥輪式分級機(jī)的分級輪為水平安裝，轉(zhuǎn)速較高時(shí)也能保持平穩(wěn)運(yùn)行，密封效果有較大改善，相同處理量下臥式分級機(jī)體積更小、結(jié)構(gòu)更緊湊，具有振動小、壽命長等優(yōu)點(diǎn)[4]。
隨著渦流空氣分級器的發(fā)展，學(xué)者們通過大量的理論與實(shí)踐研究，對其進(jìn)行了改進(jìn)，有效地提高了其分級精度和分級效率。如通過增設(shè)三次風(fēng)氣流對沿錐體下降的粗顆粒進(jìn)行淘析，以提高分離效率。代表機(jī)型是日本小野田公司研發(fā)的O－Sepa 型立輪式分級機(jī)[10]。
除了在原有轉(zhuǎn)子分級機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)優(yōu)化外，也有學(xué)者通過添加內(nèi)構(gòu)件、改變氣流進(jìn)口和出口方向等開發(fā)了新型動態(tài)分級機(jī)。
其他形式的動態(tài)分級機(jī)示意圖
就目前的研究狀況來看，未來的研究方向主要包括調(diào)控分級流場、優(yōu)化分離過程、混合流型耦合分級三個(gè)方面。
結(jié)語
近年來，隨著國家對非金屬礦山資源開發(fā)和利用的重視，與之相關(guān)的非金屬礦粉體加工行業(yè)迎來了嶄新的發(fā)展，也取得了卓越的成就。在多年的探索和實(shí)踐過程中，非金屬礦粉體超細(xì)加工技術(shù)日漸成熟，市場上的技術(shù)工藝和設(shè)備越來越多，為提升產(chǎn)能和效益，相關(guān)企業(yè)在開展非金屬礦粉體加工的過程中，應(yīng)結(jié)合自身的生產(chǎn)實(shí)際和需求，做好技術(shù)、工藝和設(shè)備等方面的綜合選擇，加強(qiáng)對加工過程中的相關(guān)參數(shù)控制和流程調(diào)整。
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