编号：CYYJ00257

篇名：非金属矿超细粉碎技术的发展现状与趋势(一)

作者： 马正先　盖国胜　胡小芳

关键词： 非金属矿　超细粉碎　粉碎设备

机构： 清华大学

摘要： 综述了非金属矿超细粉碎技术和设备的发展现状,指出了目前存在的问题和发展方向。

原文： 　　非金属矿与金属矿、燃料矿一起被称为材料工业的三大支柱。非金属矿工业的发展状况是衡量国家科技进步以及工业发达程度的重要标志之一,许多工业发达国家的非金属矿产值已超过金属矿。由于非金属矿产品独特的物理化学性质,非金属矿产品的应用领域几乎渗透到各个工业部门,并在整个国民经济中起着愈来愈重要的作用[1]。非金属矿的利用取决于对其进行深加工的程度,包括超细粉碎、超细分级、精细提纯和表面改性等,其中有效的超细粉碎是进行各项深加工的前提和保证。因此,超细粉碎技术的发展就在一定程度上决定了非金属矿产品的合理开发和综合利用效果。经过几十年特别是近十年的研究开发,非金属矿工业取得了巨大的发展,其深加工技术不断完善,缩小了与工业发达国家的差距,基本上能满足自身行业和相关领域所需原料的质量要求。超细粉碎和分级技术已经能够按需求加工10～1μｍ的各类非金属矿物粉体原料。各类超细粉碎与精细分级设备大多都能生产,设备性能和配套工艺技术逐渐接近或达到国际先进水平,有些设备在结构性能方面还具有新的独到之处[2]。矿物原料的制备技术已能为汽车、造纸、橡胶、塑料、机械、陶瓷、微电子、特种涂料、航空航天、复合材料等工业提供功能性非金属材料。 1 非金属矿超细粉碎的特点 我国非金属矿产品的开发利用始于50年代,到目前为止已经发现有经济价值的非金属矿产就达100多种,产地达5000余处[3]。作为重要的工业资源,非金属矿产量占矿物开采总量的70%[1]。非金属矿大部分经粉碎分级后直接用于农业、化工、造纸、塑料、橡胶和涂料等产品之中。由于非金属矿的种类繁多,根据其用途不同对粉碎产品的粒度分布、纯度等方面都提出各种不同的要求。因此,超细粉碎技术的发展必须适应其特定的要求。一般来讲,对非金属矿的要求有以下几点[3]。 (1)细度。非金属矿产品的应用均要求一定的细度。如高岭土、重质碳酸钙作为造纸原料需要产品细度为-2μｍ占90%,白度>90%;高档油漆填料重质碳酸钙粉细度为1250目;硅酸锆作为陶瓷乳浊剂需要平均细度为0 5～1μｍ;硅灰石作为填料,也要求其细度<10μｍ等。 (2)纯度。非金属矿产品的纯度要求也是其主要指标之一。这意味着在粉碎过程中不得污染,应保持原有的成分。如果是白色的矿物还要求有一定的白度,如造纸用煅烧高岭土、滑石粉的白度要求≥90%，造纸涂料、填料以及高档油漆填料用重质碳酸钙的白度要求>90%等。 (3)粉体形状的特殊要求[4][5]。有些非金属矿产品对其形状提出了严格的形状要求,以适应不同需要。如复合材料增强用的硅灰石,其超细粉体要求尽量保持它原始的针状结晶状态,使硅灰石产品成为天然的短纤维增强材料,其长径比要求>8～10;湿法云母粉由于它的多层结构多被用做电介材料、高档珠光涂料、珠光油漆原料和珠光颜料,要求云母粉为片状,粉碎加工过程中应尽可能地保证所得颗粒的径厚比,其表面不能有太多的划伤,否则会影响它的光学效果,其径厚比>40～60;造纸涂布级高岭土希望在超细粉碎的同时保持片状矿物的特性,提高粉料的涂布遮盖能力。 2 非金属矿超细粉碎设备的发展现状 超细粉碎设备是其整体技术的关键。80年代以前我国超细粉碎设备生产厂家很少,所需产品主要靠进口设备加工或直接进口。80年代以后,通过引进、消化、吸收和组织技术攻关,开始研制和开发各类超细粉碎和精细分级设备。迄今为止,超细粉碎设备的生产厂家已达数十家之多,其设备性能也达到国际先进水平。近几年来,每年都有数十项专利问世。 机械冲击式超细粉碎设备在最近几年发展迅速,其部分性能指标已达到国外同类设备的水平,部分产品还独具新意。它具有投资少、能耗低、工艺布置简单、粉碎比大、适应性强等特点,比较适合于生产1000目以下的中低附加值的中等硬度非金属矿产品的深加工处理。因此,此类设备在非金属矿物加工中的应用呈现出一派兴旺发展势头,但品种还比较单一,材质的磨损问题仍困扰着设备制造厂商和广大的用户。关键是应当完善结构、进一步解决材质问题和加工精度[6][7]。 气流磨国内生产厂家最多,机型也是所有超细粉碎设备中最为齐全的设备,即使是国际上最为先进的机型(如流化床类气流磨)也有不少的生产厂家。由于它是干法生产,可以省去非金属矿超细粉碎中的烘干工艺。但也存在一些问题:设备制造成本高,一次性投资大,设备的折旧费高;能耗高,粉体加工成本太大,给粉体加工厂的经济效益带来负面影响,这就使得它在这一领域的使用受到了一定的限制;它难以实现亚微米级产品粉碎,产品粒度在10μｍ左右时效果最佳,在10μｍ以下时产量大幅度下降,成本急剧上升,在非金属矿领域的应用就失去了应有的使用价值;目前气流磨的单机处理能力较小(产量均在1ｔ/ｈ以下),还不能适应大规模生产的需要;在介质使用上,国内大多使用空气,还很少使用过热蒸汽和惰性气体;设备的加工精度和材质的选择使用上还不如国外产品[8][9]。 砂磨机在硬度较低的非金属加工中效果还可以,如重质碳酸钙的超细粉碎。但对硬度较高的非金属矿物(如锆英砂、磨料等)的粉碎效果不好,甚至无法胜任。搅拌磨是目前取得亚微米级产品的唯一可行设备[10][11]。 搅拌磨虽起步较晚,但发展迅速,特别是近十年取得了巨大进展。国产湿式搅拌磨在非金属矿物的超细粉碎中得到了广泛应用,并取得了良好的效果。在高岭土和方解石的超细粉碎中实现了产品中-2μｍ达90%以上,可生产高品质造纸涂料、填料和涂料颜料、油墨颜料级产品。干式搅拌磨已研制成功,它可以减少后续脱水和干燥作业,从而简化工艺、降低成本,尽管其性能仍需进一步完善,但仍不失为一种应用前景良好的超细粉碎设备。总体来讲,搅拌磨的品种规格还较少,处理能力也较小,还有待于进一步改进和完善。 振动磨作为一种超细粉碎设备,其产品细度可达到亚微米级,且具有较强的机械化学效应,能耗较低,易于工业规模生产。过去多数机型采用钢制衬板和介质,使得其在非金属矿物加工中受到了一定的限制。经过近十年的研究开发,适用于非金属矿物超细加工的振动磨的研制取得了可喜的进展。如某单位生产的振动磨用于石墨的超细加工,给料粒度-100目,经20ｈ的研磨后,其产品粒度95%小于4μｍ,粒径达0 49μｍ;某新型高效振动磨机[12]的给料粒度可达-30ｍｍ,而产品90%达-15μｍ,产量400ｋｇ/ｈ。但总体上与日本、德国相比还有一定的差距,在品种规格、衬板、介质以及工艺性能方面还需进一步研究,以适应不同物料的加工需要,尤其是对铁杂质含量要求严格的非金属矿物的超细粉碎。如德国研制的转腔式振动磨、异形腔振动磨等新型磨机[13][14]使介质活化度大大提高,产量提高1 5～2 0倍,最近又提出了偏心式振动磨;日本在振动磨的机械化学效应研究和开发方面,已成功地用于铁电材料(如钛酸镁)的开发以及氢氧基无机固体材料的脱水和非晶化工艺上,并取得了很好的效果。 随超细粉体技术的发展,对超细粉碎技术提出了更高的要求,即在满足产品粒度要求的前提下,尽可能提高粉碎效率。因此,近十几年来出现了多种形式的新型超细粉碎设备。 (1)高速行星式辊轮磨机———Ｓｚｅｇｏ磨[15]。它最初是由加拿大为磨碎油菜籽以提高菜籽油的浸出率而开发的,由于它表现出的优异性能而在其它领域得到了广泛应用。我国某单位与其合作对Ｓｚｅｇｏ磨进行了开发研究与推广工作,其中用ＳＭ 220 1型Ｓｚｅｇｏ磨对云母进行了干磨和湿磨的研究。研究表明经过多次研磨,云母的粒度可达10μｍ或更细,物料在Ｓｚｅｇｏ磨内的停留时间很短,一般只有5～10ｓ。平均粒径为15μｍ时的能耗为80ｋＷ/ｈ;平均粒径为44μｍ时,能耗为50±20ｋＷ/ｈ;湿磨时可得到20～60径厚比的合格产品。 (2)射流粉碎与分级设备。它是根据空气动力学原理和多相流理论设计和研制的最新一代气流粉碎机,它是将干燥无油的压缩空气加速成超音速气流。该气流携带物料作高速运动,使物料相互碰撞、摩擦而粉碎,达到粒度要求的物料通过分级器由收集器搜集;未达到粒度要求的物料由分级器返回到粉碎室继续粉碎;对于易氧化物料,可采用惰性气体进行粉碎与分级。该粉碎机分级精度高,粒度细而分布窄,产量大,产品平均粒度Ｄ50在1 0～20μｍ范围内任意可调,产品最大粒度可控制在+4μｍ范围内,可粉碎莫氏硬度1～10的物料,产品纯度高,气流与物料分路进入粉碎室实现物料之间的相互碰撞而粉碎,故喷嘴和粉碎室磨损小。用ＪＦＣ 300生产超细方解石粉时的粒度为[16]Ｄ50=1.15μｍ、Ｄ90=1.64μｍ、Ｄ100<3μｍ。