非金屬礦超細粉碎技術的發展現狀與趨勢
非金屬礦與金屬礦、燃料礦一起被稱為材料工業的三大支柱。非金屬礦工業的發展狀況是衡量國家科技進步以及工業發達程度的重要標志之一,許多工業發達國家的非金屬礦產值已超過金屬礦。由于非金屬礦產品獨特的物理化學性質,非金屬礦產品的應用領域幾乎滲透到各個工業部門,并在整個國民經濟中起著愈來愈重要的作用[1]。非金屬礦的利用取決于對其進行深加工的程度,包括超細粉碎、超細分級、精細提純和表面改性等,其中有效的超細粉碎是進行各項深加工的前提和保證。因此,超細粉碎技術的發展就在一定程度上決定了非金屬礦產品的合理開發和綜合利用效果。經過幾十年特別是近十年的研究開發,非金屬礦工業取得了巨大的發展,其深加工技術不斷完善,縮小了與工業發達國家的差距,基本上能滿足自身行業和相關領域所需原料的質量要求。超細粉碎和分級技術已經能夠按需求加工10～1μｍ的各類非金屬礦物粉體原料。各類超細粉碎與精細分級設備大多都能生產,設備性能和配套工藝技術逐漸接近或達到國際先進水平,有些設備在結構性能方面還具有新的獨到之處[2]。礦物原料的制備技術已能為汽車、造紙、橡膠、塑料、機械、陶瓷、微電子、特種涂料、航空航天、復合材料等工業提供功能性非金屬材料。
1 非金屬礦超細粉碎的特點
我國非金屬礦產品的開發利用始于50年代,到目前為止已經發現有經濟價值的非金屬礦產就達100多種,產地達5000余處[3]。作為重要的工業資源,非金屬礦產量占礦物開采總量的70%[1]。非金屬礦大部分經粉碎分級后直接用于農業、化工、造紙、塑料、橡膠和涂料等產品之中。由于非金屬礦的種類繁多,根據其用途不同對粉碎產品的粒度分布、純度等方面都提出各種不同的要求。因此,超細粉碎技術的發展必須適應其特定的要求。一般來講,對非金屬礦的要求有以下幾點[3]。
(1)細度。非金屬礦產品的應用均要求一定的細度。如高嶺土、重質碳酸鈣作為造紙原料需要產品細度為-2μｍ占90%,白度>90%;高檔油漆填料重質碳酸鈣粉細度為1250目;硅酸鋯作為陶瓷乳濁劑需要平均細度為0
5～1μｍ;硅灰石作為填料,也要求其細度<10μｍ等。
(2)純度。非金屬礦產品的純度要求也是其主要指標之一。這意味著在粉碎過程中不得污染,應保持原有的成分。如果是白色的礦物還要求有一定的白度,如造紙用煅燒高嶺土、滑石粉的白度要求≥90%，造紙涂料、填料以及高檔油漆填料用重質碳酸鈣的白度要求>90%等。
(3)粉體形狀的特殊要求[4][5]。有些非金屬礦產品對其形狀提出了嚴格的形狀要求,以適應不同需要。如復合材料增強用的硅灰石,其超細粉體要求盡量保持它原始的針狀結晶狀態,使硅灰石產品成為天然的短纖維增強材料,其長徑比要求>8～10;濕法云母粉由于它的多層結構多被用做電介材料、高檔珠光涂料、珠光油漆原料和珠光顏料,要求云母粉為片狀,粉碎加工過程中應盡可能地保證所得顆粒的徑厚比,其表面不能有太多的劃傷,否則會影響它的光學效果,其徑厚比>40～60;造紙涂布級高嶺土希望在超細粉碎的同時保持片狀礦物的特性,提高粉料的涂布遮蓋能力。
2 非金屬礦超細粉碎設備的發展現狀
超細粉碎設備是其整體技術的關鍵。80年代以前我國超細粉碎設備生產廠家很少,所需產品主要靠進口設備加工或直接進口。80年代以后,通過引進、消化、吸收和組織技術攻關,開始研制和開發各類超細粉碎和精細分級設備。迄今為止,超細粉碎設備的生產廠家已達數十家之多,其設備性能也達到國際先進水平。近幾年來,每年都有數十項專利問世。
機械沖擊式超細粉碎設備在最近幾年發展迅速,其部分性能指標已達到國外同類設備的水平,部分產品還獨具新意。它具有投資少、能耗低、工藝布置簡單、粉碎比大、適應性強等特點,比較適合于生產1000目以下的中低附加值的中等硬度非金屬礦產品的深加工處理。因此,此類設備在非金屬礦物加工中的應用呈現出一派興旺發展勢頭,但品種還比較單一,材質的磨損問題仍困擾著設備制造廠商和廣大的用戶。關鍵是應當完善結構、進一步解決材質問題和加工精度[6][7]。
氣流磨國內生產廠家最多,機型也是所有超細粉碎設備中最為齊全的設備,即使是國際上最為先進的機型(如流化床類氣流磨)也有不少的生產廠家。由于它是干法生產,可以省去非金屬礦超細粉碎中的烘干工藝。但也存在一些問題:設備制造成本高,一次性投資大,設備的折舊費高;能耗高,粉體加工成本太大,給粉體加工廠的經濟效益帶來負面影響,這就使得它在這一領域的使用受到了一定的限制;它難以實現亞微米級產品粉碎,產品粒度在10μｍ左右時效果最佳,在10μｍ以下時產量大幅度下降,成本急劇上升,在非金屬礦領域的應用就失去了應有的使用價值;目前氣流磨的單機處理能力較小(產量均在1ｔ/ｈ以下),還不能適應大規模生產的需要;在介質使用上,國內大多使用空氣,還很少使用過熱蒸汽和惰性氣體;設備的加工精度和材質的選擇使用上還不如國外產品[8][9]。
砂磨機在硬度較低的非金屬加工中效果還可以,如重質碳酸鈣的超細粉碎。但對硬度較高的非金屬礦物(如鋯英砂、磨料等)的粉碎效果不好,甚至無法勝任。攪拌磨是目前取得亞微米級產品的唯一可行設備[10][11]。
攪拌磨雖起步較晚,但發展迅速,特別是近十年取得了巨大進展。國產濕式攪拌磨在非金屬礦物的超細粉碎中得到了廣泛應用,并取得了良好的效果。在高嶺土和方解石的超細粉碎中實現了產品中-2μｍ達90%以上,可生產高品質造紙涂料、填料和涂料顏料、油墨顏料級產品。干式攪拌磨已研制成功,它可以減少后續脫水和干燥作業,從而簡化工藝、降低成本,盡管其性能仍需進一步完善,但仍不失為一種應用前景良好的超細粉碎設備。總體來講,攪拌磨的品種規格還較少,處理能力也較小,還有待于進一步改進和完善。
振動磨作為一種超細粉碎設備,其產品細度可達到亞微米級,且具有較強的機械化學效應,能耗較低,易于工業規模生產。過去多數機型采用鋼制襯板和介質,使得其在非金屬礦物加工中受到了一定的限制。經過近十年的研究開發,適用于非金屬礦物超細加工的振動磨的研制取得了可喜的進展。如某單位生產的振動磨用于石墨的超細加工,給料粒度-100目,經20ｈ的研磨后,其產品粒度95%小于4μｍ,粒徑達0
49μｍ;某新型高效振動磨機[12]的給料粒度可達-30ｍｍ,而產品90%達-15μｍ,產量400ｋｇ/ｈ。但總體上與日本、德國相比還有一定的差距,在品種規格、襯板、介質以及工藝性能方面還需進一步研究,以適應不同物料的加工需要,尤其是對鐵雜質含量要求嚴格的非金屬礦物的超細粉碎。如德國研制的轉腔式振動磨、異形腔振動磨等新型磨機[13][14]使介質活化度大大提高,產量提高1
5～2
0倍,最近又提出了偏心式振動磨;日本在振動磨的機械化學效應研究和開發方面,已成功地用于鐵電材料(如鈦酸鎂)的開發以及氫氧基無機固體材料的脫水和非晶化工藝上,并取得了很好的效果。
隨超細粉體技術的發展,對超細粉碎技術提出了更高的要求,即在滿足產品粒度要求的前提下,盡可能提高粉碎效率。因此,近十幾年來出現了多種形式的新型超細粉碎設備。
(1)高速行星式輥輪磨機———Ｓｚｅｇｏ磨[15]。它最初是由加拿大為磨碎油菜籽以提高菜籽油的浸出率而開發的,由于它表現出的優異性能而在其它領域得到了廣泛應用。我國某單位與其合作對Ｓｚｅｇｏ磨進行了開發研究與推廣工作,其中用ＳＭ
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1型Ｓｚｅｇｏ磨對云母進行了干磨和濕磨的研究。研究表明經過多次研磨,云母的粒度可達10μｍ或更細,物料在Ｓｚｅｇｏ磨內的停留時間很短,一般只有5～10ｓ。平均粒徑為15μｍ時的能耗為80ｋＷ/ｈ;平均粒徑為44μｍ時,能耗為50±20ｋＷ/ｈ;濕磨時可得到20～60徑厚比的合格產品。
(2)射流粉碎與分級設備。它是根據空氣動力學原理和多相流理論設計和研制的最新一代氣流粉碎機,它是將干燥無油的壓縮空氣加速成超音速氣流。該氣流攜帶物料作高速運動,使物料相互碰撞、摩擦而粉碎,達到粒度要求的物料通過分級器由收集器搜集;未達到粒度要求的物料由分級器返回到粉碎室繼續粉碎;對于易氧化物料,可采用惰性氣體進行粉碎與分級。該粉碎機分級精度高,粒度細而分布窄,產量大,產品平均粒度Ｄ50在1
0～20μｍ范圍內任意可調,產品最大粒度可控制在+4μｍ范圍內,可粉碎莫氏硬度1～10的物料,產品純度高,氣流與物料分路進入粉碎室實現物料之間的相互碰撞而粉碎,故噴嘴和粉碎室磨損小。用ＪＦＣ
300生產超細方解石粉時的粒度為[16]Ｄ50=1.15μｍ、Ｄ90=1.64μｍ、Ｄ100<3μｍ。
由于非金屬礦品種繁多,加工工藝更是五花八門,在此僅就幾種非金屬礦物的加工設備與工藝的現狀加以簡述[1][2][3][4][17]。
3 1 加工設備的選擇
(1)高嶺土。高嶺土的超細與剝片是相關連的,剝片的目的是超細。反之,超細又能達到剝片的目的。在粉碎工藝上應盡量選擇剝片原理的粉碎方式和設備,從粉碎機理上來說強化外力對高嶺土顆粒的強力剪切,在超細粉碎的同時保持片狀礦物的特性。高嶺土超細是為了改變顆粒表面的物理和光學性能,借助物理的、化學的和機械學的方法,使其剝裂為50～1μｍ或更小的顆粒,并使<5μｍ的占絕大多數。超微細高嶺土既是一種優良的造紙涂料,又為改性復合提供了合格原料。能生產微細粒級的粉碎設備主要有:各類球磨機、機械高速旋轉沖擊剪切式粉碎機、氣流粉碎機、攪拌磨。
(2)重質碳酸鈣。它的硬度較低,加工過程中要求有較高的白度。在眾多的粉碎設備中,幾乎都可以用于重質碳酸鈣的生產。由于其用量大、單位重量的售價偏低,如何無污染、低成本地達到加工目的是設備和工藝選擇的重要問題。目前被大家所接受的是雷蒙磨和球磨機或振動磨與分級機結合的沖擊加超細研磨的方式。這種方式得到的粉體中細粉含量較高,有利于用做橡膠和塑料的填料。用于造紙涂布級的超細重質碳酸鈣,其原始結晶多為立方多面體,為了達到超細粉碎的目的。則需要強化礦物顆粒的體積粉碎和表面的研磨。近年來,采用剝片機進行濕式超細粉碎的較多,發展較快。
(3)鋯英砂。它的主要成分為硅酸鋯,原料中常含有鐵、鈦等雜質。它的性質穩定,耐磨,其微粉作為陶瓷行業釉料的乳濁劑,具有遮蓋力強、乳濁效果好等特點,應用愈來愈廣。然而,鋯英砂的超細粉碎是一個耗能大、設備磨損嚴重、產品易污染的復雜過程。為實現低成本生產,必須綜合分析加工工藝,優化設備組合,在能耗和其他消耗盡可能低的條件下產出高質量硅酸鋯微粉。
目前用于鋯英砂超細粉碎的設備有氣流粉碎機、球磨機和攪拌磨,各類設備的性能差別較大。從多年的使用經驗來看,氣流粉碎機能耗太大,投資也高,從粉碎機理來說不太適合微米級超細粉碎過程。球磨機借助于球介質的沖擊作用將大顆粒粉碎,適合于產品平均粒度在10μｍ左右的粗粉碎生產過程。為了高細度,對于平均粒徑1～2μｍ左右的超細粉生產,盡量采用攪拌研磨的方式,以達到產品最細、能耗最小。為了保證產品的純度,還需要配合酸洗等提純工藝措施。針對現有生產鋯英砂微粉的氣流粉碎系統,可以進行工藝改造,達到提高細度和純度、降低成本的目的。
針對鋯英砂的粉碎特性和對產品的要求,采用濕式粗研磨機生產平均粒度在5～10μｍ的產品;然后用超細研磨機將其磨細到平均粒徑1～2μｍ左右,這樣能較好地發揮各類型設備的不同特點和長處,以較小的能耗獲得最細的產品。選用批次粉磨作業,采用相應的工藝制度來保證產品粒度分布的均勻性和粉磨熱量的散發;考慮到將粉磨過程對產品的污染降低到最低限度,選用聚氨酯彈性體為攪拌桶和攪拌棒的保護層,保證物料與金屬物不接觸;為了提高粉磨效率和降低產品漿料的粘度,適當添加有機外加劑(在干燥的高溫中揮發,對產品無影響)。
為保證產品的質量,采用化學提純的方式,來除掉原料加工過程帶入的鐵類雜質,使產品的純度和白度提高。這意味著可用低檔的鋯英砂,生產高檔的鋯英砂微粉。無論那個國家的資源都是日益貧乏、品位低下,對產品進行提純處理,是生產高品質產品的必由之路。因此選用此工藝條件,就可以用鋼球來進行研磨,降低成本。
(4)硅灰石。用復合材料增強,在粉碎時應盡量保持它原始的針狀結晶狀態,使產品成為天然的短纖維增強材料。強力沖擊式粉碎能夠在礦物顆粒內部短時間形成較強的內應力,使顆粒內部沿著解理面形成裂紋最后分離成細小的針狀顆粒。在選擇粉碎設備時必須考慮到這一因素。
(5)云母。由于它的多層結構多被用做電介材料和珠光顏料,粉碎加工過程中應盡可能地保證所得顆粒的徑厚比。作珠光顏料的云母粉體,其表面不能有太多的劃傷,否則會影響它的光學效果。在粉碎設備的選擇上應該盡量選用高壓射流式粉碎機,利用顆粒內部層間的膨脹壓力將顆粒剝離,達到預期的粉碎效果。
3 2 加工工藝的選擇
(1)磨料微粉生產工藝。可用于加工微粉磨料的原料礦物主要有碳化硅、白剛玉、棕剛玉及石榴子石等。隨著各行業加工技術精細化的發展和國際產業結構的調整,廣泛應用于拋光行業的微粉磨料用量越來越大,出口量也逐年增加,微粉磨料的精細加工有廣闊的發展前景。磨料加工的特點是物料堅硬、設備磨損大、粒度分布很窄。為防止將被拋光工件表面劃傷,應嚴格控制成品中大顆粒的存在。
(2)濕法分級工藝。傳統的微粉磨料生產主要采用球磨機粉磨和濕法分級工藝。這種工藝特點是投資小,工藝流程簡單。粉碎過程一般采用批次研磨的方式。用控制時間的方法來控制粒度和粒度分布。分級的方法有旋流器方式、溢流沖洗法和沉降法。較大的顆粒的沉降速度較大,分級多采用溢流沖洗的方法。對于較細小的顆粒,沉降速度較低,分級多采用大容器自由沉降的方式。這一工藝過程中需要對顆粒進行良好的分散處理,才能保證其精度。這種做法的生產效率低、生產能力難于擴大、占地面積大、耗時耗水嚴重。然而,由于濕法分級可以在水中加入分散劑,液固界面的分散能力要比氣固界面的分散能力強,濕法分級的分級效果一般優于干式分級。
(3)干式分級工藝。干式分級系統是由粉碎機和2臺以上的分級機、收塵器和風機組成。粉碎機的產品在氣流的挾帶下進入第1臺分級機進行分級處理,控制一定的上限粒級后,大于這一粒級的粗粉返回粉碎機再次進行粉碎;小于這一粒級的細小粉體進入第2臺分級機分級控制一定的下限粒級。經過處理后的產品1和產品2即為窄粒級的磨料,過細的產品3由收塵器搜集。在這樣的系統中,調整好粉碎機的粉碎能力、產品的粒度分布和分級后產品的粒度分布,減少過細粉體的生成量是很關鍵的,它決定了整個系統的效率。該工藝的特點是加工現代化程度高、處理量大、分級精度高等特點,適合于干法大批量生產微粉磨料。該工藝的缺點是當產品太細的情況下,由于氣體的分散能力所限,分級效果明顯變差。
4 非金屬礦超細粉碎技術的發展方向
現代工程技術將需要越來越多的高純超細粉體,超細粉碎技術在高新技術研究開發中將起著越來越重要的作用。高新技術產業與非金屬礦物有著密切的聯系,在未來非金屬礦深加工技術開發和產業發展中要考慮高新技術及其產業的發展[18][5];現代非金屬深加工技術與傳統產業加工技術相互滲透,其發展必須考慮傳統產業的技術改造和進步;為了更好地應用有限的非金屬礦資源,必須考慮其綜合利用問題。同時,在其開發利用及其深加工過程中還必須考慮人類的生存和可持續發展,注意環境保護。
未來非金屬礦物原料或材料總的發展趨勢是高純、超細和功能化。以高純超細非金屬礦物深加工原料為龍頭,綜合開發利用各種非金屬礦產[1]。雖然可以通過化學合成法制備高純超細粉體,但成本過高,至今未能用于工業化生產。獲得超細粉體的主要手段仍然是機械粉碎方式,用機械方式制取超細粉體所依賴的超細粉碎與分級技術的難度不斷增大,其研究深度永無止境。超細粉碎技術是多方面技術的綜合,其發展也有賴于相關技術的進步,如高硬高韌耐磨構件的加工、高速軸承、亞微米級顆粒粒度分布測定等。因此,超細粉碎技術的發展應集中在以下幾個方面。
(1)開發與超細粉碎設備相配套的精細分級設備及其它配套設備。超細粉碎與分級設備相結合的閉路工藝,可以提高生產效率,降低能耗,保證合格產品粒度。可以說,大處理量、高精度分級設備是超細粉碎技術發展的關鍵。要更多地從整個工藝系統的角度來進行研究與開發,在現有粉碎設備的基礎上改進、配套和完善分級設備、產品輸送設備等其它輔助工藝設備。
(2)提高效率,降低能耗,不斷提高和改進超細粉碎設備。超細粉碎技術的關鍵是設備,因此,首先要開發新型超細粉碎設備及其相應的分級設備,后者似乎更為迫切。助磨劑和表面活性分散劑將應用于超細粉碎工藝中。
(3)設備與工藝研究開發一體化。超細粉碎與分級設備必須適應具體物料特性和產品指標,規格型號多樣化,而不存在對任何物料都是高效萬能的超細粉碎與分級設備。
(4)開發多功能超細粉碎和表面改性設備。如將超細粉碎和干燥等工序結合、超細粉碎與表面改性相結合、機械力化學原理與超細粉碎技術相結合,可以擴大超細粉碎技術的應用范圍。借助于表面包覆、固態互溶現象,可制備一些具有獨特性能的新材料。
(5)開發研究與超細粉碎技術相關粒度檢測和控制技術。超細粉碎的粒度檢測和控制技術,是實現超細粉體工業化連續生產的重要條件之一。粒度測試儀器與測定的控制技術,是與超細粉碎技術密切相關的,必須與這些領域的專家聯合攻關。
超細粉碎在朝著納米級方向進軍,與此相關的低污染耐磨材料和納米級粉體的分散及評價將成為巨大的技術障礙,在這方面的研究將會受到重視。
(6)重視超細粉碎基礎理論的研究。基礎理論的研究對于超細粉碎技術的開發和應用極為重要,它的最終目的是指導實踐,生產出合乎要求的超細粉體。其內容包括微細粉體粒子的粒度與表面物理化學等特性;粉碎過程的描述;超細顆粒的粉碎特性和破壞過程;超細粉碎機最優工作參數和粉碎機理的研究;不同超細粉碎方法(或機械應力的施加方式),如沖擊、研磨、摩擦、剪切、壓碎、剝蝕等在不同粉碎環境中的能耗規律、粉碎效率、產品細度與能量利用率以及對粉碎物料的晶體結構和物理化學性能等的影響;粉碎物理化學環境以及助磨劑、分散劑等對產品細度、物化性能和粉碎效率的影響等。如,根據不同超細粉碎方法對物料晶體結構及物化性能的不同影響,結合物料的用途,選擇合適的超細粉碎工藝和設備,避免因超細粉碎加工給物料的使用性能帶來不利的影響,或利用超細粉碎加工技術對粉體物料進行選擇性的機械激活;通過適度地添加助磨劑,有目的地改善超細粉碎的物理化學環境,以提高粉碎效率并降低能耗等。
- 非金屬礦超細粉碎技術的發展現狀與趨勢(2008-07-06)
