搅拌磨的理论及工业应用研究.docx

搅拌磨的理论及工业应用研究feigeoer摘要：本文介绍了搅拌磨机的基本情况，对其优缺点进行了评述。研究了搅拌磨制备超细粉过程中矿浆浓度、球料比、介质种类及给料粒度对制粉效果的影响。最后介绍了该设备的基本工艺及其在工业矿物中的应用情况。关键词：搅拌磨；超细粉体；磨矿Abstract：Abriefdescriptionismadeofagitatingmillsandareviewismadeofitsadvantagesanddisadvantages.Theeffectsofpulpdensity,media,materialratio,millingmediaandfeedsizeonpowderpropertiesarestudiedinthispaperoAtlastintroducetheirprincipalprocesstechnologyandapplicationinmineralprocessing.Keywords：stirringmill；ultra-finepowder；grinding1搅拌磨的工作原理搅拌磨主要是由一个充填了研磨介质的研磨筒和一个旋转糙拌器（搅拌装置）构成。搅拌磨通过搅拌轴的旋转，搅动研磨介质产生冲击（研磨介质间相互冲击力、搅拌装置对介质的撞击力）、剪切（研磨介质转动产生的剪切力）和摩擦（研磨介质和物料间的摩擦力）作用使物料进行超细粉碎，混合与分散。搅拌磨的转速受离心力和旋转牛径的限制。一般情况下，搅拌器的圆周速度约为420m/s。磨中的介质一般为球形介质，直径通常小于3mm,奠式硬度最好比被磨物料大3以上，以增大研磨强度，提高粉碎效率山。2搅拌磨的结构特点及类型搅拌磨是超细粉碎机械中最具有发展前途且能量利用率最高的超细粉磨设备,它与普通球磨机在机理上的不同点是搅拌磨的输入功率直接高速推动研磨介质来达到磨细物料的目的;搅拌磨内置搅拌器搅拌器的高速回转使研磨介质和物料在整个简体内做不规则地翻滚运动，使研磨介质之间产生相互撞击和研磨的双重作用，使物料磨得很细并得到均匀分散与普通球磨机比，搅拌磨具有如下特点：（1）高转速和面介质填充率使搅拌磨机获得了极高的的功率密度，从而使细颗粒物料的研磨时间大大缩短，能量利用率高。（2）采用小尺寸研磨介质，大大提高了微细物料的研磨效率，并可高效率地磨细物料至1Um以下。（3）产品粒度分布均匀且容易调节，能沿结晶面解离，并极易获得超细、低污染的产品。（4）结构简单，操作容易，机械振动小，维修简单且费用低廉。搅拌磨的类型很多，根据结构和操作方式的不同又可分为间歇式、循环式、连续武、环隙式、塔式、旋振式搅拌磨等。但是根据目前所得的数据和报告来说，如果考虑到超微粉体的凝聚作用。则磨机不可能得到0.1Um以下的粉体网。2.1间歇式搅拌磨问歇式搅拌磨主要由研磨筒、搅拌器和循环卸料装置等部分组成。循环卸料装置既可保证物料在研磨过程中循环混合，又可确保最终产品及时卸出。它一般用于批量式超细粉碎加工。当配备大容积循环罐及多台串联使用时，可以分别用于循环磨矿和连续磨矿。2.2循环式搅拌磨循环武搅朴磨主要由一个直径较小的研磨筒和一个容积较大的循环罐组成,研磨简实际上是一个小搅拌磨，内填研磨介质，并在上部装有滤网闺。其工作过程是将料连续在研磨筒和循环罐内快速循环，直至产品粒度合格。这种搅拌磨的特点是由于浆料连续快速通过研磨介质层和滤网，合格纳粒级产品及时排出，避免了因过磨而产生粉体团聚。研磨效率高；循环罐具有混合与分散功能，可在循环罐内添加分散剂；此外，由于浆料每次在研磨筒内滞留时问短，从循环筒内聚入的矿浆足以平衡研磨筒内的温升。2.3连续式搅拌磨立式连续式搅拌磨多采用圆盘式搅拌器，其工作过程是浆料从下部给料口泵入，在高速搅动的研磨介质的摩擦、剪切和冲击作用下，物料被粉碎。粉碎后的细粒浆料经过溢流口从上部的出料口排出。物料在研磨中的停留时间通过给料速度来控制，给料速度越慢，停留时间越长，产品粒度就越细。除了立式连续式搅拌磨外.还有卧式连续式搅拌磨。连续式搅拌磨除了可以单机使用外，还可以多级串联使用，多级串联使用时，研磨介质尺寸从太至小，产品粒度由粗至细。2.4塔式磨温式塔式磨的结构主要由直圆筒的机体和水力分级机构成.机体内充填研磨介质，物料在螺旋旋转翻动的磨矿介质的冲击、剪切和物料颗粒的相互摩擦作用下被粉碎。粉碎后的物料由机体溢流进入水力分级机，在分级机作用下，粗颗粒沉向下方，通过管道被泥浆泵吸入并返回机体再磨，水力分级机的溢流即为细粒级产品；塔式磨除了有湿式机型外，还有干式机型其结构与湿式磨基本相同，只是用旋风分离器代替了水力分级机，用鼓风机代替了泥浆泵。该机特点是：中低速、较高的介质充填高度能量利用牢高。但是该机筒体太高，维护和检修不太方便。2. 5环隙搅拌磨环隙搅拌磨主要由圆锥形固定研磨容器及圆锥形转环组成，外带冷却加套的定子和带冷却腔的转子构成研磨缝隙，在缝隙内装满研磨介质。介质与研磨后浆料的分离采用动态缝隙分离器，它由转子环与定子环组成，工作时浆料由下部加料管在泵的推动下连续加入，研磨后的浆料经分离介质后由上部出料管溢流排出，这种磨机的特点是利用锥形体构成缝隙式的研磨区，解决了能量密度不均匀问题，能量密度大、产品粒度细分布均匀；但是有效容积小，设备大型化困难，仪限于一些精细陶瓷、磨料和特种油墨及涂料等精加工行业中应用。2.6旋振式搅拌磨这种磨机综合了振动磨和搅拌磨的原理，主要由研磨室、中心柱、弹簧、机座等组成。与一般的搅拌磨相比，给料粒度可以较粗，振幅比管式振动磨小。3研磨介质性能对超细粉碎的影响在粉碎粉磨过程中，介质制度即研磨介质的性能（材质、密度、硬度、大小等）和使用情况（填充率、配比、形状、补给、浆液浓度等）是决定磨机工作好坏的重要因素，应根据物料性质、给料及产品要求来确定。3. 1研磨介质材质的影响研磨材质决定了粉碎的成本高低和粉碎效率大小。首先研磨材质不应对物料产生有害污染，至少应不含有无法剔出的污染，这对于精细陶瓷、非金属矿和化工产品粉碎显得特别重要。再者从成本方面考虑，介质的磨损和破碎失效是最主要的考虑因素。在化工、精细陶瓷行业多采用刚玉、氧化错、玻璃等非金属材料，从粉碎效率方面考虑，在研磨粉碎过程中，外部的能量是通过介质的冲击和挤压研磨来完成对物料粉碎的，介质的密度大小决定了这种作用的强弱。一般说来，介质的密度越大，研磨能力越强，粉碎过程的效率越高。据有关资料介绍，在同样的操作条件下，在搅拌磨中采用氧化倍微珠与采用氧化铝和玻璃微珠相比，其研磨能力相差在数倍以上。研磨介质依其大小可分为研磨球（4-12mm）和研磨微珠（0.23.0mm）：依其材质又可分为天然砂、玻璃珠、钢球、氯化错（TZP）质、硅酸错质、氧化铝质、高岭土质等多种。由于所用材质不同，其密度、硬度和价格差异也很大，如表1、表2所示。表1常用研磨介质的密度和直径研磨介质玻璃（含貂）玻璃（不含希）氧化铝硅酸偌氯化馅钢理密度(gcm3)2.92.53.43.85.46直径（mm）.0.3-3.50.37.50.3-3.50.3-1.50.5-3.50.2-1.5表2几种研磨介质（微珠）的性能与价格比较微珠径真密度堆积密度硬度价格(mm).(gcm,)(gcm,)(Mohs)(元kg)班化循（TZP）1.5-2.05.953.849.0300-500氧化铝2.0-3.02.701.698.018-22桂酸偌2.0-3.03.842.287.216-20高岭土2.0-3.02.751.707.012-163.2研磨介质密度，硬度的影响研磨介质的密度对研磨效率亦起重要作用，介质密度越大，研磨时间越短。研磨介质硬度必须高于被磨物料的硬度，以增加研磨强度。一般说来，研磨介质密度愈大，研磨效率愈高；硬度越高，磨耗越小，对产品产生的污染越小；但是在浆料比重和粘度一定的条件下，研磨介质的密度和硬度也并非越高越好，追求过高的密度和硬度，不仅会带来高成本，而且将产生如下不良作用。（1）当浆液浓度和粘度一定时，过高密度的研磨介质将大部分沉于磨桶的底部，造成研磨介质在桶内分布不均，且密度差异越大，分布越不合理。（2）在浆液比重和研磨介质密度相差过大时，大量的研磨介质沉于底部，不仅影响研磨介质在桶内的合理分布，而且将使主机起动因难。（3）在研磨介质高速冲击（碰撞）被磨物料的同时，也容易造成自身的破碎，增加自身和与其它研磨介质被击碎的可能性。此点也得到了试验和大生产使用的支持，作者曾在高岭土、氧化铝、硅酸倍等超细加工中，分别选用国产2-3mm的高岭土微珠、氧化铝微珠、硅酸错微珠与进口高性能氧化倍微做比较，尽管密度、硬度和价格相差很大（如表2）,但粉碎效率和磨耗并非象某些资料所讲的那么悬殊。因此，本着生产质量合格、成本合理产品的经营原则，作者认为，除非特别必要，在搅拌磨中选用同质研成本合理产品的经营原则，作者认为，除非特别必要，在搅拌磨中选用同质研磨介质（微珠）对降低综合成本，提高产品市场竞争力，具有十分重要的意义。3.3 研磨介质装填量的影响研磨介质的装填量对研磨效率有直接影响，装填量视研磨介质粒径大小而定。必须保证研磨介质在分散器内运动时，介质的空隙率不小于40%。一般低速搅拌磨的填充率在70%,高速搅拌磨的填充率仅50%左右，粒径大装填量也大。对于敞开式搅拌磨装填量为研磨容器有效容积的5060%；对于密闭型搅拌磨（包括双冷式、双轴式）为研磨器有效容积的70-90%。介质的填充率对磨机的工作起着决定性的作用，对不同的粉碎细度要求，需要调整研磨介质破碎和研磨的能力分配。在对物料进行超细粉碎的程中，希望充分发挥介质的研磨作用，这时可以采用高填充率来强化研磨，介质的填充率可高达80%o由于搅拌轴被埋在研磨介质中，启动力矩相当大，是工作力矩的10倍以上，为了优化搅拌磨的工作状况，常常采用空载启动，逐渐添加介质到额定负荷的方式。3.4 研磨介质大小、形状的影响研磨介质一般使用球形或短柱形，其平均直径小于6mm,用于超细粉碎时，一般小于1mm,最小的研磨介质直径可以到0.5mm。介质大小直接影响粉磨效率和产品细度，一般视给料粒度和要求产品细度而定。如果给料粒度比较大，需要研磨介质的具有较大的冲击破碎作用，那么配球就要大一些，同时，为增加微细粉的生成强化介质对物料的研磨作用，提高粉磨效率，研磨介质的粒径要大于10倍的给料粒度。通常对砂磨机而言，选用的最小微珠粒径要大于砂磨机出口缝隙或滤网孔径的2倍以上，以免微珠随浆料流出及研磨介质磨损太快：而搅拌浆外缘与砂磨机桶体内壁之间的距离必须是最大粒径3-5倍。3.5研磨介质配比的影响一般说来，在连续的粉磨过程中介质的大小分布是成一定规律的。为了降低成本，多采用补充大球的办法来恢复系统的研磨能力，磨机很难在长时间的工作中保持固定的介质配比不变。介质直径差别太大的情况下，会加剧介质间的无效研磨，即大介质对小介质进行了研磨，使研磨过程成本加大磨机的介质大小配比关系到粉磨能力能否发挥和如何减少介质磨耗的大问题，尽可能在实践中摸索出适合自己工艺特点的配球方案，并适时清仓剔出过小的无效研磨介质。3.6被磨物料浆液浓度的影响料浆对磨机吸取功率的影响归结为三个方面：磨机中有一定量的料浆时，料浆的浮升作用及其阻力改变了介质间相互冲击和研磨作用的强度;由于料浆中固体颗粒的存在改变了介质间直接作用摩擦力；由于介质空隙中充填了料浆，增加了介质松散密度，相当于增加了旋转的介质物料混合体质量。在湿法超细搅拌研磨过程中，电机传来的动力一部分消耗在介质的运动和对物料的粉碎上，另一部分消耗在浆料的流动漩涡流动中。如果能适当地降低浆料的粘度，可有效地提高磨机的研磨效果和降低电机电流。4主要工艺流程用搅拌磨对粉体进行超细粉碎主要有干法和湿法两种工艺，在干法粉碎过程中随着被粉碎物料粒径的变小其破坏强度和表面能明显增加，粒子容易凝聚或附着在设备壁上，形成一个粉体缓冲层。致使粉碎时能量无法集中在单个粒子上，妨碍了粉碎过程的进行。而在湿法粉碎过程中，通过加水或添加某些药剂使之降低粒子的表面能，防止产生凝聚现象，同时也可使被粉碎颗粒的破坏强度降低，有利于粉碎过程的进行。所以，从减小颗粒尺寸这一角度上考虑,温法粉碎优越于法粉碎。但在生产实践过程湿式粉碎的产品需要固液分离和干燥,对干燥过程产生的结块还必须打散处理，因此工艺较为复杂，且生产成本较高。4.1 干磨工艺干磨工艺主要是生产255um粒度的工业矿物粉体，主要有重钙、滑石、轻烧镁粉等。生产中必须配用干法微细粒分级机，而且产品细度取决于分级机，典型工艺如图1所示。该流程运转费用低，电耗低，可以省去湿法中的干燥设备，在磨矿时可以同时表面改性。但是还需解决工业矿物磨细后团聚问题、搅拌器耐磨及防铁污染以及磨矿时的热量散失问题。图1干磨工艺示意4.2 湿磨工艺湿磨工艺主要生产超细工业矿物，例如高档造纸涂布重钙产品（-2Um含量大于90%）,主要有一段式（间歇式）、多段式、循环式和闭路磨矿（磨矿十分级）。循环式磨矿特别适用于大处理量磨矿，细磨产品粒度分布窄、散热效果好、湿磨产品浓度可达60%70%,可直接进入闪蒸、多功能干燥等干燥设备，减少了压滤设备，从而投资较省。如图2所示。图2循环磨矿工艺示意多段式磨矿是几台搅拌磨机串联，如图3所示。根据产品细度要求，可以在每一段搅拌磨机内加入不同直径的介质球，提高了磨矿效率，改善了散热条件。但该工艺投资大,适应于大规模工业生产。另外工艺中任何一台设备发生故障，生产线就得停下，影响正常生产。一段磨矿或间歇磨矿仅适用于产品粒度较细或处理量较小的场合,在非金属工业矿物加工中应用较少，而主要应用于精细化工、陶瓷釉料、粉末冶金等工业。最为理想的湿磨工艺是闭路磨矿，它保证了产品无过磨现象，提高了磨矿效率，保证了最终产品细度的稳定。但是目前还没有高效超细湿法分级设备，而且分级后细粒级浓度太低，需要设置大型浓缩池。1.调浆桶;2,4,7-泵；3,6,9-中间桶;5,8-搅拌磨机；12-筛子；13-贮浆桶图3多段磨矿工艺示意湿法超细分级设备主要有小直径(中IOmm)旋流器，卧式螺旋分级机和蝶式分级机。5结论搅拌磨具有高效、节能的特点，是目前制备高性能、高纯度、零污染超细陶瓷粉体的首选设备，正确选用研磨介质是提高搅拌磨超细粉碎效率，制备质量合格、成本合理超细粉体的关健；在粉碎粉磨过程中，研磨介质的材质、密度、硬度、大小、填充率、配比、形状、补给是决定磨机工作好坏的重要因素，应根据物料性质、给料及产品要求来确定；提高研磨效率，降低生产成本，研磨介质的选取非常重要；建议采用同质球，这对降低综合成本，提高产品市场竞争力，具有十分重要的意义。参考文献段菊英搅拌磨的结构特点及发展方向：中国科技信息、2006(15)25钱效林研磨介质对搅拌磨效率的影响：材料科学2004(4);25-273神保元二(日)搅拌磨现状与发展趋势：化工装备技术1991(12);46-474曾凡，胡永平;矿物加工颗粒学MJ;中国矿业大学出版社，1995,262-263张国旺.超细粉碎设备及其应用M.北京：冶金工业出版社，2(X)56张国旺,黄圣生等;高效超细搅拌磨机的设计和应用;矿冶工程2002(3):46-47