超细搅拌磨的研发现状及发展趋势

陈彦如，王腾宇，纪 鸿，郑水林

（中国矿业大学(北京)化学与工程学院，北京 100083）

由于高新技术和新材料产业对矿物粉体的特殊要求，粉体工业正朝着超细粉碎的方向迅速发展[1]。超细粉体的比表面积大、颗粒缺陷少、活性高、反应速率快、填充补强性好、溶解度大、烧结温度低且烧结强度高，因此，提高超细粉碎技术对现代高技术新材料产业的发展有着极其重要的意义[2]。超细搅拌磨是现代超细粉碎的主要设备之一,因其具有能量密度高、产品粒度细、环境污染小、设备结构简单、维修方便等优点广泛应用于建材、涂料、化工、医药、食品、农药、电子、冶金、陶瓷、颜料等领域[3]。

1 超细搅拌研磨的结构及工作原理

搅拌研磨机主要由传动装置、机架、筒体和搅拌装置构成。筒体内填充有一定数量的研磨介质，研磨介质可以是瓷球、玻璃球、氧化锆珠、钢球或天然砂等。搅拌装置可以有多种形式，如轴棒式、圆盘式、穿孔圆盘式、叶片式、圆柱式、圆环式、螺旋式等，工作方式可以有干法和湿法。对于立式搅拌磨，物料可以从筒体上部利用传送装置给入，也可以从筒体下部经泵送入研磨腔内[4-6]。

工作时，研磨介质随搅拌器做回转运动，包括公转和自转，物料给入研磨腔后与搅拌中的研磨介质发生碰撞、挤压、摩擦。在整个筒体内剪切力和挤压力处处存在，这是由于沿径向方向，位于不同半径上的物料和磨介的运动速度不同，沿垂直方向，层与层之间物料和磨球的运动速度也不相等,存在一个速度梯度。在搅拌器附近物料粉碎效率高，磨球除了做圆周运动外,还存在不同程度的上下翻动运动,有一部分磨球与搅拌器发生冲撞、摩擦,在搅拌器附近还存在一定的冲击力。综合起来,在整个研磨室内起粉碎作用的力有剪切力、挤压力和冲击力。挤压、研磨(挤压+剪切)的作用方式是微粉碎的较好方式,而且能量利用率高、新生表面积大。挤压、研磨的作用力方式使颗粒表层剥落,产生不完全粉碎,颗粒越小,受挤压、研磨的表面积越大,而且挤压、研磨还能克服微粒之间的物理化学力以及粘附、聚结现象。

2 国内外超细搅拌研磨的发展现状

2.1 国外

超细搅拌磨机是随着现代材料科学技术的进步而发展起来的。国外已有专业制造厂家和许多先进的设备，如美国联合工业矿物公司(Uinon process Inc.)、日本细川公司(HOSOKAWA)、德国的耐驰公司(NETZSCH)、德国道莱士(Drais)公司和美国美卓(Metso)矿机公司等生产的超细搅拌磨机成套设备。

早期的搅拌磨如图1所示[9]，最初是用于浮选之前清理矿物表面。它由安装在一个立式圆筒内的转子和定子组成，由转子和定子之间的相对运动产生颗粒之间的磨擦来清理矿物表面，在定子上端装有冷却水管，以散发机体内的热量，该装置是一台很有效的细磨设备。之后美国矿山局对该机进行了大量的细磨开发研究，并用来大规模加工高岭土和钛白粉。

图1 早期搅拌磨

扎格瓦瑞磨如图2所示。该磨机采用了由细长铁棒组成的搅拌器，并在机体外装有冷却水套，粉碎是在垂直的圆筒形容器中进行。给料粒度为40～1000μm。典型的产品粒度为10～20μm。磨矿介质材料包括不锈钢、钨碳钢、陶瓷等，尺寸从3～6mm不等。

图2 扎格瓦瑞磨

塔式磨机(立式磨机)是一种垂直安装、带有螺旋搅拌装置的细磨设备(见图3)。给矿粒度通常小于3mm，由底部泵入，物料经筒体内介质研磨后，合格的产品从磨机的顶部溢出，在排矿口下端安装有内部分级机，将粗粒物料返回磨机进行再磨。塔磨机的最大给矿粒度为6mm，产品粒度74～20μm。目前，国外最大的塔磨机安装功率1125kW，处理能力超过100t/h。

图3 塔式磨

艾萨磨机(ISAMILL)，如图4所示，是由澳大利亚的Mountlsa矿和NETZSCH公司发明的一种细磨设备，用于该矿的铅锌分离。该种磨机采用水平高速搅动研磨原理来使矿物解理，其产品粒度d80可达7μm。艾萨磨机的功率强度很大，使用的磨矿介质为陶瓷、河沙、炉渣等。M·高等[10]对磨腔净容积为3000L，额定电机功率为1120kW的设备采用了新的产品分离器设计的Isa磨机进行研究，发现 Isa磨机可非常灵活地将120μm的粗物料磨至5μm甚至更细。

图4 ISAMILL磨机

MaxxMill磨机如图5所示[11]，是由德国爱立许公司生产制造的。该磨机主要由转鼓、搅拌装置、入料导流管，出料装置组成。研磨介质可以是钢珠、玻璃球或陶瓷珠，磨介尺寸在3～10mm，填充率为80%。物料从桶壁上的管道进入，经粉碎后，细物料被排出筒体，大部分的磨介由于自重不会排出筒体，但是对于粘度高的入料，需要利用筛子来返回磨介。当入料粒度小于5mm时，该设备粉碎效果最好，对粗粒的物料有很好的粉碎效果，可用于粉碎陶瓷，石灰石，石英等。

图5 MaxxMill磨机

2.2 国内

我国超细搅拌磨机的研制开始于20世纪70年代初，到目前为止，已有30年的发展历程，取得了较大的进步。重庆化工机械厂研制出我国第一台砂磨机(Sand mill)，也称高速搅拌磨机，应用涂料、染料、油墨及颜料等工业。在吸收国外先进技术的基础上，相继开发了卧式砂磨机、双筒砂磨机、窄隙砂磨机和密闭型砂磨机等设备，其立式砂磨机有50、80、120、300、500L。80年代初长沙矿冶研究院和秦皇岛黑色冶金设计研究院相继开发了JM-600、JM-1000和MQL-500型立式螺旋搅拌磨机(塔式磨机)。90年代中期中科院金属所开发出塔式磨浸机，已成功地应用于金矿再磨作业，取得了较好的成绩。在开发塔式磨机的同时，长沙矿冶研究院、郑州东方机器厂等开发研制成功了超细棒式搅拌磨机，最近几年，制造厂家增多，但进展不大。随着国内重质碳酸钙、高岭土等非金属矿行业的发展和需求，苏州非金属矿工业设计研究院联合江苏一些制造厂家研制了BP80、BP300、BP500型剥片机(高速盘式搅拌磨机)，成功地用于高岭土、重钙、膨润土等行业。

张国旺等[12]研制出了3600L大型立式超细搅拌磨机，用其生产亚微米超细重质碳酸钙，产品细度-2μm 含量大于68%，处理能力4.6 t/h(固含量72%，按浆料计)时，能耗小于45kW·h/t；产品细度-2μm 含量大于90%，处理能力2.1t/h(固含量72%，按浆料计)时，能耗小于100kW·h/t。用于生产亚微米超细硫酸钡，处理能力 3.6～4t/h(浆料，固含量80%)时，产品粒度-2μm大于90%；用于煤系高岭土的超细剥片，给料-325目≥97%，湿磨后-2μm≥90%～95%。处理能力1.3～1.5t/h,固含量42%～46%。

吴建明等[13]研发了GJ5×2大型双槽高强度搅拌磨机。该设备采用了独特的双槽结构，降低了整体高度解决了操作维修困难的问题。槽体断面采用方断面，较六边形或八边形断面产生的紊流更强烈，有利于提高搅拌磨效率，加工也较容易。搅拌装置采用了独特的双叶轮形式，不仅能使介质产生强烈的径向运动，而且还会产生强烈的轴向运动。采用了独特的压缩空气启动方式。在山西朔州某高岭土公司的应用表明，给料粒度-45μm时，产品粒度可以达到-2μm含量85%～88%，生产能力为1.5t/h左右。

高春武等[14]2007年成功开发了Ф0.4×2.86卧式搅拌磨，该设备的额定产量为300kg/h，研磨筒直径为0.4m，长度为2.86m，进出料口均配置蓖板，研磨介质由Ф25mm、Ф30mm、Ф35mm等三种球形介质按一定配比组合而成，有4 个工作区域，每个区域均盛装一定配比的等量研磨介质。该设备主要为纸面石膏板生产中通过超细粉磨原料，以达到优化工艺、减少促凝剂用量、降低能耗等作用。

王清华等[15]开发了1500L大型搅拌研磨设备。该设备电机动力为132kW，配套设备动力30kW；占地40m2，高8m；设备的处理能力可达150～1500kg/h。粉磨滑石和重质碳酸钙的平均细度可达亚微米级。该设备的工作原理是原料与粉碎介质分别从顶部给入，在转子搅拌混合下将原料研磨粉碎；被粉碎的产品与介质同时向下移动并从磨机底部向外排出。在磨机的底部将粉料和介质分开后，物料送入超细分级机进行分级处理；细粉作为产品用除尘器捕集，粗粉送回磨机再磨。介质循环使用，以便将磨机内热量带出。对生产超细粉来说，原料的最大粒径小于300μm，最好是40～100μm。粉碎介质主要采用陶瓷球和钢球。为获得高纯产品，磨机的定子和转子均采用耐磨材料或表面包层。

3 结语

随着造纸、塑料、橡胶、涂料、陶瓷等相关工业部门产量的迅速增长以及对产品质量要求的提高，非金属矿业正在向大型化、现代化生产发展，因此需要一种高效、实用、能耗省且价格适中的大处理量、窄粒亚微米级超细搅拌磨机。

今后超细搅拌磨机的研究重点和发展方向将主要集中在以下几个方面：①大型超细搅拌磨机生产亚微米粉体或浆料(例如：重质碳酸钙、高岭土、硫酸钡)；②离心超细搅拌磨机生产纳米涂料、油墨及颜料；③窄粒级超细低污染搅拌磨机的研究，应用于新材料开发；④大型矿业用搅拌磨机应用于矿物加工(例如金矿、铅锌矿、铁矿和钥矿等)的再磨作业；⑤加强超细搅拌磨机粉磨机理研究，开发新型高效超细搅拌磨机适应不同矿物粉体材料制备；⑥在现有设备基础上发展人工智能技术，根据原料特点和产品要求自动优化磨机操作参数。

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