GJM搅拌球磨机制备超细粉体的应用研究

2016-08-15袁树礼卢世杰周宏喜孙小旭刘佳鹏

现代矿业 2016年7期

关键词：超细粉磨机分散剂

袁树礼　卢世杰　周宏喜　孙小旭　刘佳鹏

(1.北京矿冶研究总院；2.北矿机电科技有限责任公司)

GJM搅拌球磨机制备超细粉体的应用研究

袁树礼1,2卢世杰1,2周宏喜1,2孙小旭1,2刘佳鹏1,2

(1.北京矿冶研究总院；2.北矿机电科技有限责任公司)

摘要介绍了GJM系列搅拌球磨机最新应用进展，分析了该设备的结构特点以及作用机理，结合云母、滑石搅拌磨矿工艺参数优化，介绍了搅拌磨放大选型的方法，可以为设备的高效应用和精确化选型提供参考。

关键词GJM搅拌磨机非金属超细粉体

随着矿物加工行业对产品性能要求的提高，超细粉碎技术成为矿物加工领域物料粉碎技术的热点和难点，实现物料超细粉碎的加工设备主要有气流磨、雷蒙磨、振动磨、胶体磨、搅拌磨等，其中以搅拌磨的发展和应用尤为突出[1]。搅拌磨具有研磨效率高、处理能力大、能耗低、污染少等特点，是目前矿物细磨和超细磨的重要发展方向，已经在现代工业、高新技术产业和新材料产业等相关领域广泛应用[2]。

通常情况下物料粉碎粒度达到10 μm以下即可称为超细粉体，超细粉体的物理及化学性能会发生改变，应用价值也更高。首先，超细的意义在于颗粒粒度极小而且分布均匀。以滑石、高岭土等非金属矿物为例，在造纸、涂料、精细化工等应用领域中要求产品粒度d90≤2 μm，在特殊的高性能材料应用领域中要求d97≤2 μm，同时还要求产品d50≤0.6 μm，以保证产品粒度分布的均匀性；其次，超细粉体还要具有一定的纯度，在深加工过程中要最大限度地降低由设备造成的污染危害，尤其是铁污染对产品性能影响较大，对于滑石、高岭土、重质碳酸钙等白色矿物都有相应的白度要求，如滑石通常情况下要求白度在95%以上，高岭土和重质碳酸钙要求白度在90%以上，高级石墨产品的纯度要求在97%以上；第三，要保持矿物的微观形貌，以云母、石墨最为典型，该类型矿物为片状结构，矿物磨细的过程也是厚径比不断减小的过程，超细研磨过程中要保持矿物的片形结构特点，才能最大限度地发挥超细粉体的物化性能。

1　GJM搅拌磨机的特点

为实现矿物超细粉体的制备，北京矿冶研究总院北矿机电科技有限公司自主研发了大型粉磨设备GJM系列高效搅拌磨机，在国内的非金属矿物超细粉碎领域获得广泛应用，并取得了良好的应用效果，成为石墨、高岭土、滑石、云母等矿物超细粉体制备的标准型设备。

1.1GJM搅拌磨机的结构及性能

GJM搅拌磨机主要由槽体、驱动装置、搅拌器等部分组成，如图1所示。两个立方体形槽体在底部连通，两槽中1个设有给料口，用作预磨；另一个设有排料口，用作精磨。槽体内装有粒度小于5 mm的陶瓷介质，介质和矿浆体积占槽体容积的一半以上。每个槽内各设有1套驱动装置和搅拌器。两槽底部各设有1个卸料口和压缩空气入口。槽顶部设有排气管和加球孔，槽体两侧各有1个人孔，辅助设备检修。

图1　GJM搅拌磨机结构1—给料口；2—预磨槽体；3—驱动装置； 4—排矿口；5—搅拌器；6—精磨槽体

GJM搅拌磨机工作时，搅拌器高速旋转，对介质和矿浆进行强烈搅拌，使矿物颗粒受到强烈粉磨。被磨矿浆首先从给料口进入预磨槽预磨，然后从底部进入精磨槽精磨，最后经隔离筛从排料口排出。双槽结构形式使物料研磨时间更加充分，尽可能达到磨矿指标，多台设备串联使用可以将矿物磨至更细，产品粒度最低可达到d90<1 μm。槽体内部所有与物料接触的部件都有高耐磨的衬层，对物料无任何污染，并且使用寿命更长，保证了设备运转率，每年检修次数不高于1次。GJM搅拌磨机在应用中一般采用开路磨矿工艺配置，无需配套辅助分级设备。物料从上部进料口自流给入或给矿泵给入后，经过磨机的预磨槽和精磨槽，再从出料口溢流排出。从磨机底部压力给矿，然后从排料口溢流出料，能最大限度地延长磨矿作用时间，保证磨矿效果。

1.2GJM搅拌磨机系列参数

GJM搅拌磨机在非金属矿的应用中积累了大量的工业数据，并形成了满足不同生产需求的设备参数配置。目前该搅拌磨机的最大型号为GJM30，磨机容积达到30 m3，单槽容积15 m3，设备装机功率264 kW，在高岭土超细磨中，磨矿产品粒度达到d90=2 μm时的干矿处理能力为4.5～8.0 t/h；在滑石超细磨中，磨矿产品粒度达到d75=2 μm时的干矿处理能力为3～5 t/h。GJM磨机的技术参数如表1所示。

表1　GJM搅拌磨机技术参数

2　GJM搅拌磨机的应用

GJM搅拌磨机选型试验是确保设备投产后高效运行的重要手段，采用实验室装机功率为2.2 kW、容积为5.4 L的磨机对矿浆浓度、磨矿介质粒度、分散剂添加量等工艺条件进行前期的探索研究，并获得不同工况条件下的磨矿时间，可实现工艺参数优化和工业设备选型。

2.1云母选别

选用河南伊川某云母选矿厂粗选精矿作为试验原料，开展云母超细磨工艺参数及磨矿选型试验研究。试验原料组成成分分析如表2所示，主要矿物为白云母和绢云母，云母是典型的难破碎物料，测定真密度为2.71 g/cm3，试样的粒度分布如图2所示。云母在破碎后有几何还原特性，随着物料破碎粒度的变小，黏性显著增加，超细粉碎难度增加。

表2　试样化学元素分析

图2　试样粒度分布

2.1.1介质直径影响

在矿物粉碎过程中，磨矿介质直径与物料粒度d90匹配才能发挥最优的磨矿效率。图3所示为矿浆浓度为50%、分散剂用量为试验矿样质量的0.2%时，介质直径对磨矿效率影响的结果。

图3　介质直径对磨矿效率的影响■—2 mm;●—3 mm;▲—4 mm;▼—5 mm

由图3可知，在相同的磨矿时间内，φ4 mm介质的磨矿效率最高，最终产品d90达到5 μm，其次是φ5 mm介质；φ2 mm介质的磨矿效率最差，但从曲线的变化过程中可以发现，d90<20 μm时，φ2 mm介质的磨矿效率反而比φ4 mm介质的磨矿效率更高，因此φ2 mm介质更适于对超细颗粒的研磨，而在整体磨矿过程中其磨矿效率较φ4 mm介质的磨矿效率要差。

2.1.2矿浆浓度影响

在磨矿介质直径为φ4 mm介质、分散剂用量为试验矿样质量的0.2%条件下，考察矿浆浓度对磨矿效率的影响，结果见图4。

图4表明，矿浆浓度对磨矿效率的影响不大，矿浆浓度为50%时的磨矿效率相对最优。试验过程中观察发现，矿浆浓度为50%时，云母矿浆具有较好的流动性，而且随着矿浆浓度的提高其流动性逐渐变差，矿浆浓度高于60%时，矿浆流动性很差，因此，确定矿浆浓度为50%。

图4　矿浆浓度对磨矿效率的影响■—45%;●—50%;▲—55%;▼—60%

2.1.3分散剂用量影响

选取工业级六偏磷酸钠作为分散剂，在磨矿介质直径为4 mm，矿浆浓度为50%，分散剂添加量分别为试验矿样的0.1%、0.2%、0.3%条件下，考察分散剂用量对磨矿效率的影响，结果见图5。

图5　分散剂用量对磨矿效率的影响■—0.3%;●—0.2%；▲—0.1%

由图5可知，在分散剂添加量为0.2%时，磨矿效率最佳。确定分散剂用量为0.2%。

2.1.4磨矿时间确定

根据现场的生产要求，磨机内初加介质为按照不同介质直径配比添加。一方面针对原矿粗粒级分布宽的特点，增加φ5 mm的大粒径介质配比，同时采用φ2 mm介质增强对细粒矿物的磨矿作用，通过综合分析介质直径对磨矿效率的影响，按照介质直径φ5 mm∶φ4 mm∶φ2 mm=1∶2∶1的制度作为初加介质配比，在矿浆浓度为50%、分散剂用量为0.2%条件下，考察磨矿时间对磨矿效果的影响，结果见图6。

图6　磨矿时间对云母矿石磨矿效果的影响

从图6可以得出，从d90=100 μm磨到d90=10 μm所需的磨矿时间为24 min，根据工业生产的磨矿处理能力1.3 t/h，计算出满足该处理能力所需的设备容积为20 m3，选用2台GJM10搅拌磨机并采用串联的配置方式完全满足了现场的生产需求。

2.2滑石选别

选用四川凉山州某滑石选矿厂的干磨精粉作为试验原料，利用实验室SJ19半工业型试验设备开展实验室工艺参数研究。试验原料矿物真密度为2.67 g/cm3，在给矿粒度为d75=38 μm，要求产品粒度为d75=2 μm的条件下，最佳磨矿介质粒度为φ2 mm，矿浆浓度为50%，试验采用聚丙烯酸钠作为分散剂，分散剂有效成分的添加量为试验矿样的0.4%。试验结果如图7所示。