硅酸锆超微细粉体球磨干法加工技术与实践

2018-04-25方苍舟杜仁忠

中国非金属矿工业导刊 2018年1期

苏宁，方苍舟，杜仁忠

（中建材(合肥)粉体科技装备有限公司，安徽合肥 230051）

1 前言

超细硅酸锆(ZrSiO4)是由天然锆英砂经超细粉碎分选等工艺加工而成的一种外观呈白色粉末状的超细粉体。其特点是折射率高，具有良好的化学稳定性和耐高温性能，因此能作为乳浊剂广泛应用于建筑陶瓷、卫生陶瓷、日用陶瓷等，在釉料中或胚体中起增白作用。我国硅酸锆的生产和应用始于20世纪80年代末90年代初，随着我国基建规模不断提高，硅酸锆粉体的用量呈现不断增长的趋势。

生产D50=1.0～1.3μm硅酸锆超细粉体的关键在于如何控制其粒径大小及粒度分布，现阶段国内外的超细硅酸锆磨矿工艺大多采用球磨机或搅拌磨进行湿法研磨。湿法球磨机内的研磨体对物料具有很强的冲击作用，对于物料前期粉碎起一定作用。但是随着颗粒变细，为获取更多较小的1μm的粒子，需选用挤压、剪切作用较强的湿法搅拌磨以提高粉碎效率。所以，很多公司将两种设备串联使用，充分利用不同设备的粉碎比，采用分段研磨工艺生产超细硅酸锆，提高研磨效率，取得了良好的经济效益和社会效益。在干法技术成熟前，湿法生产因产品质量如颗粒细度、杂质含量等容易控制，产品稳定性较好，因而在国内占主流。但是湿法生产的缺点也比较明显：工艺流程长，投资相对较大，厂区占地面积大，干燥费用较高，特别是环保问题多，这一系列的问题都有待解决。

随着硅酸锆粉体生产技术的不断发展，采用球磨配分级机的干法生产工艺，可以很好地生产中位径在1μm左右的硅酸锆超微细粉体。产品经下游行业的长期应用表明，完全满足高档建筑卫生陶瓷的要求。新工艺完全可以替代现有的湿法工艺。采用干法生产超细硅酸锆投资较少、工艺路线简单、流程短、运行费用低、污染容易控制等优势明显，现在越来越被生产超细硅酸锆的企业青睐。

本文以蚌埠某公司年产5 000t超微细硅酸锆粉末工程设计为例，主要生产中位径1.0～1.3μm超细硅酸锆粉末，浅析干法球磨分级工艺的开发和应用。

2 生产线工艺设计

2.1 工艺路线选择

球磨机加分级机干法生产超细粉体的工艺技术，是一项非常成熟稳定的工艺技术，在各类非金属矿行业(碳酸钙、重晶石、滑石、石英砂等)、煤系高岭土行业、超硬材料行业(碳化硅、氧化锆)、超细水泥行业等，都得到十分广泛的应用。

球磨机作为一种粉磨设备，已有100多年的使用历史。目前，我国直径5m以下的球磨机制造技术已达到国际先进水平。在超细加工中的应用，国外已有60多年的历史。但在国内，很多人仍然存在质疑，主要有两个方面：①球磨机“傻大笨粗”，产生的-1 μm微粉量可能不多，不太适宜生产超微细微粉；②粉磨中铁污染会比较大，这将导致产品的品质降低。

针对干法球磨机作为研磨设备的上述问题，我公司一直致力于球磨机粉磨技术的研发和创新，目前已经得到全面解决。并且取得了高细球磨机技术的国家发明专利，该专利在水泥、冶金、非金属矿、化工等行业的粉体超细研磨生产上取得巨大成功。其特点是成倍强化研磨效果，极大提高了出料的-1μm细粉率(幅度达到40%以上)。

球磨机加分级机生产超细粉体的另外一大优势是，采用球磨机研磨的颗粒形状基本呈现球形结构，颗粒形貌比较规整，表面能较冲击或碾压设备生产的粉体低，对下游产品的品质有提升，所以很受下游客户的欢迎。在有些特定场合，必须要用球磨机配分级机的生产工艺生产的粉体才能满足新材料的性能要求。

因为湿法加工有许多不足之处(提资、能耗、污染等)，而采用干法球磨机配分级机的工艺路线生产硅酸锆超微细粉体是可行的，为此选择该工艺路线进行研发和实践。

2.2 工艺设计方案

根据超细硅酸锆市场需求、国内外超细加工装备与技术的现状，结合各单位在粉体加工与应用研究等方面的经验，为蚌埠某公司新建的年产5 000t超微细硅酸锆生产线，就产品结构及品质保证、加工工艺路线选择、设备选型等进行了充分的研究探讨。

生产线的设计规模为年产5 000t超细硅酸锆；产品结构为D50=1.0～1.3μm；采用高细球磨机＋超细分级机+自动化控制一体化的工艺路线。采用高效节能、环保型装备与技术，实现企业经济效益和社会效益的双赢。

在硅酸锆粉体类粉体(硅酸锆、石英砂、氧化锆、碳化硅等超硬材料)的超细加工中，研磨分级生产时，避免粉体受到其他材料(主要是铁质)的污染是一个需重点解决的问题，必须使整个超细加工后的粉体中铁等杂质含量在可控范围之内(0.01‰～0.03‰)，所生产的粉体才可以满足电子级等行业的需求。

因此，在生产线的研发设计中需要充分考虑：①如何做到高细球磨机系统在高效研磨中的节能降耗及其规模化生产；②如何实现超细分级机对成品粒径的精确切割以及分级效率的提高；③采取何种措施防止杂质对成品的影响。

2.3 工艺流程

球磨+超细分级机生产超微细硅酸锆工艺流程如下图。

高纯超微细硅酸锆生产线工艺流程简图

来自原料储库的硅酸锆原料由皮带喂料机定量喂入高细陶瓷球磨机中研磨，出磨粉料负压抽吸进入分级机中分级，成品与气流一同进入收尘器出料包装；分级后的粗粉出分级机，直接输送到球磨机头部，与原料混合进入球磨机再次研磨。

2.4 主机设备选型

经过科研与实践精确论证，确定了主机设备的选型。本生产线采用全智能化DCS控制系统、全国产化大型生产设备和工艺，极大节省了投资成本。其主要目的是使超细硅酸锆粉体产业规模化、产品精细化生产，提高产品档次，完善产品结构，达到国内外同类产品指标，提高产品市场竞争力。

该生产线主机设备选型如表1所示。

为了达到超细无污染生产线的设计目标，必须对主机设备的配置有特殊的要求，主要体现在以下几个方面：

(1) 高细球磨机：本方案综合国际先进粉体公司的研磨技术，再经过高细改造，完全满足生产研磨需要，同时可以显著提高研磨效率：①球磨机内部采用陶瓷衬板，研磨介质采用陶瓷球以防止铁污染；②选用特殊的助磨剂技术，提高研磨效率。

(2) 超细分级机：分级机的效率和性能直接影响着整个系统的效益，在整个生产线的设备中占据决定性的地位。本项目采用最先进的ADW型多转子涡轮分级机，具有切割精度高，分级效率高的优点。较普通的该类型分级机进行一定的改进：①采用特制耐磨叶轮；②腔体隔铁防护；③采用专有大颗粒阻断装置，确保100%的顶点切割精度。

(3) 高压脉冲收尘器：收尘器性能的好坏一方面会极大地影响分级效率的高低及产品的粒度分布；另一方面决定设备流程的复杂程度。本生产线采用了我公司从美国引进的高浓度高压脉冲袋式收尘器，使从分级机出来的超细产品能直接进入收尘器收集下来，避免了采用普通收尘器时，中间要加一台旋风收集器进行产品预收集的环节，使设备流程变得非常简单。更重要的是，使产品的粒度分布确定一致，质量均一。

表1 主机规格及装机

(4) 高压离心风机：本设备为整个流程系统提供动力，其性能与分级机的分级性能(产品精度)密切关联，所以本设备的选型至关重要。要求其具有抽吸力强劲，风机性能曲线平缓的特性。在遇系统压力波动时，风量的波动缓滞或能消峰填谷。

3 生产线实践分析

3.1 原料的选择和加工

硅酸锆的化学通式为ZrSiO4，理论化学组成为：ZrO267.2%，SiO232.8%。锆英砂因为杂质含量的不同而显红、黄、浅灰、棕色等不同颜色。

该生产线选用的原料采用澳大利亚某公司生产的优级锆英砂，化学成分见表2。

表2 原料锆英砂的化学组成(%)

优质的原料是生产优质成品的前提和保障，对硅酸锆乳浊作用不利的组成有Fe2O3，TiO2，Al2O3等，所以加工企业应尽量在选矿及加工过程中减少以上三种成分的含量，一般要求：Fe2O3＜1.0%，TiO2＜1.0%，Al2O3＜1.0%。以上三个指标偏高时，硅酸锆的价格也会随之下降。所以原料在进入球磨机研磨之前，一般可采用强力除铁或酸洗工艺将Fe2O3的含量减少；Al2O3一般是由研磨介质引入的，所以加工过程中应尽量采用磨耗小的Al2O3瓷球或采用氧化锆球。