超大型超细卧式砂磨机的突破创新及其在矿山之应用.docx

    超大型超细卧式砂磨机的突破创新及其在矿山之应用    摘 要：纳米科技是本世纪科技发展的重要技术领域，势必创造另一波技术创新及产业革命卧式砂磨机是一种高效率的超细湿法研磨设备本文介绍了新型卧式砂磨机设备结构、工艺及其在工业矿物中的应用情况不论其应用领域为何，所需要用的材料均为次微米或纳米级尺度之材料如何得到纳米级粉体及如何将纳米级材料分散到其最终产品已成为目前产﹑经及学术界共同之研究课题本文将针对纳米粉体研磨及纳米材料分散到其最终产品技术加以详加探讨，系统介绍卧式砂磨机在金属矿山的应用情况和最新研究进展，及对金属矿山资源综合利用和节能降耗的贡献，并对此进行了综合评述和发展展望关键词：研磨；分散；金属矿山；比能量；研磨介质1 引言笔者从事德国公司卧式砂磨机销售业务数十余年，且已曾受邀在国内大专院校﹑工研院﹑中科院及国内外企业针对“新一代高效率纳米研磨的现况及发展”主题演讲，并已规划过数百个案子，在国内已销售数百厂实绩其主要应用领域可以1998年为区分点1998年以前，企业界所面临的问题为如何提高分散研磨效率以降低劳力成本，如染料﹑涂料﹑油墨等产业而1998年以后，产业技术瓶颈则为如何得到微细化（纳米化）材料及如何将纳米化材料分散到最终产品里，如光电业TFTLCD﹑Jet ink﹑电子﹑磁性材料﹑医药﹑生物制药和细胞破碎﹑氧化物﹑食品等行业。

最近十几年来卧式砂磨机得到了迅速的发展，在冶金、矿业、非金属矿物材料、化工、陶瓷和新材料领域得以广泛应用超细卧式砂磨机是一种高效节能的超细湿法粉碎设备，随着卧式砂磨机设备的超大型化和技术的不断完善卧式砂磨机将在金属矿山再磨或细磨作业中得到普遍应用不论是传统产业提升研磨效率求快或是高科技产业纳米化材料求细需求，对大批量工业化生产来说，耐高温、耐强酸、耐磨、无污染控制都同样重要所以细﹑快﹑大、更少污染已成为新一代分散研磨技术最重要的课题本文将针对纳米级研磨的现状及发展﹑纳米级分散研磨技术的原理﹑纳米级研磨机的构造﹑现有设备的来源﹑应用实例及注意事项﹑结论及建议等六大主题展开讨论2 纳米级分散研磨技术的现状与发展（1） 化学方法和物理方法 随着 3C 产品之轻、薄、短小化及纳米材料应用白热化，如何将超微细研磨技术应用于纳米材料的制作及分散研磨已成为当下重要课题一般想得到纳米粉体有两种方法一种是化学方法，由下而上之制造方法（bottom up），如化学沉淀法，溶胶凝胶法（sol-gel）另一种方法则为物理方法，将粉体粒子由大变小（top down），如机械球磨法、化学法、物理法等到目前为止，大部分化学法或由下而上之纳米粉体制造方法被学术界研究且已有丰硕的成果，可以得到数纳米级粉体。

唯其制造成本有时相当高，且不易放大, 同时所得到粒径分布亦较大所以到目前为止，企业界仍主要以物理机械研磨方法得到纳米级粉体物理方法较易得到粒径分布较小的纳米级粉体，同时生产成本相对较低，参数容易控制，将研发实验机台所得参数放大到量产机台只是物理方法目前只能研磨到30 nm，但已能满足业界需求2） 干法研磨和湿法研磨对纳米粉体制造厂而言，一般希望以干法研磨方法来得到最终粉体但若以机械研磨方式研磨粉体，在研磨过程中，粉体温度将因大量能量导入而急速上升，且当颗粒微细化后，如何避免防爆等问题产生也是研磨机难以掌控的因素所以一般而言，干法研磨的粒径只能研磨到5~8 μm如果要得到5 μm以下粒径，建议必须使用湿法式研磨所谓湿法研磨即先将纳米粉体与适当溶剂混和调制成适当材料为了避免研磨过程中发生粉体凝聚现象，需加入适当分散剂或助剂充当助磨剂若需制备纳米级粉体，则需选择适当的溶剂﹑助剂﹑过滤方法及干燥方法3） 研磨和分散研磨是利用剪切力﹑摩擦力或冲力将粉体由大颗粒研磨成小颗粒分散是使纳米粉体被其所添加溶剂﹑助剂﹑分散剂、树脂等包覆住，以便达到颗粒完全分离﹑润湿﹑分布均匀及稳定的目的在纳米粉体分散或研磨时，因为粉体尺度处于由大变小的过程中，范德瓦尔力及布朗运动现象逐渐明显。

所以，选择适当助剂以避免粉体再次凝聚，利用研磨机来控制研磨浆料温度以降低或避免布朗运动影响，将是纳米级粉体研磨及分散的关键技术3 有色金属矿及非金属矿粉体的分散研磨原理湿法研磨方式是得到纳米级粉体最有效且最经济的方法图1和图2分别是砂磨机的结构图和工作原理图图3是砂磨机动态转子置于其内的超大过流面积分离器结合图1、图2和图3来看，马达利用齿轮箱传动搅拌转子，利用动力使锆球运动产生剪切力，浆料通过泵的推力到达研磨室，移动过程中因与磨球有相对运动而产生剪切力，进而产生分散研磨效果浆料粒径小于研磨室内分离磨球与浆料之动态大流量分离器滤网间隙大小时，浆料将被离心力挤出至出料桶槽以便得到分散研磨效果上述过程为研磨1个周期，若尚未达到粒径要求，则可以重复上述动作，称为循环研磨，直到粒径达到要求为止上述流程可用有色金属矿选矿、研磨、分选流程图（见图4）表示浆料粒径未达要求，将回送至研磨室继续研磨，直到符合要求4 研磨操作流程及技术控制图5和图6分别是传统立式搅拌磨与超大型卧式砂磨机的研磨操控流程图两者的区别主要在于砂磨机的结构与研磨方式研磨操作流程及相应的技术控制主要分为以下几方面1） 浆料前处理及预搅拌本系统能否成功达到研磨或分散目的，主要在于研磨介质（即锆球）大小及材质的选择。

以笔者经验，所选择磨球需为1.0~1.8 mm同时，为了让小磨球能够在研磨过程中不受浆料X轴方向移动的推力影响，而堵在滤网附近，导致研磨室因压力太高而停机，其搅拌转子线速度需超过16 m/s同时，浆料粘度控制在1000 cps以下，以便让磨球运动不受浆料粘度影响同时，浆料的固含量也需控制在65%以下，以防止研磨过程中因粉体比表面积增加而导致粘度上升，无法继续使用小磨球同时，为避免1.0 mm以下的磨球从动态分离器流出研磨室或卡在滤网上，滤网间隙需调整到0.8 mm左右前处理或预搅拌时，需依下列原则准备研磨前的浆料，整理如下：1)先决定所欲研磨的浆料最后粒径需求2)将浆料粘度﹑固含量﹑研磨前细度、最终要求细度做准备，并满足预定需求3)预搅拌或前处理系统搅拌转子转速需为高线速度设计建议线速度为10~23 m/s以避免产生浆料沉淀或不均匀问题2） 超大型卧式砂磨机为了同时保证研磨高效化和研磨机的正常运转，所需控制原则及参数如下：1)依照所需粒径要求选择适当的磨球例如，若需达到超细粉体要求且避免磨球损耗，需选择钇稳氧化锆磨球，莫氏硬度越大越好，磨球需为规则球形，没有孔隙，大小为1.2~1.8 mm。

磨球的选择会显著影响研磨所欲达到的粒径尺度2)依据磨球大小及浆料粘度，适当调整搅拌转子转速一般冶金、矿业、非金属矿物材料、化工、陶瓷和新材料超细粉体研磨，转速需达13.5~23 m/s以上3)控制研磨浆料温度一般浆料研磨温度需控制在90 ℃以下对浆料温度影响较大的主要有转子转速﹑磨球充填率﹑研磨桶热交换面积大小﹑冷却水条件及流量4)依据磨球大小选择适当动态分离系统间隙一般间隙为磨球直径的1/2~1/35)调整进料泵的转速在研磨桶允许压力范围内，进料泵的转速越大越好，一般选择HP工业级软管泵如此，可以于同一研磨时间内增加浆料经过研磨机研磨次数以得到较窄粒径分布6)记录研磨机所需消耗的电能7)取样时，记录每个样品的比能量值，并于分析该粒径大小后，探索出比能量与平均粒径关系，以利将来放大试验用8)达到所需比能量值时即可停机此时，按预定要求应该已达到所需研磨分散的平均粒径3） 循环桶一般要得到超细粉体，均需利用卧式砂磨机研磨数次，为了节省人力及利于自动化﹑无人化操作，可使用循环式操作模式用于纳米级粉体研磨决定平均粒径（D50）之方法，若浆料配方固定，研磨机操作条件亦固定，平均粒径将决定于比能量值。

比能量E值定义如下：E=(P-P0)/m·Cm（1）其中，E-比能量，单位为kW·h/tP-消耗电力，单位为kWP0-无效的消耗电力，尚未加入磨球时，启动研磨机消耗电力，单位为kWm-流量，单位为t/hrCm-固成分，单位为%由上可知，比能量指每吨粉体单位小时所消耗的电力如图7所示，以研磨碳酸钙为例，通过改变研磨机搅拌转子的速度(12~18.5 m/s)和流量，以X轴为比能量，Y轴为平均粒径作图由图7可以得知，在允许范围内，不论流量或搅拌轴速度如何改变，只要比能量值固定，其研磨所得平均粒径都能得到控制所以，只要控制相同的比能量值，即可得到相同的平均粒径值4） 磨球大小对研磨结果的影响如图8所示，不同磨球大小将影响所需的比能量值当使用1.0~1.4 mm磨球研磨碳酸钙时，需320 kW·h/t，才可达到D80小于2 μm的粒径但当比能量E值达到96 kW·h/t后，改用0.6~0.8 mm磨球继续研磨，则只需要比能量180 kW·h/t，即可达到相同D80小于2μm的粒径若浆料起始粒径可以先处理的更小，例如20 μm以下，则可以改用0.2~0.6 mm磨球研磨，则达到D80小于2 μm粒径所需的比能量值将再度缩小。

由此得知，磨球越小，则研磨效果越好，所需比能量值越小 （5） 展望市场，设备超大型是必经之路在金属矿山中，部分铁矿需磨至400目通过95%或更高才能单体解离，精矿品位通过65%，需要大处理量、窄粒径的超细搅拌球磨机金银矿、钼矿、铜矿、镍矿、铅锌矿也需要磨至400目通过90%或更高才能单体解离，需要具有细磨和擦洗作用的大型搅拌球磨机由于造纸行业发展迅速，将带动CaCO3需求量增长，势必带动大型现代化造纸钙生产基地的建立和完善 现在如太阳纸业集团高旭公司、晨呜纸业集团、岳阳林纸集团纷纷建立大型造纸钙卫星生产基地，至少年产5~10万t/a以上中铝拟向西芒杜铁矿投资22亿美元广西南国铜业有限责任公司年产15万t铜冶炼项目环境影响报告书得到了国家环境保护部正式批复驰宏锌锗公告称，公司全资子公司呼伦贝尔驰宏矿业有限公司（下称“呼伦贝尔公司”）14万t锌/年、6万t铅/年冶炼项目实际投资超出计划14.2305亿元为进一步保障项目建设资金的连续性，呼伦贝尔公司拟将总投资由原来的33.9874亿增加到48.2179亿元国有企业中国有色矿业集团有限公司旗下子公司计划通过非公开发行A股股票筹资至多人民币17.9亿元(合2.92亿美元)，部分所筹资金将用于在广东省建立的一个稀土工厂。

这可能意味着中国再次对这种具有战略意义的矿产提起重视高岭土、膨润土、云母等非金属矿业也将向大型化、现代化生产发展，例如国内的中国高岭土公司、广西北海高岭土公司、广东茂名高岭土公司和山西金洋高岭土公司等也将步入大型化、自动化大生产工业矿物粉体的制备，价格相对低廉，因此需要处理量大的加工设备研制产品粒度细且分布均匀、处理量大的大型超细搅拌磨机是工业矿物粉体深加工的当务之急在能源工业中，例如，煤直接液化项目中催化剂制备技术，就需要大型超细搅拌磨机制备亚微米级黄铁矿油浆因此，非金属行业、金属行业亦或能源行业，迫切需要一种高效、实用、能耗低且价格适中的大处理量、窄粒径的超细超大型卧式砂磨机我国许多矿山工业生产铁精矿都使用普通卧式球磨机磨矿，因普通卧式球磨机磨矿效率低，产品粒度达不到要求，矿物没有达到单体解离，所以铁品位只能在53%~55%之间超大型卧式砂磨机是金银矿、钼矿、铜矿、镍矿、铅锌矿、铁矿再磨或细磨最具有发展前景、能量利用率高、产品粒度细的一种细磨设备另外，由于该设备结构简单、操作维护方便，从而被广泛应用于黄金矿、有色金属矿、金属矿和磁性材料等工业生产中柿竹园有色金属矿铁精矿磨多年来都是采用卧式球磨机，。