超细搅拌磨矿机的研究 张国旺1 2 黄圣生2 李自强1 赵湘1 (1 长沙矿冶研究院选矿所    2 中南大学资源加工与生物工程学院  ) 发布时间：2003年12月31日 13时44分 摘  要  搅拌磨是一种高效率的超细粉磨设备。本文介绍了新型搅拌磨设备结构，工艺及其在工业矿物中的应用情况 1  概述 搅拌磨是一种高效率的超细粉磨设备，已在油漆、油墨、颜料、造纸涂料、陶瓷釉料、磁性材料、塑料填料、功能材料和难处理金矿等行业中应用。随着新材料的迅速发展，越来越需要超细非金属工业矿物粉体，例如：造纸工业需要超细高岭土，超细碳酸钙（-2μm≥70~90%）；塑料工业需要超细重质碳酸钙和滑石粉、硅灰石粉、云母粉（-10μm~20μm）；陶瓷行业需要超细硅酸锆釉料（-5μm）；精细陶瓷行业需要超细SIC，超细Al2O3(-1μm)等等。这些极大地刺激了超细粉磨设备的发展，特别是搅拌磨的发展。最近几年来，一些科研工作者对搅拌磨是一种高效率超细粉磨设备作了充分肯定，进行了一些基础研究工作[1][2][3]，制造了一些工业化设备[4][5]。但是，对如何提高搅拌磨设备本身的能量利用率和工业矿物不同具体用途的最佳细磨工艺研究较少。长沙矿冶研究院在80年代研制成功立式螺旋搅拌磨矿机以来，经过10多年的改进和完善，已应用在金矿再磨、氧化铁红细磨、石墨剥片提纯、电解锰湿磨和高岭土细磨等行业。然后经过几年的试验研究并综合吸收塔式磨（立式螺旋搅拌磨）、砂磨机、间歇式搅拌磨和环隙磨等设备优点，又研制成功了一种新型超细搅拌磨机，该设备已逐步应用在重钙、高岭土、碳化硅、石榴子石、电解二氧化锰、铁氧体和铝粉浆等行业。   2  搅拌磨矿机的发展现状 2.1  搅拌磨种类 搅拌磨种类见表1。 表1  搅拌磨的分类 名    称 典型机型 粉碎机构及粉碎机理 应用范围 塔式磨矿机（立式螺旋搅拌磨矿机） KD干法KW湿法JM立磨机 立式螺旋搅拌器，立式筒体。以中低速度搅拌介质。摩擦、冲击粉磨物料。 矿物加工（金、铅锌矿再磨）、非金属矿、化工原料 搅拌槽型 AttritorBJMZJMSBM 圆盘或搅拌棒，立式筒体。中速搅拌介质球。摩擦、冲击粉磨物料。 铁氧体粉末冶金精细陶瓷材料电子材料 流通管型 SK砂磨机BP剥片机DyNo-millLME 圆盘或搅拌棒，立式或卧式搅拌筒体。高速强力搅拌介质球。冲击、摩擦、剪切、粉磨物料。 造纸填料、涂料、油漆、染料、油墨、食品、药品、农药、生物细胞 环隙型 CoBall millCer-mill 二重圆筒或二重圆锥内筒的高速旋转。在环隙中搅拌介质球。冲击、剪切、摩擦粉磨物料。 高技术陶瓷、新材料、磨料  2.2  现有搅拌磨的分析 塔式磨如图1所示, 在1952年由日本河端重胜博士发明，现已应用在金矿、铅锌矿再磨作业，近年来也逐步应用在非金属矿物加工行业。长沙矿冶研究院进行了大量试验研究工作，制造了立式螺旋搅拌磨矿机，该机特点是：中低速，较高的介质充填高度，螺旋搅拌器，在细磨或超细磨时能量利用率高。但是该机筒体太高，维护和检修不太方便；另外要进行超细磨时，由于采用螺旋搅拌器，难以提高速度。   图1  塔式磨机原理图 砂磨机（剥片机）如图2。又称为高速搅拌磨机，该种设备在油漆行业得到了广泛应用。但是，速度高，在筒体内能量密度分布不均匀；由于采用盘式搅拌器，玻璃珠或陶瓷珠在圆盘上受力是摩擦施力，能量损失大，比棒式搅拌器能量利用率低；高速旋转，圆盘，筒壁磨损严重，发热大，外壳须设冷却夹套。优点就是筒体高度适宜，总机重量轻，维护和检修方便。   图2  砂磨机原理图   棒式搅拌磨，或称周期式搅拌磨，例如美国UP公司Attritor搅拌磨如图3，在精细陶瓷、电子材料、粉末冶金等行业应用。由于采用棒式搅拌结构，磨矿效率较高；随着筒体直径增大，磨矿中心和搅拌棒顶端处的速度相差太大，因而传输给介质的能量是不相等的，在筒体内能量分布不均匀；另外，搅拌棒的数量太少，这样传递给介质的能量频率低。该机优点是结构简单，维护方便。配合外部循环泵的使用，能将物料磨至几微米。     图3 棒式搅拌磨机原理图 环隙式搅拌磨,解决了能量密度不均匀问题，能量利用率高，其产品粒度均匀。但是有效容积变小，设备大型化困难。仅限于一些精细陶瓷、磨料和特种油墨和涂料等精加工行业中应用。而工业矿物粉体制备，需要处理量大的加工设备。因此, 研制产品粒度细、处理量大的大型超细搅拌磨机对于工业矿物粉体的深加工是当务之急。   3  新型高效超细搅拌磨机的研究开发 综合以上分析和根据我们长期的试验研究和工业应用实践，设计了一种能量利用率高，操作维护方便，能够大处理量粉磨工业矿物的新型超细搅拌磨─立式棒式搅拌磨机。如图4。 该设备主要由螺旋棒式搅拌器、筒体、驱动装置和机架组成。搅拌器采用螺旋棒式结构，主轴直径较大，搅拌器上棒分布数量较多，这样增加了搅拌小介质球的机会。搅拌器可以采用合金钢、聚氨酯、陶瓷或硬质合金制作，筒体采用异形结构,可采用合金钢、聚氨酯、不锈钢制作，筒体外壳设置有冷却水套。介质球可以采用玻璃珠、陶瓷珠、钢球或硬质合金球，球直径在φ1~φ10mm，如果需要更细的球也可以。 工作时，上部传动装置带动搅拌器以适宜的速度（3~6m/s）搅拌介质球，主要利用球介质之间的摩擦、剪切和冲击粉磨物料。   图4  新型超细搅拌磨矿机 4  工艺设计 4.1  干磨工艺 干法工艺主要是生产600目~2500目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5。 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；磨矿时的热量散失问题。   图5  干磨工艺 1--提升机,2--搅拌磨机,3--分级机,4--收集器,5--风机.   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（-2μm≥90%），主要有一段式（间歇式）、多段式、循环式和闭路磨矿（磨矿+分级）。 最为理想的湿磨工业是闭路磨矿，该工艺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释，需要设置大型浓缩池。湿法超细分级设备主要有小直径（φ10）旋流器，卧式螺旋分级机和蝶式分级机。 循环式磨矿是一种很好的细磨工艺，如图6所示,特别是大处理量循环磨矿，细磨产品粒度分布窄，散热效果好，湿磨产品浓度可达60~70%，可直接进入闪蒸干燥，多功能干燥等设备干燥，减少了压缩设备，该工艺投资较省。     图6  循环磨矿工艺 多段式磨矿是几台搅拌磨机串联, 如图7所示，根据磨矿细度，可以在每一段搅拌磨机内加入不同直径的介质球，这样提高了磨矿效率，散热条件好，但是，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。                          图7  多段磨矿工艺 小1--调浆桶, 2.4.7.10--泵,3.6.9--中间桶,5.8.11--搅拌磨机,12--筛子,13--贮浆桶. 一段磨矿或间歇磨矿仅适用于产品粒度较细或处理量很小的场合，非金属工业矿物中应用较少。 目前，闭路磨矿工艺和大处理量循环磨矿工艺是较为先进的湿磨工艺。 5  工业矿物对细磨的特殊要求 工业矿物，例如重钙、滑石、硅灰石、云母、高岭土等，由于他们具有不同的纯度、细度、粒度分布、粒度形状和颜色等特点而产生了许多不同的用途，广泛地应用在塑料、造纸、油漆、化工、冶金、陶瓷行业中。因此对超细粉磨设备及其工艺提出了特殊要求，不是纯粹简单的粒度减小过程。例如制备珠光颜料的云母粉，需要径厚比大，表面光滑，不能有划痕，不能产生二次污染。这就需要搅拌磨转速不能太高，介质球表面光滑，一施加剪切，柔搓为主的方式剥离物料。硅灰石作橡胶、塑料填料，需要长径比大，产品粒度细，这样制作的材料具有较强的刚度和韧性。陶瓷粉末需具备超细（-1μm），高纯（99.9%），高度分散，粒度分布窄，等积形颗粒形状等。作为涂布级造纸用重质碳酸钙，需要超细（-2μm≥90%），白度≥90%，纯度CaCO3≥98%，粒度分布窄，一定的粘浓度，高分散性等性能。 由于工业部门对超细工业矿物粉体提出了特定的要求，这就决定了超细粉磨设备和工艺必须满足：    1） 产品细度，粒度分布，粒度形状；    2） 磨矿时不能产生二次污染；    3） 处理能力大；    4） 能量利用率高。